煤礦井下水倉智能清淤機器人的應用

趙偉鵬，劉子川，解國亮

（西安煤礦機械有限公司，陜西 西安 710018）

0 引言

對于煤礦井下水倉智能清淤機器人而言，其重要工作任務就是高效清理井下水倉內(nèi)存在的積水與淤泥，促使井下作業(yè)人員以及設備的安全性得以切實保證。如今，在礦井水倉清淤中應用高效、智能的機器人，能夠發(fā)現(xiàn)與預警水倉中存在的大量淤泥，對于提升水倉利用率、實現(xiàn)企業(yè)智能化水平有著重要作用。

1 井下水倉煤泥清理機械的研究與發(fā)展現(xiàn)狀

在煤礦開采期間，清理井下水倉中存在的煤泥是一項重要工作，該工作具有繁重性的特點，且存在一定的潛在風險。當前，縱觀國內(nèi)外在清理水倉煤泥工作中所采取的方法是不相同的，每種方式都或多或少有著些許不足。煤礦水倉清理過程中，所應用的方式大致有3 種，即人工清倉、真空泵抽取、人工操縱機器清理等。

當前，在很多小型煤礦之中，主要是對人工清倉的方式進行應用，清倉工作人員需充分利用鐵鍬等工具在罐車中裝入煤泥并將其運送到倉外。應用該清倉方法會致使煤泥運輸期間灑落，導致巷道被污染，而且有關(guān)工作人員會面臨著極大的工作強度，工作效率不高，且潛在風險較大。

真空泵抽取方式主要是在壓差原理的基礎(chǔ)上抽取水倉中的煤泥達到清倉的目的。在清淤工作之中應用此種方式，首先應將壓氣閥關(guān)閉，將真空閥打開并啟動真空泵來抽取儲泥罐中的空氣，使其達到真空狀態(tài)。在此期間，儲泥罐與吸泥管外部的壓差會增加，吸泥管會將煤泥引至儲泥罐內(nèi)，當吸入的煤泥達到一定量的時候，關(guān)閉真空閥，排出儲泥罐中的煤泥。應用該方式清倉存在一定的不足：水倉中的煤泥經(jīng)過一段時間會發(fā)生沉淀，含水量降低，影響到壓差抽取的工作效率，而且各種管閥結(jié)構(gòu)的使用周期都有待進一步延長[1]。圖1為氣力輸送水倉清理機的構(gòu)件。

圖1 氣力輸送水倉清理機結(jié)構(gòu)

在水倉煤泥清理期間應用人工操縱機器的方式，具體是利用螺旋收集器與刮板開展的。在清理水倉煤泥過程中，螺旋刮板水倉清理機需對集料裝置的高度適當調(diào)節(jié)便于清淤工作的順利開展，螺旋集料裝置旋轉(zhuǎn)，促使煤泥積聚，利用刮板把煤泥裝至礦車中從而運送到倉外。對該方式應用清理煤倉存在的不足是，刮板結(jié)構(gòu)帶動煤泥的量比較少，清淤效率有待進一步提升[2]。有關(guān)工作人員對該方式進行應用盡管能夠降低工作強度，但是仍然會在一定程度上污染水倉內(nèi)部的巷道。

在翻閱一系列的文獻之后可得，在我國，針對煤礦井下水倉清淤機械方面的研究已經(jīng)持續(xù)了十年之久，當前我國煤泥清理設備逐步完善，不同清淤機械均存在著一定的優(yōu)缺點，其中最大的不足就是很多清淤機械的操作都需要依靠人工來實現(xiàn)，在智能化、便利性方面有待進一步提升。

2 清淤機器人硬件系統(tǒng)的搭建與應用

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

通常來說，煤礦井下水倉智能清淤機器人主要包括了四大部分，具體為機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

清淤機器人可以在濕滑、細長的水倉巷道內(nèi)行走，具有靈活的轉(zhuǎn)彎能力，清淤量能夠與生產(chǎn)要求相符合，煤泥的輸送距離也需要符合有關(guān)要求。

2.3 清淤機器人的機械系統(tǒng)

2.3.1 工作原理

在清淤機器人的構(gòu)成中，機械系統(tǒng)起到了重要的“骨架”作用，能夠?qū)⑵淙縿幼鲹撈饋?。清淤機器人機械部分的主要工作原理為：在啟動機器人之后，螺旋馬達會對集料螺旋起到帶動作用，從而來實現(xiàn)物料的旋轉(zhuǎn)收集。集料螺旋機構(gòu)上螺旋形的布置呈現(xiàn)出對稱性的特征，旋轉(zhuǎn)期間，在螺旋齒面的推動下，促使集料螺旋裝置能夠觸及的煤泥匯集到正前方中部提斗裝置中，最后運輸至儲料箱內(nèi)。泵動機構(gòu)中，兩組油缸相互配合，一側(cè)對夾管閥裝置起到帶動作用，以此將煤泥帶出，另一側(cè)則對泵送輸出管帶動，促使煤泥能夠有效地匯入高壓管內(nèi)，其能將煤泥輸送到某指定位置[3]。清淤機器人各個部分的機械結(jié)構(gòu)相互配合，才能確保水倉清淤工作的順利開展。

2.3.2 行走方式的確定

煤礦井下運輸車輛、特種工作車輛只有導軌式、履帶式、膠輪式3 種車輪形式。在井下罐籠的出入口位置，主副水倉不能鋪設導軌，并且水倉內(nèi)部巷道的實際情況沒有可以使用的導軌，因此，導軌式不能作為清淤機器人的行走方式，還需進一步對比履帶式，并做出合理選擇。如果能將現(xiàn)有履帶進行一定的改造并作為清淤機器人的行走方式，在不破壞地面的同時又能夠確保清淤工作的穩(wěn)定開展，而且不管是在水中、泥濘地面、陸地上都有著較強的通過障礙物的能力，還可以進行原地360°轉(zhuǎn)彎，履帶速度可通過電控系統(tǒng)控制閥塊流量從而改變履帶行走速度，從10～50m/min 速度可調(diào)，進而大大提高了履帶復雜環(huán)境下的通過能力，綜合對比，在清淤機器人的行走方式中，可對履帶行走的方式進行推廣應用。

2.4 清淤機器人的液壓系統(tǒng)

2.4.1 工作原理

本文中所探討的清淤機器人主要是應用了液壓驅(qū)動方式，動力的傳送是借助液體壓力實現(xiàn)的，進而有效控制清淤機器人的運行，在整個機器人構(gòu)成之中占據(jù)關(guān)鍵性地位。在液壓系統(tǒng)之中，主要是應用了全液壓控制，一臺泵將3 臺輔泵串聯(lián)起來，液壓泵轉(zhuǎn)移能力，發(fā)動機機械能會轉(zhuǎn)化為液體壓力能，在每個閥與管道之中會有高壓動力壓流動，并分別輸送給設備的行走控制系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)、螺旋頭攪拌系統(tǒng)等，借助液壓缸或者是液壓馬達促使液體壓力轉(zhuǎn)化為機械能，從而實現(xiàn)驅(qū)動各個系統(tǒng)的良好運行[4]。

2.4.2 液壓系統(tǒng)泵送部分設計

在清淤機器人液壓系統(tǒng)之中，泵送部分的組成主要包括了齒輪泵第一聯(lián)、高壓球閥、泵送油缸、隔爆電磁換向閥、液動閥、溢流閥、壓力表、泵送閥塊、液壓膠管、管路附件等。在實際工作開展過程之中，齒輪泵第一聯(lián)會對動力液流進行提供，液動閥主要是針對液流的方向進行控制，由此確保泵送油缸可以循環(huán)運動，實現(xiàn)物料的吸入與泵出。高壓球閥接到溢流閥的遙控口，溢流閥重點是對于液壓系統(tǒng)泵送壓力發(fā)揮相關(guān)的限制作用。在自動清淤模式開啟的時候，主控制器發(fā)出來的信號在通過數(shù)字雙比例方向閥放大器拓展之后驅(qū)動隔爆負載敏感比例多路閥，以此來對溢流閥進行遠程控制，從而促使泵送與泵停得以實現(xiàn)；在開啟手動清淤模式的時候，利用高壓球閥對溢流閥進行手動控制，以此實現(xiàn)泵送與泵停。

2.4.3 液壓系統(tǒng)提斗部分設計

清淤機器人液壓系統(tǒng)的提斗重點是有高壓過濾器、提斗馬達、壓力表、齒輪泵、煤按比例多路閥、管路附件以及液壓膠管等。在實際的工作當中，齒輪泵將會供給動力液流。在自動清淤的工作狀態(tài)中，提斗馬達的控制與泵送部分的工作原理大致相同。

2.4.4 液壓系統(tǒng)行走部分設計

清淤機器人的液壓系統(tǒng)升降行走重點由行走馬達、升降油缸、順序閥、閥塊、壓力表、齒輪泵第四聯(lián)、轉(zhuǎn)向油缸、轉(zhuǎn)向器、隔爆敏感比例多路閥以及壓力表等組成。在工作當中，齒輪泵第四聯(lián)重點是供給動力液流。在自動清淤的工作狀態(tài)中，利用隔爆敏感比例多路閥，進而高效對轉(zhuǎn)向油缸、升降油缸以及行走馬達進行控制，進而確保清淤機器人的提斗、升降、行走以及轉(zhuǎn)向。在手動清淤的工作狀態(tài)下，手柄是通過隔爆敏感比例多路閥來開展操控的，并控制行走馬達、升降油缸，確保前后行走、清淤提斗升降工作順利完成，借助轉(zhuǎn)向器促使設備轉(zhuǎn)向得以切實實現(xiàn)[5]。

2.4.5 液壓系統(tǒng)夾管部分設計

清淤機器人的液壓系統(tǒng)夾管主要是由卸荷閥、齒輪泵第二聯(lián)、高壓球閥、防爆電磁換向閥、夾管油缸、閥塊、蓄能器、壓力表、管理附件、液壓膠管等組成。實際作業(yè)期間，由齒輪泵第二聯(lián)供給動力液流，泵送油缸往復運動會觸發(fā)換向結(jié)構(gòu)，滾輪換向閥換向，蓄能器供油，由此促使夾管油缸的切換更加快速。在自動清淤的工作狀態(tài)下，將會啟動隔爆電磁換向閥，進而使得蓄能器儲備電能。在手動清淤模式開啟的時候，高壓球閥可以完成蓄能器的儲備電能，保證夾管油缸的壓力變動，進而啟動夾管，繼而排出煤泥煤漿。

2.5 清淤機器人控制系統(tǒng)

對于智能清淤機器人當中的控制系統(tǒng)而言，需確保機器人可以行走并完成清淤作業(yè)，對于多種類型的傳感器數(shù)據(jù)開展讀取，進而跟觸摸屏完成信息的交換，在發(fā)生故障的時候能夠自動斷網(wǎng)斷電實現(xiàn)自身的防護。另外，在需要借助各類軟件的支持，其中涉及MCGS組態(tài)軟件、SQLServer 數(shù)據(jù)庫、iVMS-4200 智能視頻監(jiān)控軟件等。與井下復雜、惡劣的作業(yè)環(huán)境相結(jié)合，并在以往工作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，可以將控制系統(tǒng)的核心器件確定為SIMATICS7－1200PLC，其有著較高的可靠性與抗干擾性，并且維護起來相對便捷。

2.5.1 主控制器

在智能清淤機器人中央控制系統(tǒng)之中，SIMATICS7－1200PLC 主控制器是其核心，作用是不容忽視的。該控制器能夠?qū)崿F(xiàn)和智能清淤機器人各個子系統(tǒng)之間的通信與控制，在搭載系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，針對同一時間段內(nèi)需要開展的工作實行多線程分級管理；同時，還能夠和上位機、手機軟件等等實現(xiàn)遠程通信。

2.5.2 行走與集料控制

主控制器和外圍器件科學合理地結(jié)合在一起能夠促使電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)之間的聯(lián)動得以切實實現(xiàn)，進而保證清淤機器人的行動跟集料操控能夠更好完成。從某種程度上說，科學操作上位機的界面可以使得智能機器人得以運行。一般來講，行動以及集料操控的原理包含下述內(nèi)容：模擬量輸出模塊AM1232 跟CPU1215C 傳送過來的命令進行融合，把4～20mA 的電流信號進行輸出，并且在數(shù)字雙比例方向閥放大器比例的前提下，使其可以轉(zhuǎn)變?yōu)?630～630mA 的電流信號，從而實現(xiàn)對負載敏感比例多路閥的有效驅(qū)動。其主要是與輸入的電流信號相結(jié)合對油壓進行控制，進而完成對液壓馬達的轉(zhuǎn)速以及正反轉(zhuǎn)的科學操控，在該前提下使得清淤機器人的行動以及集料操作能夠更好地完成。在該種電氣系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)的聯(lián)動工作狀態(tài)下，不但可以使得清淤機器人的無級變速行動與提斗集料得以完成，而且其可靠性也是比較高的。

2.5.3 靜壓水頭閉環(huán)控制

清淤機器人在井下水倉開展作業(yè)期間，在某些情況下會碰到比較堅硬的煤泥，并且含水量是比較低的，在此時，應打開靜壓水頭，將煤泥稀釋之后再對靜壓水頭進行關(guān)閉。清淤機器人的視頻監(jiān)控系統(tǒng)很難對收集到煤泥的堅硬度進行判別，由此會對清淤效率產(chǎn)生不利影響。與實際情況相結(jié)合，可以在程序之中加上靜壓水頭的閉環(huán)控制，主控制器CPU1215C 與模擬量輸入模塊SM1231 相結(jié)合，利用讀取水槽當中壓差式密度傳感器當中的信息，從而對所吸入煤泥的密度進行感知，并與正常環(huán)境下的煤泥密度進行對比分析，以此來針對靜壓水頭的開關(guān)實行有效控制，軟件與硬件有機結(jié)合，實現(xiàn)各項工作的順利開展。

2.6 遠程監(jiān)控平臺

在清淤機器人中的遠程監(jiān)控平臺主要是對多平臺的設計進行了應用，其中主要包括清淤機器人自主導航系統(tǒng)平臺、視頻平臺、觸摸屏遠程遙控平臺、手機客戶端等等，能夠有效監(jiān)控局域網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)清淤機器人的實時狀態(tài)，而且在地面調(diào)度室便可發(fā)出信號指令，切實降低井下清淤工作人員的勞動強度。

3 結(jié)語

總而言之，煤礦井下水倉智能機器人的良好應用，可以促使遠程遙控、在線監(jiān)測的工作得以切實實現(xiàn)。通過有效采集數(shù)據(jù)并借助視頻監(jiān)控遠程傳輸技術(shù)，能夠?qū)η逵贆C器人的作業(yè)現(xiàn)場場景與各種監(jiān)控參數(shù)進行實時的監(jiān)控，對于清淤工作開展的可靠性與實時性的保證有著重要作用，而且可以提供更加高質(zhì)的智能化信息。在智能清淤機器人的應用下，井下作業(yè)人員僅僅需要在安全的地區(qū)控制清淤機器人，不需要開展人工清淤作業(yè)，不僅可以降低工作人員勞動強度，更能夠確保工作人員的人身安全。