礦用帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁占澤

(國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司， 陜西 神木 719315)

0 引言

帶式輸送機(jī)作為煤礦重要的運(yùn)輸設(shè)備，具有運(yùn)輸距離長、運(yùn)輸量大、效率高等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。然而帶式輸送機(jī)故障時(shí)有發(fā)生，對(duì)帶式輸送機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測是實(shí)現(xiàn)其安全高效運(yùn)行的重要保障[3]。目前帶式輸送機(jī)狀態(tài)監(jiān)測仍以現(xiàn)場人工巡檢為主，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、巡檢效率低等問題，難以適應(yīng)智能礦山生產(chǎn)需要[4]。因此，研發(fā)自動(dòng)化程度高、功能齊全、可靠性高的巡檢機(jī)器人以代替人工巡檢已經(jīng)成為未來發(fā)展趨勢(shì)[5]。

陸文濤等[6]設(shè)計(jì)了一種礦用帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的組成和功能，論述了巡檢機(jī)器人裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集方法。崔融融[7]提出了一種帶式輸送機(jī)故障自動(dòng)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，給出了故障檢測算法及流程。宣鵬程等[8]結(jié)合軌道式巡檢和鋼絲繩牽引的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套軌道式帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)巷道環(huán)境數(shù)據(jù)，還能智能識(shí)別異常情況。張濤等[9]針對(duì)不同帶式輸送機(jī)故障選定了相應(yīng)的傳感器并提出了故障檢測算法，設(shè)計(jì)了一種集傳感、控制及通信功能于一體的帶式輸送機(jī)故障巡檢機(jī)器人系統(tǒng)。上述研究主要針對(duì)帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人故障識(shí)別與診斷等方面，忽視了巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)問題[10]。由于井下巷道設(shè)備較多，作業(yè)空間狹小且地形復(fù)雜，巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)遇到爬坡、煤泥障礙等極端路面情況[11-12]。鑒于此，筆者設(shè)計(jì)了一種帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可確保巡檢機(jī)器人在軌工作時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 巡檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 巡檢機(jī)器人行走方式

目前應(yīng)用于巡檢機(jī)器人的行走方式主要有輪式傳動(dòng)、履帶式傳動(dòng)、懸線式傳動(dòng)和軌道式傳動(dòng)，其優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1。軌道式傳動(dòng)相較于輪式傳動(dòng)和履帶式傳動(dòng)，能適應(yīng)各種不同的路面環(huán)境，傳動(dòng)平穩(wěn)且噪聲小。與懸線式傳動(dòng)相比，軌道式傳動(dòng)更容易搭建機(jī)架，且消耗功率較小，更適合遠(yuǎn)距離巡檢[13-15]。

表1 巡檢機(jī)器人行走方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of walking modes of inspection robot

鑒于煤礦帶式輸送機(jī)巡檢距離較長、巡檢目標(biāo)相對(duì)單一且巡檢路線固定，本文采用軌道式傳動(dòng)作為巡檢機(jī)器人的行走方式。但該方式在軌道面附著煤泥的情況下驅(qū)動(dòng)輪會(huì)卡死，且面對(duì)坡度較大的軌道時(shí)可能發(fā)生打滑現(xiàn)象，因此需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2 巡檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了使巡檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得更大的驅(qū)動(dòng)力，設(shè)計(jì)了一種四輪支撐、兩輪驅(qū)動(dòng)的新型軌道式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)輪、支撐輪、夾緊機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、傳動(dòng)軸和工字鋼軌道等組成，如圖1所示。2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪與夾緊機(jī)構(gòu)連接，4個(gè)支撐輪與巡檢機(jī)器人本體連接，驅(qū)動(dòng)輪和支撐輪分別置于軌道兩側(cè)呈對(duì)稱布置。2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪通過夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊力緊貼在軌道面內(nèi)側(cè)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)減速機(jī)增大后傳遞給傳動(dòng)軸，最終作用在驅(qū)動(dòng)輪上，整個(gè)巡檢機(jī)器人依靠驅(qū)動(dòng)輪與軌道之間的摩擦向前運(yùn)動(dòng)，支撐輪則承載整個(gè)巡檢機(jī)器人的質(zhì)量并起到輔助行走的作用。

圖1 軌道式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of rail type driving system

1.2.1 驅(qū)動(dòng)輪

驅(qū)動(dòng)輪是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其提供的驅(qū)動(dòng)力直接影響巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能。驅(qū)動(dòng)輪主要包括驅(qū)動(dòng)輪本體和特制防滑紋路2個(gè)部分，如圖2所示。在夾緊機(jī)構(gòu)的正壓力作用下，驅(qū)動(dòng)輪通過防滑紋路與工字鋼軌道翼板摩擦產(chǎn)生前進(jìn)的動(dòng)力。當(dāng)軌道鋪設(shè)在坡度較大的地面時(shí)，特制防滑紋路的高摩擦因數(shù)能夠確保驅(qū)動(dòng)輪不發(fā)生打滑。

圖2 驅(qū)動(dòng)輪Fig.2 Driving wheel

1.2.2 夾緊機(jī)構(gòu)

夾緊機(jī)構(gòu)的主要作用是調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)輪與軌道之間正壓力大小，由擺臂、壓縮彈簧、螺母及夾緊螺桿等組成，如圖3所示。驅(qū)動(dòng)輪與擺臂剛性連接，擺臂的一端為固定端并鉸接于驅(qū)動(dòng)支架上，另一端為擺動(dòng)端并通過螺母安裝于夾緊螺桿上，調(diào)節(jié)螺母，擠壓壓縮彈簧，使得對(duì)稱布置的驅(qū)動(dòng)輪相互夾緊。巡檢機(jī)器人在水平軌道和有坡度軌道上運(yùn)行時(shí)所需驅(qū)動(dòng)力不同。在水平軌道上運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)力矩只需要克服滾動(dòng)阻力即可；但在有坡度軌道上運(yùn)行時(shí)，不僅需要克服滾動(dòng)阻力，還要克服機(jī)器人本體重力產(chǎn)生的分力。此時(shí)夾緊機(jī)構(gòu)可根據(jù)驅(qū)動(dòng)輪與軌道之間的壓力自動(dòng)調(diào)整驅(qū)動(dòng)輪與軌道的夾緊力，避免巡檢機(jī)器人打滑。

圖3 夾緊機(jī)構(gòu)Fig.3 Clamping mechanism

1.2.3 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)

巡檢機(jī)器人行走時(shí)需要經(jīng)歷加速、勻速、爬坡等過程，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)用于驅(qū)動(dòng)巡檢機(jī)器人行走。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，巡檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求見表2。

表2 巡檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求Table 2 Technical requirements of driving system of inspection robot

在極限情況下，當(dāng)巡檢機(jī)器人以最大行走加速度0.5 m/s2在25°斜坡上運(yùn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所需牽引力最大，最大牽引力為

FT=Ff+Fr+Fj=

15.98 N+248.5 N+300 N≈564.5 N

(1)

式中：Ff為巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所需克服的滾動(dòng)阻力和空氣阻力；Fr為巡檢機(jī)器人重力沿斜坡向下的分力；Fj為巡檢機(jī)器人加速運(yùn)動(dòng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力。

每個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)額定輸出功率為

(2)

式中：Vmax為巡檢機(jī)器人最大行走速度；n為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)數(shù)量；η為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總效率。

查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選取安全系數(shù)為1.2，最終選用的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率為200 W。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)：額定電壓為DC24 V；額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min；輸出功率為200 W；額定轉(zhuǎn)矩為0.64 N·m；電動(dòng)機(jī)質(zhì)量為2.7 kg。

驅(qū)動(dòng)輪工作轉(zhuǎn)速為

(3)

式中d為驅(qū)動(dòng)輪直徑。

減速機(jī)減速比為

(4)

式中nd為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

2 主要零件的強(qiáng)度校核

在巡檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，傳動(dòng)軸為關(guān)鍵傳動(dòng)件，主要傳遞轉(zhuǎn)矩，是動(dòng)力輸出的關(guān)鍵環(huán)節(jié);擺臂為夾緊機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，用于連接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和巡檢機(jī)器人本體。為準(zhǔn)確、直觀地得到傳動(dòng)軸和擺臂受載時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變及其分布規(guī)律，對(duì)傳動(dòng)軸和擺臂2個(gè)主要零件進(jìn)行有限元仿真分析。

2.1 幾何模型建立

傳動(dòng)軸屬于簡單的回轉(zhuǎn)體零件，結(jié)構(gòu)簡單對(duì)稱，但擺臂屬于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。為了后續(xù)分析的一致性，傳動(dòng)軸和擺臂的幾何模型統(tǒng)一采用三維建模軟件Pro/E建立，分別如圖4、圖5所示。

圖4 傳動(dòng)軸幾何模型Fig.4 Geometric model of driving shaft

圖5 擺臂幾何模型Fig.5 Geometric model of swing arm

2.2 網(wǎng)格劃分

采用HyperMesh軟件對(duì)傳動(dòng)軸和擺臂幾何模型劃分網(wǎng)格。傳動(dòng)軸和擺臂的材料均選用45號(hào)鋼，相關(guān)材料屬性配置：屈服強(qiáng)度為185 MPa；泊松比為0.31；彈性模量為2.1×105MPa；密度為7.85×103kg/m3。

2.3 有限元計(jì)算

將傳動(dòng)軸和擺臂幾何模型導(dǎo)入ANSYS軟件后，根據(jù)零件的實(shí)際工況在對(duì)應(yīng)位置添加約束和載荷，得到應(yīng)力分布情況，分別如圖6、圖7所示。

圖6 傳動(dòng)軸應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution of driving shaft

圖7 擺臂應(yīng)力分布Fig.7 Stress distribution of swing arm

在受力600 N的情況下，傳動(dòng)軸和擺臂的危險(xiǎn)截面位于圖中紅色區(qū)域，此時(shí)傳動(dòng)軸最大應(yīng)力為59.4 MPa，擺臂最大應(yīng)力為47 MPa。查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選取安全系數(shù)為1.4，傳動(dòng)軸和擺臂的極限應(yīng)力分別為83.2，65.8 MPa，遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，滿足高可靠性要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了更接近煤礦帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，測試巡檢機(jī)器人的爬坡和越障性能，試驗(yàn)平臺(tái)為具有一定角度的斜坡軌道和煤泥障礙軌道，如圖8所示。軌道長度為20 m，通過改變特制摩擦紋路的工字鋼導(dǎo)軌在立柱上的連接位置來調(diào)節(jié)軌道坡度。

(a) 斜坡軌道

(b) 煤泥障礙軌道

巡檢機(jī)器人以0.5 m/s的運(yùn)行速度從軌道一端運(yùn)動(dòng)到另一端，記錄巡檢機(jī)器人整個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)間，并觀察巡檢機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中是否發(fā)生打滑及卡死現(xiàn)象。為避免坡度過大導(dǎo)致機(jī)器人出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力不足的情況，軌道初始坡度設(shè)置為10°，并以5°遞增，直至達(dá)到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求的最大坡度25°。

巡檢機(jī)器人運(yùn)行情況見表3。在斜坡軌道測試中，巡檢機(jī)器人經(jīng)歷了加速、勻速和減速過程，在25°斜坡軌道上機(jī)器人仍可完成加速運(yùn)動(dòng)，且在上下坡過程中機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)，并未出現(xiàn)因驅(qū)動(dòng)力不足而不能運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。在煤泥障礙軌道測試中，巡檢機(jī)器人運(yùn)行情況良好，每次測試的運(yùn)動(dòng)時(shí)間大致相同，驅(qū)動(dòng)輪上的特制防滑紋路大大加強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)輪與軌道之間的摩擦力，沒有發(fā)生打滑現(xiàn)象。

表3 巡檢機(jī)器人運(yùn)行情況Table 3 Running conditions of inspection robot

4 結(jié)論

(1) 綜合考慮帶式輸送機(jī)巡檢工作環(huán)境要求和不同巡檢機(jī)器人行走方式的優(yōu)缺點(diǎn)，確定了軌道式傳動(dòng)作為巡檢機(jī)器人的行走方式；設(shè)計(jì)了一種四輪支撐、兩輪驅(qū)動(dòng)的軌道式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，巡檢機(jī)器人依靠驅(qū)動(dòng)輪與軌道之間的摩擦向前運(yùn)動(dòng)，支撐輪則承載巡檢機(jī)器人的質(zhì)量并起到輔助行走的作用。

(2) 對(duì)巡檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵零件——傳動(dòng)軸和擺臂進(jìn)行了有限元仿真分析，得到傳動(dòng)軸和擺臂的極限應(yīng)力分別為83.2，65.8 MPa，遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，保證了巡檢機(jī)器人的可靠性。

(3) 在斜坡和煤泥障礙軌道上對(duì)巡檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的爬坡和越障性能進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，在25°斜坡軌道上巡檢機(jī)器人仍可完成加速運(yùn)動(dòng)，且遇到煤泥障礙時(shí)沒有發(fā)生打滑和卡死現(xiàn)象。