大型預(yù)應(yīng)力拋石機(jī)的研制與應(yīng)用

潘劍鋒

（焦作黃河河務(wù)局孟州黃河河務(wù)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(jìn)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(yè)方法，效率低下、勞動強(qiáng)度大，不能滿足大強(qiáng)度拋石作業(yè)的需要。因此，研制開發(fā)出高效的大型機(jī)械拋石設(shè)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(yù)應(yīng)力拋石機(jī)研究路線

按照現(xiàn)場調(diào)研——理論研究——方案比較——整體設(shè)計——樣機(jī)試制——現(xiàn)場試驗——修改完善——專家評審的研究路線，經(jīng)過多次現(xiàn)場試驗、對比分析，研制出了具有滑和拋兩種功能的大型預(yù)應(yīng)力拋石機(jī)，該種拋石機(jī)能夠?qū)⑹弦淮螔佂兜轿?，保護(hù)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(yè)施工的發(fā)展。

2 大型預(yù)應(yīng)力拋石機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

2.1 結(jié)構(gòu)組成及附屬設(shè)備

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

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

（3）預(yù)應(yīng)力鋼絲繩的設(shè)置：減少拋石作業(yè)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(qiáng)整個結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。在拋石機(jī)底梁等部位分別利用預(yù)應(yīng)力技術(shù)設(shè)置鋼絲繩斜拉裝置。

2.2 工作原理

用裝載機(jī)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(nèi)快速向下滑動，到達(dá)滑道末端時速度達(dá)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(yè)。

3 大型預(yù)應(yīng)力拋石機(jī)技術(shù)設(shè)計及特點

3.1 大型預(yù)應(yīng)力拋石機(jī)技術(shù)設(shè)計

文中以孟州河務(wù)局所轄控導(dǎo)的丁壩工程施工為例進(jìn)行研究、探索，進(jìn)步一確定大型預(yù)應(yīng)力拋石機(jī)的技術(shù)方案。

3.1.1 工作角度的確定

孟州河務(wù)局所轄控導(dǎo)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?shù)膴A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(jī)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(jī)必須與裝載機(jī)配合作業(yè)，因此裝載機(jī)鏟斗的寬度即為接料口的寬度。現(xiàn)有的3 方輪式裝載機(jī)鏟斗寬度多為2760 mm，兩側(cè)加寬220 mm，實際接料口的寬度為3200 mm。施工中為了節(jié)約材料，減輕自重，縮小外形尺寸，在保證石料下滑速度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，確定滑道寬度2000 mm。

3.1.3 強(qiáng)度計算

輪式裝載機(jī)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(jī)的作用力：

接料口鋼板承受的壓強(qiáng)：

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

根據(jù)上述計算結(jié)果，可選用16 Mn 低合金結(jié)構(gòu)鋼板，厚度為8 mm。為了節(jié)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(qiáng)度高，耐腐蝕等特點，符合拋石彈簧的要求。根據(jù)鋼板彈簧的弧度，將其從中心截斷，利用弧度將石料拋出。結(jié)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(yù)應(yīng)力的設(shè)置

預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)是在結(jié)構(gòu)承受外荷載之前，預(yù)先對外在荷載作用下的受拉區(qū)施加壓應(yīng)力，以改善結(jié)構(gòu)使用性能的結(jié)構(gòu)型式[3]。這樣做可以提高構(gòu)造本身的剛性，減少振動和彈性變形，改善受拉模區(qū)的強(qiáng)度，使原本的抗拉強(qiáng)度顯著增加。也可減小結(jié)構(gòu)的斷面尺寸，減輕自身重量，節(jié)約成本。故在拋石機(jī)底梁等部位設(shè)置鋼絲繩斜拉裝置，預(yù)先對接料口、滑道施加一定向上的應(yīng)力，減少拋石作業(yè)時接料口和滑道底板的變形，增強(qiáng)整個結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

3.2 大型預(yù)應(yīng)力拋石機(jī)特點

（1）充分考慮傾倒石料時拋石機(jī)受沖力強(qiáng)大、易損壞等因素，利用預(yù)應(yīng)力學(xué)，在拋石機(jī)底梁等部位分別采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)設(shè)置鋼絲繩斜拉裝置改變結(jié)構(gòu)形式，來降低機(jī)身受力強(qiáng)度，使其損壞維修次數(shù)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(diào)節(jié)彈簧的長短來確定，可將石料準(zhǔn)確拋投到指定位置，提高了拋石作業(yè)的效率，也節(jié)約了石料；

（3）移動方便、快捷，具有高效、節(jié)能、省力的性能。裝載機(jī)與大型預(yù)應(yīng)力拋石機(jī)配合作業(yè)，裝載機(jī)掛挑拋石機(jī)行走，同一壩道內(nèi)移動一次僅需1～2 分鐘；

（4）社會經(jīng)濟(jì)效益明顯。拋石機(jī)可進(jìn)行短時間高強(qiáng)度的拋石作業(yè)，在防汛搶險中，可有效的遏制險情的發(fā)展，為及時控制險情打下基礎(chǔ)。同時，其經(jīng)濟(jì)效益明顯，在工程基建施工、維修養(yǎng)護(hù)中，可明顯提高工作效率，節(jié)約資金。

4 大型預(yù)應(yīng)力拋石機(jī)性能指標(biāo)及效益分析

4.1 操作方法

（1）拋石機(jī)操作時需配備3 名操作人員：1 名裝載機(jī)駕駛員，2 名助手，主要協(xié)助移動拋石機(jī)時的吊環(huán)操作；清除作業(yè)場地的零石；指揮裝載機(jī)準(zhǔn)確移動拋石機(jī)；控制安全距離；調(diào)整拋石鋼板彈簧的長度；檢查拋石機(jī)。

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

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

4.2 主要性能指標(biāo)

拋石機(jī)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(jī)結(jié)合裝載機(jī)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(nèi)。

4.3 經(jīng)濟(jì)效益對比分析

（1）機(jī)械拋石費用

3 m3裝載機(jī)單價：182.24 元/工時；

裝載機(jī)拋石量：185 m3/工時；

裝載機(jī)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(jī)拋石較人工拋石的經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。同時，拋石機(jī)拋石還具有拋石強(qiáng)度高等優(yōu)點，適用在防汛搶險時短時間高強(qiáng)度的拋石作業(yè)。

5 結(jié)論

大型預(yù)應(yīng)力拋石機(jī)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(yīng)用，使根石加固的速度大幅提高，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。利用此作業(yè)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(yǎng)護(hù)機(jī)械化的發(fā)展趨勢。