露天帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人解決軌道熱脹冷縮問題設(shè)計(jì)

張志宏 張振軍 趙新哲

（準(zhǔn)能選煤廠，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017100）

我國(guó)作為世界第一大煤炭生產(chǎn)及消費(fèi)國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020 年原煤產(chǎn)量高達(dá)39.0 億t。露天帶式輸送機(jī)作為礦井正常生產(chǎn)的重要機(jī)械設(shè)備之一，其具有耗電低、工作阻力小、運(yùn)行效率高、輸送量大、承載能力強(qiáng)、輸送距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。近些年來，隨著煤礦行業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化程度的提高，帶式輸送機(jī)安全運(yùn)行直接影響著煤炭開采生產(chǎn)的質(zhì)量和效率[1-3]。目前露天帶式輸送機(jī)主要通過人工巡檢的方式進(jìn)行故障檢查，存在實(shí)時(shí)性差、檢測(cè)效率低、主觀因素強(qiáng)等問題，因此自動(dòng)化程度高、可靠性強(qiáng)、檢測(cè)便利的巡檢機(jī)器人逐漸取代人工巡檢。

準(zhǔn)能選煤廠位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯，露天帶式輸送機(jī)全線長(zhǎng)度8 km，人工巡檢工作量大，選煤廠采用巡檢機(jī)器人替代人工巡檢。巡檢機(jī)器人采用吊軌式設(shè)計(jì)，軌道用高強(qiáng)度鋁合金材料制成，采用鋼結(jié)構(gòu)吊架吊裝軌道并固定于輸送機(jī)兩側(cè)，如圖1。鄂爾多斯春秋兩季氣溫范圍一般在-5～5 ℃，冬夏兩季氣溫范圍一般在-25～35 ℃，全年最大溫差可達(dá)60℃左右。根據(jù)金屬熱脹冷縮的特性[4]，如此巨大的溫差造成長(zhǎng)度8 km 的軌道在長(zhǎng)度方向熱脹冷縮累計(jì)的位移量相當(dāng)大，且由于軌道處于剛性固定狀態(tài)，此位移量無法釋放，隨之產(chǎn)生的熱應(yīng)力則會(huì)造成軌道翹曲變形或拉伸斷裂。針對(duì)此情況，準(zhǔn)能選煤廠巡檢機(jī)器人軌道首先采用分段式拼接方案，將8 km長(zhǎng)度的軌道切分為多段，每段軌道長(zhǎng)度為2 m，每端軌道接頭處預(yù)留伸縮縫。最終經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，此設(shè)計(jì)方式的軌道對(duì)熱脹冷縮的適應(yīng)能力較差，在極限高溫情況下，軌道伸長(zhǎng)較大，兩段軌道接頭處的伸縮縫無法適應(yīng)，接觸頭頂死，應(yīng)力造成軌道接頭處屈服，接頭處會(huì)出現(xiàn)軌道翹曲；而在極限低溫情況下，軌道整體收縮，兩段軌道接頭處伸縮縫變大，在軌道接頭出現(xiàn)較大的缺口，接頭處的翹曲與缺口均會(huì)影響巡檢機(jī)器人的通過性，造成機(jī)器人在接頭處打滑及卡死。為此，準(zhǔn)能選煤廠在前文方案基礎(chǔ)上優(yōu)化，設(shè)計(jì)思路分為兩點(diǎn)：第一點(diǎn)考慮軌道安裝的時(shí)間，根據(jù)鄂爾多斯氣溫情況，將軌道的安裝時(shí)間控制在全年氣溫中間位置，如春秋兩季，在春秋兩季選擇合適時(shí)間安裝，環(huán)境溫度選擇在5 ℃左右，使軌道由于熱脹冷縮特性產(chǎn)生的位移量相對(duì)降低了一半。第二點(diǎn)則考慮全新設(shè)計(jì)伸縮式柔性接頭，伸縮式柔性接頭用于兩段軌道之間的對(duì)接，替代原有的伸縮縫設(shè)計(jì)，保證接頭處無縫隙，而伸縮式柔性接頭在受到沿軌道長(zhǎng)度方向的熱應(yīng)力時(shí)，可以自由伸縮（類似彈簧機(jī)構(gòu)），不因?yàn)檐壍郎扉L(zhǎng)或縮短產(chǎn)生的熱應(yīng)力造成軌道接頭處翹曲或者伸縮縫增大。通過上述方案，全年極端氣溫情況下軌道接頭處均緊密連接且平整，無翹曲，無縫隙，保障了巡檢機(jī)器人的運(yùn)行通過性，解決了準(zhǔn)能選煤廠因軌道熱脹冷縮帶來的機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定性問題。

1 巡檢機(jī)器人接頭設(shè)計(jì)方案

軌道原有接頭方案為預(yù)留伸縮縫，新方案為伸縮式柔性接頭方案。伸縮式柔性接頭方案主要特點(diǎn)是在兩段軌道之間加入伸縮式柔性接頭，替代原有的預(yù)留伸縮縫。伸縮式柔性接頭具備三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)：1）伸縮式柔性接頭可以連接軌道，作為兩段軌道之間的過渡件將2 m 一根的軌道連接起來，使露天帶式輸送機(jī)全線8 km 的軌道接頭處均無縫連接；2）伸縮式柔性接頭在重力方向具備相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度及剛度，可支撐機(jī)器人運(yùn)行時(shí)滾輪壓在接頭處的重力；3）伸縮式柔性接頭可以補(bǔ)償軌道因熱脹冷縮帶來的位移量（伸長(zhǎng)與縮短），同時(shí)不產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。根據(jù)上述特點(diǎn)，伸縮式柔性接頭需要具備抵抗一定的重力方向壓力的強(qiáng)度及剛度，同時(shí)需要在軌道長(zhǎng)度方向具有較低的剛度，整體結(jié)構(gòu)在彈性變形范圍內(nèi)具備較大的位移量，在設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景選擇最優(yōu)的剛強(qiáng)比[5]，同時(shí)結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)需要考慮沿軌道長(zhǎng)度方向具備更大自由度。設(shè)計(jì)思路借鑒彈簧與機(jī)床風(fēng)琴罩的基本原理，伸縮式柔性接頭設(shè)計(jì)為矩形截面，重力方向具備一定的抗彎性能，同時(shí)伸縮式柔性接頭設(shè)計(jì)有多層褶皺，沿軌道長(zhǎng)度方向受力時(shí)，每層褶皺轉(zhuǎn)折處類似鉸鏈，可以適應(yīng)一定程度的轉(zhuǎn)動(dòng)彈性形變。當(dāng)接頭兩端的軌道因?yàn)闇囟茸兓l(fā)生熱脹冷縮時(shí)，伸縮式柔性接頭通過褶皺可以補(bǔ)償兩端軌道的變形量，如圖2。

圖2 軌道對(duì)接方案

伸縮式柔性接頭采用6061-T6 高強(qiáng)度鋁合金設(shè)計(jì)，截面設(shè)計(jì)為矩形，壁厚2 mm，截面高度180 mm，寬度100 mm，可承擔(dān)一定的垂直于軌道方向的壓力，沿軌道長(zhǎng)度方向設(shè)計(jì)有多層褶皺，多層褶皺夾角為60°，每層褶皺的轉(zhuǎn)折處為圓角過渡，褶皺可以轉(zhuǎn)折處為鉸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。根據(jù)力學(xué)分析，伸縮式柔性接頭兩端的軌道熱脹冷縮產(chǎn)生的位移對(duì)其產(chǎn)生拉伸或壓縮時(shí)，雖然褶皺具備受力可旋轉(zhuǎn)特性，但是由于伸縮式柔性接頭截面為矩形截面，伸縮式柔性接頭整體具備較高的剛度，無法完全響應(yīng)變形，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力及峰值應(yīng)力（局部應(yīng)力集中），根據(jù)應(yīng)用特性，需要降低褶皺剛度，增大柔性，使褶皺受力時(shí)更易發(fā)生旋轉(zhuǎn)，滿足接頭的整體伸縮適應(yīng)性要求，同時(shí)滿足一次應(yīng)力、二次應(yīng)力及峰值應(yīng)力的力學(xué)性能要求[4-7]?？紤]上述原因，在每層褶皺轉(zhuǎn)折處設(shè)計(jì)腰孔，通過改變截面形狀，減小褶皺沿軌道長(zhǎng)度方向的剛度[8]，提高伸縮式柔性接頭沿軌道長(zhǎng)度方向的適應(yīng)變形的能力。且褶皺轉(zhuǎn)折處由于彈性變形，具有較高的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力及峰值應(yīng)力（應(yīng)力集中），通過在轉(zhuǎn)折處設(shè)計(jì)腰孔，腰孔尺寸為20 mm×8 mm，結(jié)構(gòu)在發(fā)生變形時(shí)，由于變形產(chǎn)生的應(yīng)力在此處釋放（降低了峰值應(yīng)力（應(yīng)力集中），如圖3。當(dāng)兩側(cè)軌道受熱伸長(zhǎng)時(shí)，伸縮式柔性接頭兩側(cè)受力時(shí)褶皺可以以轉(zhuǎn)折處為鉸點(diǎn)發(fā)生彈性變形（旋轉(zhuǎn)），接頭的整體狀態(tài)就是長(zhǎng)度方向收縮，可以補(bǔ)償兩端軌道伸長(zhǎng)的位移量，防止兩端軌道頂死而發(fā)生翹曲；當(dāng)兩側(cè)軌道遇冷收縮時(shí)，伸縮式柔性接頭也同樣以轉(zhuǎn)折處為鉸點(diǎn)發(fā)生彈性變形（旋轉(zhuǎn)），接頭的整體狀態(tài)則是長(zhǎng)度方向伸長(zhǎng)，可以補(bǔ)償兩端軌道收縮的位移量，防止軌道接頭處產(chǎn)生缺口。伸縮式柔性接頭由于矩形截面設(shè)計(jì)，在垂直于軌道方向具備一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度，可以承擔(dān)機(jī)器人通過時(shí)滾輪產(chǎn)生的重力，如圖4。

圖3 伸縮式柔性接頭褶皺設(shè)計(jì)

圖4 機(jī)器人滾輪通過接頭

2 伸縮式柔性接頭設(shè)計(jì)校核

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，伸縮式柔性接頭需要承受機(jī)器人通過時(shí)滾輪產(chǎn)生的重力，同時(shí)可補(bǔ)償軌道由于熱脹冷縮產(chǎn)生的位移量。兩種情況下伸縮式柔性接頭工作狀態(tài)均處于彈性形變區(qū)間，不出現(xiàn)塑性變形。

巡檢機(jī)器人運(yùn)行軌道采用6061-T6 鋁合金制作而成，每段軌道長(zhǎng)度2 m。6061-T6 鋁合金線膨脹系數(shù)為23.6×10-6/℃，根據(jù)前文所述的室外氣溫情況，伸縮式柔性接頭和軌道選擇在春秋兩季安裝調(diào)試，安裝時(shí)環(huán)境溫度選擇在±5 ℃左右。伸縮式柔性接頭補(bǔ)償量相對(duì)為±0，在極端溫度下（冬季最低溫度在-25 ℃，夏季溫度在35 ℃左右），出現(xiàn)的最大相對(duì)溫差為30 ℃左右，根據(jù)線膨脹計(jì)算公式，2 m 的軌道最大伸縮相對(duì)變化量為±1.416 mm，伸縮式柔性接頭位于兩段軌道中間，每段軌道的最大伸縮量為±1.4 mm，所以伸縮式柔性接頭兩端頭各需要滿足彈性變形±1.4 mm。機(jī)器人為兩輪驅(qū)動(dòng)，整機(jī)質(zhì)量約60 kg，機(jī)器人為兩輪支撐驅(qū)動(dòng)，運(yùn)行時(shí)接頭處只承擔(dān)機(jī)器人單軸重量，根據(jù)支反力學(xué)計(jì)算，接頭處承擔(dān)機(jī)器人的單軸重力約為30 kg。如圖4。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，伸縮式柔性接頭的褶皺式設(shè)計(jì)理論上已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)軌道伸縮量需求，只是由于整體剛度原因及應(yīng)力集中原因，需要在伸縮式柔性接頭上增加腰孔，但是增加腰孔會(huì)增加伸縮式柔性接頭的加工難度與整體成本，需要綜合評(píng)估兩種情況的力學(xué)性能。下文將對(duì)伸縮式柔性接頭的方案進(jìn)行對(duì)比，分別對(duì)比伸縮式柔性接頭未設(shè)計(jì)腰孔與設(shè)計(jì)腰孔兩種情況下產(chǎn)生的響應(yīng)位移量比例（實(shí)際整體位移量與施加位移量的比值）、一次應(yīng)力、峰值應(yīng)力，以此判斷是否必須采用增加腰孔方案。

1）伸縮式接頭熱脹冷縮有限元仿真方案

約束：伸縮式柔性接頭中部施加無摩擦支撐，開啟弱彈簧。

邊界條件：伸縮式柔性接頭的兩種設(shè)計(jì)兩端分別施加±1.4 mm 位移量載荷。

結(jié)果：伸縮式柔性接頭帶腰孔設(shè)計(jì)排除應(yīng)力奇異[9]，應(yīng)力線性化[10-11]后，危險(xiǎn)截面處膜應(yīng)力約為210 MPa，峰值應(yīng)力400 MPa，響應(yīng)比例約90%。伸縮式柔性接頭無腰孔設(shè)計(jì)，排除應(yīng)力奇異，應(yīng)力線性化后，危險(xiǎn)截面處膜應(yīng)力約為230 MPa，峰值應(yīng)力650 MPa，響應(yīng)比例約50%。見表1。

表1 伸縮式柔性接頭熱脹冷縮工況位移與應(yīng)力對(duì)比

2）伸縮式接頭承重有限元仿真方案

約束：固定伸縮式柔性接頭兩端。

邊界條件：在接頭中部施加300 N 集中力。

結(jié)果：伸縮式柔性接頭帶腰孔設(shè)計(jì)排除應(yīng)力奇異，應(yīng)力線性化后，危險(xiǎn)截面處膜應(yīng)力約為20 MPa，峰值應(yīng)力90 MPa。伸縮式柔性接頭無腰孔設(shè)計(jì)，排除應(yīng)力奇異，應(yīng)力線性化后，危險(xiǎn)截面處膜應(yīng)力約為18 MPa，峰值應(yīng)力83 MPa。見表2。

表2 伸縮式柔性接頭重力工況應(yīng)力對(duì)比 MPa

根據(jù)《鋁及鋁合金擠壓棒材》（GB/T 3191-2019）標(biāo)準(zhǔn)，所用6061-T6 鋁合金屈服強(qiáng)度≥240 MPa、抗拉強(qiáng)度≥260 MPa。根據(jù)上述仿真結(jié)果分析，伸縮式柔性接頭帶腰孔設(shè)計(jì)與無腰孔設(shè)計(jì)在承重工況下沒有顯著區(qū)別，應(yīng)力情況均在安全范圍，兩種設(shè)計(jì)均可應(yīng)用。而伸縮式柔性接頭帶腰孔設(shè)計(jì)與無腰孔設(shè)計(jì)在熱脹冷縮工況下表現(xiàn)有所不同，無腰孔設(shè)計(jì)的響應(yīng)比例遠(yuǎn)低于帶腰孔設(shè)計(jì)，應(yīng)力指標(biāo)中的一次應(yīng)力無腰孔設(shè)計(jì)與帶腰孔設(shè)計(jì)雖然均滿足鋁合金屈服強(qiáng)度要求，但無腰孔設(shè)計(jì)應(yīng)力更高，且峰值應(yīng)力相差較大，無腰孔設(shè)計(jì)峰值應(yīng)力遠(yuǎn)超帶腰孔設(shè)計(jì)，無腰孔設(shè)計(jì)在疲勞強(qiáng)度上不滿足需求，所以熱脹冷縮工況必須采用帶腰孔設(shè)計(jì)。

3 應(yīng)用效果

伸縮式接頭設(shè)計(jì)方案于2021 年9 月左右開始施工，于2021 年10 月左右全線完成優(yōu)化，完全替代原有的伸縮縫方案。方案實(shí)施后機(jī)器人因?yàn)榇蚧蛘呖ㄋ涝斐善浞怯?jì)劃內(nèi)停機(jī)的故障率明顯下降。根據(jù)準(zhǔn)能選煤廠露天帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人2021 年2 月—2022 年8 月的應(yīng)用故障庫數(shù)據(jù)分析：2021 年2 月—2021 年10 月共發(fā)生故障27 起，其中因機(jī)器人打滑或者卡死造成的故障15 起，打滑或卡死的故障率為56%；2021 年11 月—2022 年8 月共發(fā)生故障19 起，其中因?yàn)闄C(jī)器人打滑或者卡死造成的故障2 起，打滑或卡死的故障率為11%。故障對(duì)比見表3。

表3 故障對(duì)比

根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析，伸縮式柔性接頭方案相比伸縮縫方案，降低了機(jī)器人因?yàn)檐壍澜宇^處問題引起的故障率，伸縮式柔性接頭方案針對(duì)因熱脹冷縮引起的軌道接頭伸縮問題具有較好的補(bǔ)償效果。

4 結(jié)語

本文介紹了一種露天帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人軌道伸縮式柔性接頭的設(shè)計(jì)方法，該方法在不降低軌道承載能力的前提下有效地解決了因熱脹冷縮引起的軌道翹曲變形及縫隙缺口的問題，使原有接頭處因軌道伸縮變形而影響機(jī)器人正常通過的情況得到了極大的改善，有效地提高了機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性，降低了機(jī)器人全年運(yùn)行故障率。該設(shè)計(jì)方法通過對(duì)伸縮式柔性接頭的力學(xué)仿真驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性后，小批量生產(chǎn)，并在鄂爾多斯準(zhǔn)能選煤廠皮帶線進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方法具備較強(qiáng)的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)、實(shí)用性與可推廣性。