材料。该机极大地提高了装袋速度和效率，为抗洪抢险争取时间，具有显著的社会效益、经济效益和环境效益。
关键词：设备选型；结构优化；功能设计；装袋机；防汛抢险
中图分类号：TV871.3；TV882.1
文献标志码：A
doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.006
1 项目研发背景
在抗洪抢险现场进行筑高堤坝、压渗反滤、堵塞溃口等险情抢护工作时，需要抛投大量的沙石土袋，如1998年长江、松花江及嫩江抗洪抢险中，耗用土工编织袋数量达5.1亿条，且绝大多数采用人工装袋、肩挑背扛的传统作业方式，劳动强度大、速度慢、效率低、安全性差。
防汛抢险联合装袋机项目以降低劳动强度、实现机械化装袋为研发目标，采用人工辅助作业，操作便利，可完成高效装袋、封口装车以及快速移动。通过对国内外市场进行调研，在以往研制的防汛抢险装袋设备基础上，经多方案比选、多次试验修改完善，在智能化程度、工作效率、设备运行性能、使用方便性等方面较前代产品有了较大提升，以较少的人工、较低的劳动强度，实现了快速装袋、封口、装车等目的，为快速抢险提供了有力保障。
2 工作原理
利用装载机将砂土料物装人储料斗，设置高频振动装置强制下料，经给料皮带机将料物传输至交替下料的双出料口，根据所需装料体积预先设定装料时长，料物经出料口装人袋中。达到设定时长后，袋子自动脱落至运行的封口皮带机上。料袋在封口皮带机上进行白动封口，封好口的成品袋由封口皮带机传送至输送皮带机上进行装车。整机由电气操作系统进行控制。平面布置见图1。
3 研发过程
3.1 主要研究内容
3.1.1 设备總体功能设计
防汛抢险联合装袋机应能适应所有人工装袋料物，适应野外恶劣作业条件，实现设备轻型化、操作自动化、移动快速化，减少作业人员，减轻劳动强度。
3.1.2 承载机构选型
鉴于该设备为防汛抢险专用设备，平时使用频率较低，因此整机自身不设自行移动动力机构，使用时由外部牵引车拖动。该机拖曳机构应具备刹车、转向、信号指示等功能，以满足在运输及生产过程中的安全要求。
3.1.3 驱动系统选型
整机要实现给料、夹袋、出料、封口、输送等功能，需要相应的驱动系统。该机驱动系统主要由驱动电机、气泵、气缸及相应的附件组成。
3.1.4 控制系统的集成开发与各组成部件间的合理匹配
为减少抗洪抢险现场装袋和运袋的劳动量，降低劳动强度、提高工作效率，开发智能化程度较高的气动夹袋、自动封口技术，需要增加控制器的控制功能，并根据现场需求，合理选用控制系统中各组成部件。该机控制系统中，需要选用的组成部件包括可编程逻辑控制器（PLC）、变频器、触摸屏、接触器、光电传感器、继电器等，并协调各组成部件之间的匹配关系。
3.2 技术方案
3.2.1 系统功能描述
该设备由以下部分组成：①承载机构与拖行装置：②储料给料机构，包括储料斗、振动电机、给料皮带机等：③双口交替下料机构；④自动封口机构，包括封口皮带机、光电传感器、气动钢钉封口枪及工作平台：⑤输送皮带机：⑥电气控制系统；⑦驱动系统：⑧装卸架。
（1）作业准备。设备到达作业地点后，利用装卸架将2台输送皮带机卸车并安放到作业部位，人工将4台封口皮带机卸车并安放到作业部位。接通并启动总电源，将支撑机构的4台升降式电动螺杆支腿升至适当高度。采用装载机等机械将砂土料物装入储料斗内（装黏土类易黏结物料时，可启动振动装置强制下料）。根据装袋作业现场所装料物种类与所装成品袋的要求，现场设置给料皮带机运行频率、下料闸门开启时长（即下料时长）等技术参数。启动双口下料装置、封口装置、输送装置及空压机，设备开始运行（根据使用情况可启动一侧或两侧装袋作业）。
（2）装袋作业。整机采用2套双口交替出料系统，每套均采用双口交替下料模式，将套袋与装袋2个工序并行重叠交替进行。在与2个出料口对应的两台封口皮带机上，料袋随封口皮带机运行至预定封口工位期间，分别采用人工辅助束口，待料袋随封口皮带机运行至预定封口工位时，传感器检测到料袋就位后封口皮带机停止运行，封口枪以气动方式在束口处进行自动封口：封口后皮带机自动开始运行，将封好口的成品袋送至输送皮带机上，进而被输送到运输车辆上。循环上述过程，即可进行连续套袋、装袋、封口、输送作业。
3.2.2 承载机构与拖行装置
承载机构与拖行装置包括由4台电机分别驱动的升降式螺杆支腿支撑的承载平台、由4条轮胎支撑的前后桥以及拖曳三角架。根据整机质量、设备运输及作业方式，确定支撑机构技术参数、4台驱动电机的输出功率、输出扭矩等参数。
3.2.3 储料给料机构
储料给料机构主要包括储料机构和给料机构。储料机构由中间隔板分隔为2个独立的料仓，对应料仓下方各有1台独立的给料皮带机。在抢险现场，装袋料物往往湿度大、黏性强，为保证下料顺利，安装2套振动装置，每套均包括2台高频振动电机。给料机构由变频器控制的驱动电机、减速机、主动滚筒与从动滚筒、平托辊、挡辊、给料皮带等组成。变频电机带动皮带循环传动，进而实现料物的输送。合理选用皮带机，并根据现场实际调试皮带机运行参数。给料皮带机根据给料量采用变频方式运行。
3.2.4 双口交替下料机构
双口交替下料机构包括双口料斗、下料闸门、换向翻板、夹袋装置等。整机采用2套双口交替出料斗。在人工套袋的前提下，出料斗实现气动夹袋、气动脱袋、可调节夹袋行程限位等功能。
3.2.5 封口裝置
与双口交替下料机构对应配置，每套双口交替下料机构配置2套封口装置，整机共配置4套。每套封口装置均包括由电机驱动的封口皮带机、气缸、红外光电传感器、可调节的气钉枪支撑机构及其触发装置。封口皮带机的运行速度应满足不同作业人员的反应速度，其参数可通过试验确定。
自动封口机包括皮带机和封口平台，封口平台包括可动和静止状态2套Ω形装置及封口高度调节装置。皮带机采用电机驱动减速机联轴器驱动主动辊。封口装置以压缩空气为驱动动力，采用PLC控制封口动作，灵活高效。
3.2.6 输送装置
整机采用2套输送装置。每套输送装置均包括输送电机驱动的输送皮带机，输送皮带机输送高差≤3m。根据设备使用便利性的要求，输送皮带机支架采用可折叠式，支架高度可调整，且为轻质材料。由于输送皮带机倾角较大，因此还需考虑成品袋在输送皮带机上运行时的防滑问题。采用带有防滚条的PVC粗花纹皮带，可防止土石沙袋在重力作用下下滑。
3.2.7 电气控制系统
控制器采用PLC，根据不同料物与相应的含水量，通过控制器触摸屏设定装袋下料时长，控制器读取并存储。达到装袋时长时，控制单元命令气动夹松开，装好料物的袋子自动脱落。根据漫反射型红外光电传感器发送的待封口物料袋已到达封口工位的指令信号，控制封口皮带机停止运行，同时控制气缸触发气钉枪，对料物袋进行自动封口。
3.2.8 驱动系统
驱动系统包括主驱动机构与附属驱动机构，主驱动机构包括2台给料皮带机驱动电机、4台封口皮带机驱动电机、2台输送皮带机驱动电机和1台空气压缩机及驱动电机，附属驱动机构包括4台高频振动电机和4台升降式螺杆支腿驱动电机。
3.2.9 装卸架
为适应野外条件下的快速作业准备，避免使用重型吊装设备，减轻人工装卸劳动强度，方便人工装卸，满足不同装车高度条件下的要求，研发了轨道式可折叠快速装卸架，用于输送皮带机的快速装卸。
3.3 总体结构布置优化
为充分利用空间，整机采用的总体结构布置：承载机构支撑的承载平台纵向分成两部分，一部分上方装设有储料斗、振动装置、给料皮带机，给料皮带机出料口下方设置出料斗，给料皮带机与承载机构之间的承载平台上装设有2套主（辅）控制箱、气泵、气泵驱动电机、4套封口皮带机、给料皮带驱动电机以及其他电控箱等设备：承载平台纵向另一部分分割为两层平台，最上层平台位于储料斗一侧，用于装载一台输送皮带机，下层平台用于装载另一台输送皮带机。为方便使用与检修维护，承载平台还设置了纵向轨道，用于装卸输送皮带机。其他附属设备还包括装卸架、工具箱等。
3.4 组成单元设备选型、工作参数选取及优化
通过设备总体功能设计、理论计算与设备选型、主要技术参数选取和生产性试验验证，优化给料装置的给料皮带机运行频率、下料闸门开启时长、双口下料装置的换向翻板动作频率、封口装置的封口动作频率、输送装置的皮带机运行速度等设备运行关键技术参数，实现了整机高效运行。
3.5 主要技术参数
生产效率1200袋/h，输送高度3.0m，总功率26kW，储料斗容量4m3，装料高度2.8m，整机质量6700kg。工作状态下外形尺寸为5.0mx2.5mx2.5m（长×宽×高）。整机供电电压为AC（380+10%）V50Hz三相，控制电压为AC（ 220+10%） V50Hz单相，压缩空气气压0.6MPa。所用袋子适用于常用规格（85cmx50cm或95cmx55cm）（长×宽）防汛编织袋和防滑织物土袋以及非标准专用土工织物袋。所装料物适用于干、湿沙土，黏土、砂石混合料、粒径5cm以下的块料等天然防汛抢险材料，以及粒径5cm以下的防汛卵砾石和防汛砂料等专用防汛抢险材料。
4 主要创新点
（1）该机集装袋、封口、输送于一体，便于整机快速运输。可根据不同抢险场地条件灵活布置设备，快速展开作业。
（2）该机具备2套独立的装袋、封口、输送系统，可单独运行，也可同时运行。每套系统仅需5人配合操作，2套系统同时工作时可实现1200袋/h土石沙袋的装袋、封口与输送。
（3）研制的双口交替下料机构，变单下料口工况下套袋、装袋的串行工作模式为双下料口工况下套袋、装袋交替并行的工作模式，实现了给料皮带机不间断供料，两个工位交替下料，缩短了启动、停机时间，极大地提高了装袋效率。
（4）研制的封口装置由气动钉枪及其触发装置、气缸、红外探头和封口皮带机等组成。在人工辅助束口与PLC作用下，通过红外探头实现土石砂袋在封口皮带机上的定位，气缸推动气动钉枪触发装置动作，完成自动封口作业。
（5）采用PLC与触摸屏及变频器配合，可实现自动交替下料、自动封口、储料仓溢满停机保护、装袋速度、装袋质量、翻板动作间隔以及封口时机等各工艺参数的现场设置与调整，以及给料皮带机送料速度调整、底盘电动支腿的单个或全部同时升降等功能。
（6）该机满足刮风、扬尘、降雨等各种不利天气的野外作业条件。适用于松散土料、砂土及粒径5cm以下的碎石、砂石混合料等天然防汛抢险材料，针对含水量大的黏土，可采用高频振动装置强制下料。
5 效益分析
（1）社会效益。该设备的成功研制，很大程度上减少了劳动力数量、降低了劳动强度，并极大地提高了装袋速度、缩短了劳动时间，为抗洪抢险争取大量时间，具有显著的社会效益。
（2）经济效益。依据水利部水利工程施工机械台时费定额5-计算，该机装袋费用为0.27元/袋左右。该机每小时装袋数量相当于120人同等时间的装袋量。
（3）环境效益。利用编织袋装砂土料物代替传统埽工材料抢险，有利于保护生态环境，环境效益显著。
6 推广应用
该设备研制成功后，先后在黄河某控导工程坝裆应急抢护、某滩岸坍塌应急抢护和沁河某涵闸改建工程围堰应急抢护中得到成功应用。经现场实测，从装袋机就位、设备调试、装袋到抛投仅需约30min，大大提高了抢险及施工效率，为有效遏制坝裆回流淘刷及防御洪水边流淘刷发挥了重要作用。该设备先后取得国家实用新型专利4项，另有2项发明专利正在受理。
7 结语
防汛抢险联合装袋机集装袋、封口、输送于一体，具有集成度与自动化程度高、操作简单、实用性强等特点，能实现快速装袋、自动封口、快速将土石沙袋装入运输车辆，极大地降低了抢险作业人员的劳动强度，改善了作业环境，极大地提高了装袋速度和工作效率，为抗洪抢险争取大量的宝贵时间，可广泛应用于抗洪抢险、道路抢修、水利工程施工等，具有显著的社会效益、经济效益和环境效益。
