大型预应力抛石机的研制与应用

潘剑锋

（焦作黄河河务局孟州黄河河务局，河南 孟州 454750）

在水利工程抢险以及工程施工中，通过散抛石对堤防、坝岸的坡脚进行抛石固根是一项普遍和重要的手段。目前采用的散抛石作业方法，效率低下、劳动强度大，不能满足大强度抛石作业的需要。因此，研制开发出高效的大型机械抛石设备，对水利工程治理、堤防加固、防汛抢险将起到重要作用[1]。

1 大型预应力抛石机研究路线

按照现场调研——理论研究——方案比较——整体设计——样机试制——现场试验——修改完善——专家评审的研究路线，经过多次现场试验、对比分析，研制出了具有滑和抛两种功能的大型预应力抛石机，该种抛石机能够将石料一次抛投到位，保护口石、坦坡不受损坏，效率较人工抛石有明显提高，在和大程度上推动了抛石作业施工的发展。

2 大型预应力抛石机结构及原理

2.1 结构组成及附属设备

（1）支架及护板：前支架高1.7 m，后支架高1.0 m，在前后支架底部设置有护板。

（2）滑抛道：长6 m，上口宽3.2 m，下口宽2.0 m，其上设置了接料器、支撑、滑道、护栏及抛石弹簧等附件。

（3）预应力钢丝绳的设置：减少抛石作业时，石料对接料口和滑道的冲击，造成底板的变形和连接开裂等故障，以便增强整个结构的强度。在抛石机底梁等部位分别利用预应力技术设置钢丝绳斜拉装置。

2.2 工作原理

用装载机将石料倒入接料口，石料在重力势能和动能的作用下在滑道内快速向下滑动，到达滑道末端时速度达到最大。在滑道末端抛石弹簧的作用下，将石料抛送到指定位置，可将石料倾倒在丁坝的根石台、根石坡上部等部位，方便根石台、根石坡上部缺石时的加固作业。

3 大型预应力抛石机技术设计及特点

3.1 大型预应力抛石机技术设计

文中以孟州河务局所辖控导的丁坝工程施工为例进行研究、探索，进步一确定大型预应力抛石机的技术方案。

3.1.1 工作角度的确定

孟州河务局所辖控导工程丁坝的坦坡长度在4.2 m～5.5 m之间，坡度均为1∶1.5。坦坡与坝顶的夹角为：

在方便施工的前提条件下，为了获得良好的抛石效果，将抛石机工作角度确定为35°。

3.1.2 接料口、滑道宽度的确定

由于抛石机必须与装载机配合作业，因此装载机铲斗的宽度即为接料口的宽度。现有的3 方轮式装载机铲斗宽度多为2760 mm，两侧加宽220 mm，实际接料口的宽度为3200 mm。施工中为了节约材料，减轻自重，缩小外形尺寸，在保证石料下滑速度和结构强度的前提下，确定滑道宽度2000 mm。

3.1.3 强度计算

轮式装载机铲斗容量为2.7 m3，块石密度为1700 kg/m3。一铲石料重量：

一铲石料对抛石机的作用力：

接料口钢板承受的压强：

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

根据上述计算结果，可选用16 Mn 低合金结构钢板，厚度为8 mm。为了节约材料，减轻自重，滑道部分的钢板厚度可选用5 mm。

3.1.4 抛石弹簧的选用和布置

汽车用钢板弹簧采用60 Si2Mn 合金弹簧钢，具有强度高，耐腐蚀等特点，符合抛石弹簧的要求。根据钢板弹簧的弧度，将其从中心截断，利用弧度将石料抛出。结合每铲石料的重量（4590 kg）,可选用中型载货汽车使用的钢板弹簧，厚度14 mm，宽度120 mm。

抛石弹簧的布置间距按照钢板弹簧宽度的1/3 均匀布置，形成整体的圆弧面，保证石料的抛送效果。

3.1.5 预应力的设置

预应力结构是在结构承受外荷载之前，预先对外在荷载作用下的受拉区施加压应力，以改善结构使用性能的结构型式[3]。这样做可以提高构造本身的刚性，减少振动和弹性变形，改善受拉模区的强度，使原本的抗拉强度显著增加。也可减小结构的断面尺寸，减轻自身重量，节约成本。故在抛石机底梁等部位设置钢丝绳斜拉装置，预先对接料口、滑道施加一定向上的应力，减少抛石作业时接料口和滑道底板的变形，增强整个结构的强度。

3.2 大型预应力抛石机特点

（1）充分考虑倾倒石料时抛石机受冲力强大、易损坏等因素，利用预应力学，在抛石机底梁等部位分别采用预应力技术设置钢丝绳斜拉装置改变结构形式，来降低机身受力强度，使其损坏维修次数大大降低；

（2）具备滑和抛两种功能。通过手柄摇动，两种功能可相互切换，抛石位置由手柄摇动调节弹簧的长短来确定，可将石料准确抛投到指定位置，提高了抛石作业的效率，也节约了石料；

（3）移动方便、快捷，具有高效、节能、省力的性能。装载机与大型预应力抛石机配合作业，装载机挂挑抛石机行走，同一坝道内移动一次仅需1～2 分钟；

（4）社会经济效益明显。抛石机可进行短时间高强度的抛石作业，在防汛抢险中，可有效的遏制险情的发展，为及时控制险情打下基础。同时，其经济效益明显，在工程基建施工、维修养护中，可明显提高工作效率，节约资金。

4 大型预应力抛石机性能指标及效益分析

4.1 操作方法

（1）抛石机操作时需配备3 名操作人员：1 名装载机驾驶员，2 名助手，主要协助移动抛石机时的吊环操作；清除作业场地的零石；指挥装载机准确移动抛石机；控制安全距离；调整抛石钢板弹簧的长度；检查抛石机。

（2）吊运：利用抛石机的吊环升起铲斗，起吊抛石机，将大型预应力抛石机运送到除险地点或需加固根石的位置，将抛石机的前支架放置于坝顶上，距口石10 cm～30 cm，安装稳定。

（3）移动：作业完成后，检查抛石机各部位安全性能，符合要求后将抛石机移动到下一作业地点。

4.2 主要性能指标

抛石机的重量约3000 kg，一次可倾倒石料2.5 m3～3 m3，采用大型抛石机结合装载机下石，每台班可抛石1000 m3～1500 m3。抛滑石距离控制在3 m～10 m（水平距离）的范围内。

4.3 经济效益对比分析

（1）机械抛石费用

3 m3装载机单价：182.24 元/工时；

装载机抛石量：185 m3/工时；

装载机抛散石1 m3的费用：

（182.24 元/工时）÷（185 m3/工时）=0.98 元；（2）人工抛石费用

普工：26.88 元/工日；

人工抛石量：3 m3/工日；

人工抛散石1 m3的费用：

（26.88 元/工日）÷（3 m3/工日）=8.96 元。

通过上述计算，抛石机抛石较人工抛石的经济效益十分显著。同时，抛石机抛石还具有抛石强度高等优点，适用在防汛抢险时短时间高强度的抛石作业。

5 结论

大型预应力抛石机的成功研制，在黄河水利工程根石加固和防汛抢险中得到了广泛应用，使根石加固的速度大幅提高，取得了可观的经济效益。利用此作业方式，可将黄河职工从千百年来利用人工抛石的繁重体力劳动中解脱出来，使治黄工作向前迈出了一大步，符合防汛抢险、维修养护机械化的发展趋势。