露天煤礦巡檢機器人的設(shè)計及現(xiàn)場測試

徐金鑫

（山西煤炭進出口集團河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 034000）

引言

帶式輸送機為煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵運輸設(shè)備，隨著采煤技術(shù)和采煤設(shè)備自動化水平的提升，煤礦采煤能力不斷提升，帶式輸送機朝著長距離、大運量以及大功率的方向發(fā)展。在實際生產(chǎn)中帶式輸送機可能存在跑偏、撕裂、打滑等事故的發(fā)生，為避免帶式輸送機事故的發(fā)生影響煤礦的正常生產(chǎn)，需對帶式輸送機的運行狀態(tài)進行監(jiān)測。傳統(tǒng)帶式輸送機的人工巡檢的效率低、監(jiān)測效率低、監(jiān)測精度低且工作人員勞動強度大[1]，為解決人工巡檢的問題需要為露天煤礦配置巡檢機器人。本文著重對露天煤礦巡檢機器人進行設(shè)計，并對其進行現(xiàn)場測試。

1 巡檢機器人的總體設(shè)計

本文以對露天煤礦帶式輸送機的監(jiān)測為背景，為帶式輸送機的運行參數(shù)的監(jiān)測設(shè)計巡檢機器人，且著重對帶式輸送機驅(qū)動裝置故障、輸送帶失效以及托輥故障等特征進行監(jiān)測，對應(yīng)的監(jiān)測參數(shù)為皮帶機的電機溫度、轉(zhuǎn)速、振動情況；輸送帶的轉(zhuǎn)速、張力以及偏移角度等。

根據(jù)帶式輸送機的故障類型和巡檢機器人的監(jiān)測參數(shù)，可將巡檢機器人分為驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人機交互界面。為保證帶式輸送機的高效運輸效果，對巡檢機器人提出如下要求：

1）要求巡檢機器人能夠?qū)崿F(xiàn)對長距離帶式輸送機參數(shù)的監(jiān)測，且能夠?qū)崟r對皮帶機運行參數(shù)進行采集；

2）要求巡檢機器人體積適中，不能夠影響皮帶機的正常運行；

3）要求巡檢機器人為電動驅(qū)動系統(tǒng)，具有較長的續(xù)航里程；

4）要求巡檢機器人可搭載各種傳感器對運行參數(shù)進行監(jiān)測，并與上位機實現(xiàn)無線通訊，且具有實時顯示皮帶機運行參數(shù)和故障、報警類型的用戶界面[2]。

根據(jù)巡檢機器人的功能要求，設(shè)計巡檢機器人的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 巡檢機器人總體設(shè)計框圖

2 巡檢機器人驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計

目前，可應(yīng)用于巡檢機器人驅(qū)動的方式包括有輪式驅(qū)動結(jié)構(gòu)、履帶式驅(qū)動結(jié)構(gòu)、懸線式驅(qū)動結(jié)構(gòu)以及軌道式驅(qū)動結(jié)構(gòu)。鑒于露天煤礦帶式輸送機所需巡檢的距離較長、巡檢目標(biāo)相對單一且巡檢路線固定。本文采用軌道式驅(qū)動結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對巡檢機器人的驅(qū)動控制，具體可通過鋼絲繩拖拽驅(qū)動和齒輪齒條驅(qū)動方式。

其中，鋼絲繩拖拽驅(qū)動結(jié)構(gòu)具有控制簡單、維修方便的優(yōu)勢，但鑒于露天煤礦溫差較大在寒冷季節(jié)容易出現(xiàn)結(jié)冰和積水情況影響巡檢機器人的驅(qū)動，且鋼絲繩拖拽方式不適用于長距離路線的鋪設(shè)。自驅(qū)動式齒條齒輪驅(qū)動方式具有可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性好、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢。因此，選擇自驅(qū)動式齒輪齒條驅(qū)動方式實現(xiàn)對巡檢機器人的驅(qū)動控制[3]。此外，對于自驅(qū)動式齒輪齒條的驅(qū)動方式可將齒條安裝于側(cè)面或底部，而將齒條安裝于側(cè)面的穩(wěn)定性較差且裝配工藝較差，齒條安裝于底部對系統(tǒng)的裝配要求高。

綜上所述，選擇將齒條安裝于底部的自驅(qū)動式齒條齒輪的驅(qū)動系統(tǒng)。結(jié)合露天煤礦工作面的實際情況，設(shè)定巡檢機器人的最大巡檢速度為0.5 m/s。結(jié)合帶式輸送機的坡度和長度，要求巡檢機器人的續(xù)航時間不得少于6 h，續(xù)航里程不得少于200 m。

根據(jù)巡檢機器人的整機質(zhì)量為25 kg，帶式輸送機最大傾角α為11°，則巡檢機器人電源所輸出的最小扭矩如式（1）所示：

式中：FG為巡檢機器人的重力，取250 N；m為齒輪齒條的模數(shù)，取2.5；Z為齒輪的齒數(shù)，取23；η為驅(qū)動系統(tǒng)的總效率，取0.90。

經(jīng)計算可得，巡檢機器人的電機的最小扭矩為1.92 N·m。根據(jù)上述計算結(jié)果，為巡檢機器人驅(qū)動系統(tǒng)配置驅(qū)動電機，其類型為Maxon EC直流電機，型號為Maxon-4，該型號電機所能提供的最小扭矩為4 N·m。

3 巡檢機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計

控制系統(tǒng)為巡檢機器人的核心系統(tǒng)，基于控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各個模塊之間的數(shù)據(jù)通訊，通過所采集到的數(shù)據(jù)推斷出帶式輸送機的工作狀態(tài)，并對異常現(xiàn)場發(fā)出報警。結(jié)合巡檢機器人的功能要求，為其設(shè)計如圖2所示的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 巡檢機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖2所示，巡檢機器人控制系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和電池供電系統(tǒng)組成[4]。結(jié)合工控行業(yè)中的選型經(jīng)驗為巡檢機器人控制系統(tǒng)的硬件選型結(jié)果如表1所示。

4 巡檢機器人的現(xiàn)場測試

根據(jù)上述配置完成巡檢機器人控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計后，為保證其在實際應(yīng)用中的穩(wěn)定性和高效性，設(shè)計一款巡檢機器人的樣機對其應(yīng)用情況進行測試分析，主要包括有巡檢機器人的爬坡性能和續(xù)航能力進行現(xiàn)場測試。

表1 巡檢機器人控制系統(tǒng)硬件選型結(jié)果

4.1 巡檢機器人爬坡性能測試

根據(jù)露天煤礦帶式輸送機的使用情況，模擬巡檢機器人所監(jiān)測帶式輸送機的坡度為20°，巡檢長度為9 m，現(xiàn)場環(huán)境的溫度為20～37℃。實踐表明，巡檢機器人可在不同電機轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)平穩(wěn)爬坡，且爬坡過程中未出現(xiàn)卡頓的現(xiàn)象[5]。此外，經(jīng)現(xiàn)場測量不同電機轉(zhuǎn)速下巡檢機器人的爬坡速度與理論速度的差值僅為6%。

4.2 巡檢機器人的續(xù)航測試

為充分驗證巡檢機器人的續(xù)航能力，在不同環(huán)境溫度下測試巡檢機器人的續(xù)航時間，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 續(xù)航測試結(jié)果

如圖3所示，巡檢機器人隨著環(huán)境溫度的升高，其續(xù)航能力提升，且巡檢機器人的平均巡航時間為10 h，滿足續(xù)航時間不少于6 h的要求。

4 結(jié)論

1）采用齒條安裝于底部的自驅(qū)動齒輪齒條的驅(qū)動方式，且采用直流電機驅(qū)動，并根據(jù)巡檢機器人的工作環(huán)境為其配置扭矩不小于1.92 N·m的電機；

2）根據(jù)巡檢機器人的功能要求，為其主控制系統(tǒng)完成工控機、電機控制器、溫度采集模塊、圖像采集模塊的選型；

3）經(jīng)對巡檢機器人現(xiàn)場測試可得，其在坡度為20°的工況下工作，其實際巡檢速度與理論巡檢速度的差值僅為6%；在20～37℃環(huán)境中的平均續(xù)航時間為10 h，滿足續(xù)航時間不少于6 h的要求。