董晉國

（華晉焦煤有限責(zé)任公司沙曲一號煤礦，山西 柳林 033300）

0 引言

煤礦井下帶式輸送機(jī)是運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)動裝置異常等故障，如果不能及時發(fā)現(xiàn)并排除，會嚴(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。對此，需要專門設(shè)計巡檢機(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)對帶式輸送機(jī)的巡檢工作，及時完成故障定位，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)相對滑動，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，將會降低傳送帶的傳動力，而且也會由于摩擦生熱導(dǎo)致火災(zāi)。

1.1.2 輸送帶跑偏

帶式輸送機(jī)運行過程中，如果輸送帶運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，都會導(dǎo)致受力不平衡的情況出現(xiàn)。跑偏出現(xiàn)后會導(dǎo)致輸送帶嚴(yán)重磨損，物料會撒下輸送帶，如果發(fā)現(xiàn)不及時，也會導(dǎo)致安全事故。

1.1.3 縱向撕裂

膠帶沿著運動方向出現(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，也會導(dǎo)致撕裂。如果物料中存在尖銳異物將會導(dǎo)致膠帶被刺穿，甚至?xí)绊懻麠l膠帶的運行?？v向撕裂一般在落料口的位置出現(xiàn)，如果不及時解決會導(dǎo)致整條輸送帶受損，造成嚴(yán)重的安全問題[2]。

1.2 驅(qū)動裝置異常

由于井下存在比較惡劣的運行環(huán)境，因此輸送帶的驅(qū)動裝置也會受到一定影響并出現(xiàn)故障。驅(qū)動裝置故障后，將會嚴(yán)重影響輸送帶的運行，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)可能會由于超載、散熱不足、傳動系統(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法、電阻法等等。如果電機(jī)在運行時出現(xiàn)過流、振動等異常情況，也會出現(xiàn)過熱的問題[3]。

1.2.2 減速機(jī)故障

減速機(jī)可能會出現(xiàn)齒輪、軸承磨損的問題，并且會伴隨異常的振動和噪聲。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，都會導(dǎo)致斷軸現(xiàn)象的出現(xiàn)，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致減速機(jī)報廢[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轉(zhuǎn)不靈和托輥損壞。運轉(zhuǎn)不靈出現(xiàn)時，可能會出現(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)境中會產(chǎn)生腐蝕問題，經(jīng)過長時間摩擦之后將會導(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)動器、移動機(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)，同時地面控制站也要具備對巡檢機(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)器人的運行數(shù)據(jù)和儲存對帶式輸送機(jī)的監(jiān)控數(shù)據(jù)。巡檢機(jī)器人日常工作中，可以采取自行驅(qū)動、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程手動控制三種方式，根據(jù)工作需求可以對控制方式自行切換。

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，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階、石塊、排水溝等障礙物。同時由于井下環(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]。井下運行過程中，干擾信號比較多，所以機(jī)器人應(yīng)該具備較強(qiáng)的抗干擾能力，避免運行出現(xiàn)錯誤。

3.1.2 設(shè)計原則分析

煤礦井下的環(huán)境比較惡劣，在選擇硬件時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方式，確保機(jī)器人能實現(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)境對機(jī)器人的影響，以合適的機(jī)械結(jié)構(gòu)運行和行走，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)器人在運行時很容易受到環(huán)境影響，比如需要進(jìn)行專門的防爆設(shè)計，以及設(shè)計其他的防護(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)，實現(xiàn)無人化、智能化巡檢，滿足對輸送機(jī)故障的診斷需求[7]。為了適應(yīng)不同功能的需要，對巡檢機(jī)器人也要采取模塊化設(shè)計，根據(jù)多種不同功能設(shè)計專門的模塊。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

巡檢機(jī)器人的系統(tǒng)包括巡檢移動機(jī)構(gòu)、通信系統(tǒng)、地上監(jiān)控后臺控制系統(tǒng)三個部分。巡檢移動機(jī)構(gòu)包括機(jī)器人的本體，該機(jī)構(gòu)可以對機(jī)器人的活動進(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、針對煤礦開發(fā)的礦用無線基站、交換機(jī)；后臺監(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)上要等距安裝多個機(jī)器人本體裝置，避免單個機(jī)器人長時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)計可以實現(xiàn)集中監(jiān)控和故障預(yù)警，快速完成對井下各項數(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

3.2.1 機(jī)構(gòu)性能分析

巡檢機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計中需要保證多種技術(shù)的綜合應(yīng)用，滿足對機(jī)構(gòu)的可靠性、穩(wěn)定性、維修便捷性的需求。機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)是巡檢機(jī)器人行動的載體，其運行穩(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)的特點分析，巡檢機(jī)器人的單程長度一般控制在3km，并保證運行中的最大坡度在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)計保證機(jī)器人的平穩(wěn)運行。由于井下的工作環(huán)境特殊，具有粉塵較多、濕度高、危險氣體含量高的特點，在巡檢機(jī)器人設(shè)計中應(yīng)該充分結(jié)合環(huán)境開展設(shè)計工作，保障機(jī)器人具備防銹、抗壓、抗疲勞的特點[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)計中對機(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，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，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，并在移動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動沿著帶式輸送機(jī)進(jìn)行巡檢工作。巡檢裝置本體是整個礦用帶式輸送機(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)的運行狀態(tài)監(jiān)控，向遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)傳輸監(jiān)控數(shù)據(jù)。

3.2.3 巡檢機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)設(shè)計

巡檢機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)是機(jī)器人的基礎(chǔ)之一，在設(shè)計移動機(jī)構(gòu)時，應(yīng)充分考慮巡檢機(jī)器人所處的運行環(huán)境，并根據(jù)環(huán)境特點設(shè)計移動機(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)移動機(jī)構(gòu)的體積相對較大，因此在巡檢機(jī)器人運行時，履帶機(jī)器人的避障能力會下降很多，對路徑規(guī)劃會有更為嚴(yán)格的要求，不僅會限制機(jī)器人的巡檢速度，還會直接增加機(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)運動，通過在鋪設(shè)好的軌道上運動，進(jìn)行主動輪和從動輪的配合，采取直流電驅(qū)動電機(jī)的運轉(zhuǎn)。

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

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)控中心實時同步，并建立起信息化系統(tǒng)，提升整個控制系統(tǒng)的信息化水平。在通信方案的設(shè)計中，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不斷移動，而且運行的距離比較遠(yuǎn)，使用有線傳輸會增加電纜的鋪設(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，對性能要求較高[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，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時移動的，在檢測到故障點之后，已經(jīng)移動到其他的位置。為了能實現(xiàn)對故障的定位，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)射儲存信息，讀寫器就能對標(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)儲存量，同時耐腐蝕性很強(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

煤礦用帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人使用蓄電池對設(shè)備進(jìn)行供電，由于系統(tǒng)內(nèi)會有多臺巡檢機(jī)器人同時工作，必須保證每一個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)器人對帶式輸送機(jī)的穩(wěn)定運行有著十分重要的作用，因此設(shè)計中需要考慮帶式輸送機(jī)的工作特點、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。通過運動系統(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，為及時發(fā)現(xiàn)帶式輸送機(jī)故障提供有效支持。