煤礦井下帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人技術(shù)的研究與應(yīng)用

董晉國

（華晉焦煤有限責(zé)任公司沙曲一號(hào)煤礦，山西 柳林 033300）

0 引言

煤礦井下帶式輸送機(jī)是運(yùn)輸煤礦物資的主要的方式，但是帶式輸送機(jī)容易出現(xiàn)打滑、撕裂、驅(qū)動(dòng)裝置異常等故障，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除，會(huì)嚴(yán)重影響煤礦井下作業(yè)的安全，甚至可能出現(xiàn)安全事故。對(duì)此，需要專門設(shè)計(jì)巡檢機(jī)器人，能夠適應(yīng)煤礦井下惡劣的工作環(huán)境，并能負(fù)責(zé)對(duì)帶式輸送機(jī)的巡檢工作，及時(shí)完成故障定位，方便維修人員快速進(jìn)行維修，保障煤礦井下物資輸送的效率和安全。

1 煤礦井下帶式輸送機(jī)常見故障分析

1.1 輸送帶故障

1.1.1 輸送帶打滑

輸送帶打滑是輸送帶運(yùn)行中輸送帶和滾筒之間沒有足夠的摩擦力導(dǎo)致出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)，是帶式輸送機(jī)的主要失效形式。導(dǎo)致打滑出現(xiàn)的原因包括輸送帶的緊張程度不足、運(yùn)行阻力過大、摩擦系數(shù)降低等[1]。如果發(fā)生打滑的情況，將會(huì)降低傳送帶的傳動(dòng)力，而且也會(huì)由于摩擦生熱導(dǎo)致火災(zāi)。

1.1.2 輸送帶跑偏

帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中，如果輸送帶運(yùn)行方向的中心線和機(jī)架固有中心線不重合，就是出現(xiàn)了跑偏的問題。跑偏出現(xiàn)的原因來自膠帶所受到的合力和機(jī)架的中心線存在偏離，如果機(jī)架不平、落料不均勻等情況，都會(huì)導(dǎo)致受力不平衡的情況出現(xiàn)。跑偏出現(xiàn)后會(huì)導(dǎo)致輸送帶嚴(yán)重磨損，物料會(huì)撒下輸送帶，如果發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致安全事故。

1.1.3 縱向撕裂

膠帶沿著運(yùn)動(dòng)方向出現(xiàn)撕裂的情況就是縱向撕裂，出現(xiàn)縱向撕裂的主要原因來自膠帶的負(fù)荷過高，產(chǎn)生了縱向裂紋并出現(xiàn)擴(kuò)張，或者膠帶存在磨損問題，也會(huì)導(dǎo)致撕裂。如果物料中存在尖銳異物將會(huì)導(dǎo)致膠帶被刺穿，甚至?xí)绊懻麠l膠帶的運(yùn)行?？v向撕裂一般在落料口的位置出現(xiàn)，如果不及時(shí)解決會(huì)導(dǎo)致整條輸送帶受損，造成嚴(yán)重的安全問題[2]。

1.2 驅(qū)動(dòng)裝置異常

由于井下存在比較惡劣的運(yùn)行環(huán)境，因此輸送帶的驅(qū)動(dòng)裝置也會(huì)受到一定影響并出現(xiàn)故障。驅(qū)動(dòng)裝置故障后，將會(huì)嚴(yán)重影響輸送帶的運(yùn)行，十分不利于煤礦的生產(chǎn)。

1.2.1 電機(jī)發(fā)熱

帶式輸送機(jī)的電機(jī)可能會(huì)由于超載、散熱不足、傳動(dòng)系統(tǒng)潤滑不足等因素導(dǎo)致電機(jī)過熱，一旦電機(jī)過熱問題嚴(yán)重，將會(huì)引發(fā)火災(zāi)，威脅煤礦的安全。目前電機(jī)溫度常用測量方法包括溫度計(jì)法、電阻法等等。如果電機(jī)在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)過流、振動(dòng)等異常情況，也會(huì)出現(xiàn)過熱的問題[3]。

1.2.2 減速機(jī)故障

減速機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)齒輪、軸承磨損的問題，并且會(huì)伴隨異常的振動(dòng)和噪聲。通常減速機(jī)在高速軸位置設(shè)置，如果減速機(jī)的強(qiáng)度不足，存在選用余量小的情況，以及存在高速軸不同心的問題，都會(huì)導(dǎo)致斷軸現(xiàn)象的出現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致減速機(jī)報(bào)廢[4]。

1.3 托輥和機(jī)架故障

帶式輸送機(jī)的托輥故障包括托輥運(yùn)轉(zhuǎn)不靈和托輥損壞。運(yùn)轉(zhuǎn)不靈出現(xiàn)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)卡死的情況，或者造成膠帶摩擦過熱，如果機(jī)器高溫也有可能產(chǎn)生火花。托輥的結(jié)構(gòu)損壞包括輥體的磨損、斷裂、軸承失效等情況。由于井下的環(huán)境復(fù)雜，托輥在濕度比較大、粉塵較多的環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生腐蝕問題，經(jīng)過長時(shí)間摩擦之后將會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異響，以及出現(xiàn)載荷失效的問題。

2 巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)

巡檢機(jī)器人需要監(jiān)控帶式輸送機(jī)的工作狀態(tài)，通過巡檢發(fā)現(xiàn)帶式輸送機(jī)日常工作中的問題，同時(shí)檢測設(shè)備也要具備一定的診斷功能，可以初步確定帶式輸送機(jī)的具體故障，方便工人開展快速檢修。機(jī)器人的控制系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制板、中央控制單元，根據(jù)通信需求，還需要專門配置無線通信單元[5]。巡檢機(jī)器人應(yīng)保持和地面控制站的聯(lián)絡(luò)，同時(shí)地面控制站也要具備對(duì)巡檢機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的功能，所以需要配置專門的計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程控制工作，以及設(shè)立數(shù)據(jù)庫記錄巡檢機(jī)器人的運(yùn)行數(shù)據(jù)和儲(chǔ)存對(duì)帶式輸送機(jī)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。巡檢機(jī)器人日常工作中，可以采取自行驅(qū)動(dòng)、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制三種方式，根據(jù)工作需求可以對(duì)控制方式自行切換。

3 煤礦井下帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)研究

3.1 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與功能

3.1.1 工作環(huán)境

巡檢機(jī)器主要在煤礦井下輸送機(jī)運(yùn)輸想到內(nèi)工作，由于煤礦的環(huán)境非常復(fù)雜，具有非常強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化特點(diǎn)，所以巡檢機(jī)器人必須適應(yīng)多變的路徑，而且具有加大的工作面積。比如需要避讓和跨越臺(tái)階、石塊、排水溝等障礙物。同時(shí)由于井下環(huán)境特殊而且濕度非常大，存在一定的有害氣體、易爆炸氣體，巡檢機(jī)器人必須具有極高的穩(wěn)定性[6]。井下運(yùn)行過程中，干擾信號(hào)比較多，所以機(jī)器人應(yīng)該具備較強(qiáng)的抗干擾能力，避免運(yùn)行出現(xiàn)錯(cuò)誤。

3.1.2 設(shè)計(jì)原則分析

煤礦井下的環(huán)境比較惡劣，在選擇硬件時(shí)就要充分考慮井下特殊的環(huán)境要求，根據(jù)現(xiàn)場狀況選擇控制方式和移動(dòng)方式，確保機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)長距離高效巡檢工作。機(jī)器人首先需要具備較強(qiáng)的適應(yīng)性，能克服周圍不穩(wěn)定環(huán)境對(duì)機(jī)器人的影響，以合適的機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行和行走，通過緊湊的結(jié)構(gòu)，滿足狹小空間和地形的工作需求。其次必須具備較強(qiáng)可靠性，由于機(jī)器人在運(yùn)行時(shí)很容易受到環(huán)境影響，比如需要進(jìn)行專門的防爆設(shè)計(jì)，以及設(shè)計(jì)其他的防護(hù)措施。為了保證工作效率，應(yīng)該充分利用無人操作技術(shù)和智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無人化、智能化巡檢，滿足對(duì)輸送機(jī)故障的診斷需求[7]。為了適應(yīng)不同功能的需要，對(duì)巡檢機(jī)器人也要采取模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)多種不同功能設(shè)計(jì)專門的模塊。由于現(xiàn)場空間小，巡檢機(jī)器人也不能出現(xiàn)過多的布線，而是要減少現(xiàn)場接線，降低安裝和布置的難度。

3.1.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人的系統(tǒng)包括巡檢移動(dòng)機(jī)構(gòu)、通信系統(tǒng)、地上監(jiān)控后臺(tái)控制系統(tǒng)三個(gè)部分。巡檢移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括機(jī)器人的本體，該機(jī)構(gòu)可以對(duì)機(jī)器人的活動(dòng)進(jìn)行供能、采集包括溫度、氣體濃度、視頻圖像、聲音等數(shù)據(jù)，還包括定位系統(tǒng)；通信系統(tǒng)中包括無線通信模塊、針對(duì)煤礦開發(fā)的礦用無線基站、交換機(jī)；后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、智能診斷系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)。巡檢機(jī)器人的各個(gè)部分需要保持配合，確保協(xié)同作業(yè)的效果。在巡檢機(jī)構(gòu)上要等距安裝多個(gè)機(jī)器人本體裝置，避免單個(gè)機(jī)器人長時(shí)間工作增加故障概率以及造成信息滯后等問題。通過該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控和故障預(yù)警，快速完成對(duì)井下各項(xiàng)數(shù)據(jù)的分析。

3.2 帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 機(jī)構(gòu)性能分析

巡檢機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要保證多種技術(shù)的綜合應(yīng)用，滿足對(duì)機(jī)構(gòu)的可靠性、穩(wěn)定性、維修便捷性的需求。機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)是巡檢機(jī)器人行動(dòng)的載體，其運(yùn)行穩(wěn)定性決定機(jī)器人日常工作的正常進(jìn)行。結(jié)合帶式輸送機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)分析，巡檢機(jī)器人的單程長度一般控制在3km，并保證運(yùn)行中的最大坡度在20°以內(nèi)，機(jī)構(gòu)的質(zhì)量應(yīng)控制在40kg 以內(nèi)，通過緊湊的設(shè)計(jì)保證機(jī)器人的平穩(wěn)運(yùn)行。由于井下的工作環(huán)境特殊，具有粉塵較多、濕度高、危險(xiǎn)氣體含量高的特點(diǎn)，在巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)中應(yīng)該充分結(jié)合環(huán)境開展設(shè)計(jì)工作，保障機(jī)器人具備防銹、抗壓、抗疲勞的特點(diǎn)[8]。

3.2.2 巡檢裝置本體

煤礦用帶式輸送巡檢機(jī)器人所擁有的工作空間比較小，因此設(shè)計(jì)中對(duì)機(jī)器人的整體尺寸限制比較大，必須使用盡可能緊湊的設(shè)計(jì)，控制機(jī)器人的體積。巡檢裝置的箱體結(jié)構(gòu)是巡檢機(jī)器人的搭載平臺(tái)，可以給機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)提供支撐。箱體材料應(yīng)優(yōu)先考慮鋁合金，在有效控制機(jī)器人重量的情況下也滿足箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的需求，機(jī)器人應(yīng)該優(yōu)先設(shè)計(jì)成圓柱體，結(jié)構(gòu)包括主控倉和電池倉。箱體制造經(jīng)過切割、焊接等工序，和巡檢機(jī)構(gòu)相連，并在移動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)沿著帶式輸送機(jī)進(jìn)行巡檢工作。巡檢裝置本體是整個(gè)礦用帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人的核心構(gòu)成部分，能夠完成數(shù)據(jù)采集工作，以及進(jìn)行帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，向遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)傳輸監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

3.2.3 巡檢機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)器人的基礎(chǔ)之一，在設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)充分考慮巡檢機(jī)器人所處的運(yùn)行環(huán)境，并根據(jù)環(huán)境特點(diǎn)設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)。履帶式行走機(jī)構(gòu)的地形適應(yīng)能力最強(qiáng)，能夠滿足煤礦井下的翻越障礙要求，但是結(jié)合后期調(diào)研分析，由于煤礦井下的空間很小，而履帶式機(jī)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的體積相對(duì)較大，因此在巡檢機(jī)器人運(yùn)行時(shí)，履帶機(jī)器人的避障能力會(huì)下降很多，對(duì)路徑規(guī)劃會(huì)有更為嚴(yán)格的要求，不僅會(huì)限制機(jī)器人的巡檢速度，還會(huì)直接增加機(jī)器人的能量消耗。為此應(yīng)采取架空式的巡檢機(jī)器人?？梢允褂脽o極繩牽引機(jī)構(gòu)控制機(jī)器人的反復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過在鋪設(shè)好的軌道上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的配合，采取直流電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.3 帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通信系統(tǒng)是巡檢機(jī)器人最核心的功能模塊之一是需要保證將帶式輸送機(jī)的巡檢信息向地面監(jiān)控中心實(shí)時(shí)同步，并建立起信息化系統(tǒng)，提升整個(gè)控制系統(tǒng)的信息化水平。在通信方案的設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮巡檢機(jī)器人采集到的數(shù)據(jù)需選擇合適的方式輸送給上位機(jī)，信息的輸送方式包括有線傳輸和無線傳輸。有線傳輸具有更高的信號(hào)穩(wěn)定性，而且抗干擾能力很強(qiáng)，但是巡檢機(jī)器人在巡檢工作中會(huì)不斷移動(dòng)，而且運(yùn)行的距離比較遠(yuǎn)，使用有線傳輸會(huì)增加電纜的鋪設(shè)難度。無線傳輸更為靈活，適合巡檢機(jī)器人這類移動(dòng)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。由于煤礦井下需要解決傳輸過程中的信號(hào)干擾問題，以及滿足傳輸速率、傳輸距離、組網(wǎng)性能、功耗控制的需求，所以在選擇無線傳輸技術(shù)時(shí)，對(duì)性能要求較高[9]。目前使用Wi-Fi 技術(shù)具有組網(wǎng)方便、適應(yīng)能力強(qiáng)、傳輸速度快的特點(diǎn)，能比較好地滿足傳輸距離的要求。通信過程中，Wi-Fi 模塊也能快速實(shí)現(xiàn)無線設(shè)備的訪問。巡檢機(jī)器人的內(nèi)部需要專門設(shè)置無線傳輸模塊，確保巡檢機(jī)器人可以作為信號(hào)的接收端和發(fā)射端，通過信息的多次傳遞，保證信息能及時(shí)傳送到地面工作站。

3.4 巡檢機(jī)器人供能與定位系統(tǒng)研究

巡檢機(jī)器人的定位系統(tǒng)基于RFID 系統(tǒng)，如果巡檢機(jī)器人發(fā)現(xiàn)了托輥故障、輸送帶故障，就會(huì)提醒工作人員進(jìn)行故障檢修。由于在輸送帶沒有停機(jī)之前，巡檢機(jī)器人和輸送帶都是實(shí)時(shí)移動(dòng)的，在檢測到故障點(diǎn)之后，已經(jīng)移動(dòng)到其他的位置。為了能實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的定位，可以根據(jù)RFID 系統(tǒng)進(jìn)行巡檢定位工作。在工作范圍內(nèi)，讀寫器產(chǎn)生的電磁場將以能量的形式發(fā)送給無源電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽產(chǎn)生的感應(yīng)電流后發(fā)射儲(chǔ)存信息，讀寫器就能對(duì)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼處理。使用RFID 的優(yōu)勢在于掃描的識(shí)別精度很高，能夠根據(jù)需要靈活配置，而且擁有較大的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存量，同時(shí)耐腐蝕性很強(qiáng)，可以適應(yīng)煤礦井下惡劣的工作環(huán)境。

3.5 巡檢機(jī)器人充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煤礦用帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人使用蓄電池對(duì)設(shè)備進(jìn)行供電，由于系統(tǒng)內(nèi)會(huì)有多臺(tái)巡檢機(jī)器人同時(shí)工作，必須保證每一個(gè)蓄電池都能滿足巡檢工作要求。多數(shù)機(jī)器人都采用直接接觸的方式充電，這種方式存在機(jī)械磨損較高、接觸不良等問題，容易加快充電裝置的磨損，以及導(dǎo)致充電失敗。使用充電閉鎖裝置的充電效率很高，但是難度比較大，而且插電也存在一定的安全隱患。使用無線充電技術(shù)相對(duì)更為便捷和安全，結(jié)合巡檢機(jī)器人工作環(huán)境以及工作狀況，應(yīng)優(yōu)先使用無線充電技術(shù)進(jìn)行沖概念。根據(jù)充電技術(shù)要求，所選擇的無線充電技術(shù)需要具備一定傳輸距離，以及具備較高的能量利用率，因此需要優(yōu)先采用磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)進(jìn)行無線充電工作。

4 結(jié)語

巡檢機(jī)器人對(duì)帶式輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行有著十分重要的作用，因此設(shè)計(jì)中需要考慮帶式輸送機(jī)的工作特點(diǎn)、井下環(huán)境，采取合理方法加強(qiáng)巡檢機(jī)器人和輸送機(jī)之間的配合。通過運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)分開供電，根據(jù)井下通信的需求選擇通信系統(tǒng)，加強(qiáng)緊湊布局，可以解決巡檢機(jī)器人工作中的問題，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)帶式輸送機(jī)故障提供有效支持。