大型預應力拋石機的研制與應用

潘劍鋒

（焦作黃河河務局孟州黃河河務局，河南 孟州 454750）

在水利工程搶險以及工程施工中，通過散拋石對堤防、壩岸的坡腳進行拋石固根是一項普遍和重要的手段。目前采用的散拋石作業方法，效率低下、勞動強度大，不能滿足大強度拋石作業的需要。因此，研制開發出高效的大型機械拋石設備，對水利工程治理、堤防加固、防汛搶險將起到重要作用[1]。

1 大型預應力拋石機研究路線

按照現場調研——理論研究——方案比較——整體設計——樣機試制——現場試驗——修改完善——專家評審的研究路線，經過多次現場試驗、對比分析，研制出了具有滑和拋兩種功能的大型預應力拋石機，該種拋石機能夠將石料一次拋投到位，保護口石、坦坡不受損壞，效率較人工拋石有明顯提高，在和大程度上推動了拋石作業施工的發展。

2 大型預應力拋石機結構及原理

2.1 結構組成及附屬設備

（1）支架及護板：前支架高1.7 m，后支架高1.0 m，在前后支架底部設置有護板。

（2）滑拋道：長6 m，上口寬3.2 m，下口寬2.0 m，其上設置了接料器、支撐、滑道、護欄及拋石彈簧等附件。

（3）預應力鋼絲繩的設置：減少拋石作業時，石料對接料口和滑道的沖擊，造成底板的變形和連接開裂等故障，以便增強整個結構的強度。在拋石機底梁等部位分別利用預應力技術設置鋼絲繩斜拉裝置。

2.2 工作原理

用裝載機將石料倒入接料口，石料在重力勢能和動能的作用下在滑道內快速向下滑動，到達滑道末端時速度達到最大。在滑道末端拋石彈簧的作用下，將石料拋送到指定位置，可將石料傾倒在丁壩的根石臺、根石坡上部等部位，方便根石臺、根石坡上部缺石時的加固作業。

3 大型預應力拋石機技術設計及特點

3.1 大型預應力拋石機技術設計

文中以孟州河務局所轄控導的丁壩工程施工為例進行研究、探索，進步一確定大型預應力拋石機的技術方案。

3.1.1 工作角度的確定

孟州河務局所轄控導工程丁壩的坦坡長度在4.2 m～5.5 m之間，坡度均為1∶1.5。坦坡與壩頂的夾角為：

在方便施工的前提條件下，為了獲得良好的拋石效果，將拋石機工作角度確定為35°。

3.1.2 接料口、滑道寬度的確定

由于拋石機必須與裝載機配合作業，因此裝載機鏟斗的寬度即為接料口的寬度?，F有的3 方輪式裝載機鏟斗寬度多為2760 mm，兩側加寬220 mm，實際接料口的寬度為3200 mm。施工中為了節約材料，減輕自重，縮小外形尺寸，在保證石料下滑速度和結構強度的前提下，確定滑道寬度2000 mm。

3.1.3 強度計算

輪式裝載機鏟斗容量為2.7 m3，塊石密度為1700 kg/m3。一鏟石料重量：

一鏟石料對拋石機的作用力：

接料口鋼板承受的壓強：

P=F/S=44982N/(2.76m×0.6m)=27163.04Pa=27.16kPa

根據上述計算結果，可選用16 Mn 低合金結構鋼板，厚度為8 mm。為了節約材料，減輕自重，滑道部分的鋼板厚度可選用5 mm。

3.1.4 拋石彈簧的選用和布置

汽車用鋼板彈簧采用60 Si2Mn 合金彈簧鋼，具有強度高，耐腐蝕等特點，符合拋石彈簧的要求。根據鋼板彈簧的弧度，將其從中心截斷，利用弧度將石料拋出。結合每鏟石料的重量（4590 kg）,可選用中型載貨汽車使用的鋼板彈簧，厚度14 mm，寬度120 mm。

拋石彈簧的布置間距按照鋼板彈簧寬度的1/3 均勻布置，形成整體的圓弧面，保證石料的拋送效果。

3.1.5 預應力的設置

預應力結構是在結構承受外荷載之前，預先對外在荷載作用下的受拉區施加壓應力，以改善結構使用性能的結構型式[3]。這樣做可以提高構造本身的剛性，減少振動和彈性變形，改善受拉模區的強度，使原本的抗拉強度顯著增加。也可減小結構的斷面尺寸，減輕自身重量，節約成本。故在拋石機底梁等部位設置鋼絲繩斜拉裝置，預先對接料口、滑道施加一定向上的應力，減少拋石作業時接料口和滑道底板的變形，增強整個結構的強度。

3.2 大型預應力拋石機特點

（1）充分考慮傾倒石料時拋石機受沖力強大、易損壞等因素，利用預應力學，在拋石機底梁等部位分別采用預應力技術設置鋼絲繩斜拉裝置改變結構形式，來降低機身受力強度，使其損壞維修次數大大降低；

（2）具備滑和拋兩種功能。通過手柄搖動，兩種功能可相互切換，拋石位置由手柄搖動調節彈簧的長短來確定，可將石料準確拋投到指定位置，提高了拋石作業的效率，也節約了石料；

（3）移動方便、快捷，具有高效、節能、省力的性能。裝載機與大型預應力拋石機配合作業，裝載機掛挑拋石機行走，同一壩道內移動一次僅需1～2 分鐘；

（4）社會經濟效益明顯。拋石機可進行短時間高強度的拋石作業，在防汛搶險中，可有效的遏制險情的發展，為及時控制險情打下基礎。同時，其經濟效益明顯，在工程基建施工、維修養護中，可明顯提高工作效率，節約資金。

4 大型預應力拋石機性能指標及效益分析

4.1 操作方法

（1）拋石機操作時需配備3 名操作人員：1 名裝載機駕駛員，2 名助手，主要協助移動拋石機時的吊環操作；清除作業場地的零石；指揮裝載機準確移動拋石機；控制安全距離；調整拋石鋼板彈簧的長度；檢查拋石機。

（2）吊運：利用拋石機的吊環升起鏟斗，起吊拋石機，將大型預應力拋石機運送到除險地點或需加固根石的位置，將拋石機的前支架放置于壩頂上，距口石10 cm～30 cm，安裝穩定。

（3）移動：作業完成后，檢查拋石機各部位安全性能，符合要求后將拋石機移動到下一作業地點。

4.2 主要性能指標

拋石機的重量約3000 kg，一次可傾倒石料2.5 m3～3 m3，采用大型拋石機結合裝載機下石，每臺班可拋石1000 m3～1500 m3。拋滑石距離控制在3 m～10 m（水平距離）的范圍內。

4.3 經濟效益對比分析

（1）機械拋石費用

3 m3裝載機單價：182.24 元/工時；

裝載機拋石量：185 m3/工時；

裝載機拋散石1 m3的費用：

（182.24 元/工時）÷（185 m3/工時）=0.98 元；（2）人工拋石費用

普工：26.88 元/工日；

人工拋石量：3 m3/工日；

人工拋散石1 m3的費用：

（26.88 元/工日）÷（3 m3/工日）=8.96 元。

通過上述計算，拋石機拋石較人工拋石的經濟效益十分顯著。同時，拋石機拋石還具有拋石強度高等優點，適用在防汛搶險時短時間高強度的拋石作業。

5 結論

大型預應力拋石機的成功研制，在黃河水利工程根石加固和防汛搶險中得到了廣泛應用，使根石加固的速度大幅提高，取得了可觀的經濟效益。利用此作業方式，可將黃河職工從千百年來利用人工拋石的繁重體力勞動中解脫出來，使治黃工作向前邁出了一大步，符合防汛搶險、維修養護機械化的發展趨勢。