徐金鑫

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 034000）

引言

帶式輸送機(jī)為煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，隨著采煤技術(shù)和采煤設(shè)備自動(dòng)化水平的提升，煤礦采煤能力不斷提升，帶式輸送機(jī)朝著長(zhǎng)距離、大運(yùn)量以及大功率的方向發(fā)展。在實(shí)際生產(chǎn)中帶式輸送機(jī)可能存在跑偏、撕裂、打滑等事故的發(fā)生，為避免帶式輸送機(jī)事故的發(fā)生影響煤礦的正常生產(chǎn)，需對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)的人工巡檢的效率低、監(jiān)測(cè)效率低、監(jiān)測(cè)精度低且工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大[1]，為解決人工巡檢的問(wèn)題需要為露天煤礦配置巡檢機(jī)器人。本文著重對(duì)露天煤礦巡檢機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

1 巡檢機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)

本文以對(duì)露天煤礦帶式輸送機(jī)的監(jiān)測(cè)為背景，為帶式輸送機(jī)的運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)巡檢機(jī)器人，且著重對(duì)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置故障、輸送帶失效以及托輥故障等特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)參數(shù)為皮帶機(jī)的電機(jī)溫度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)情況；輸送帶的轉(zhuǎn)速、張力以及偏移角度等。

根據(jù)帶式輸送機(jī)的故障類型和巡檢機(jī)器人的監(jiān)測(cè)參數(shù)，可將巡檢機(jī)器人分為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人機(jī)交互界面。為保證帶式輸送機(jī)的高效運(yùn)輸效果，對(duì)巡檢機(jī)器人提出如下要求：

1）要求巡檢機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，且能夠?qū)崟r(shí)對(duì)皮帶機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集；

2）要求巡檢機(jī)器人體積適中，不能夠影響皮帶機(jī)的正常運(yùn)行；

3）要求巡檢機(jī)器人為電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具有較長(zhǎng)的續(xù)航里程；

4）要求巡檢機(jī)器人可搭載各種傳感器對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊，且具有實(shí)時(shí)顯示皮帶機(jī)運(yùn)行參數(shù)和故障、報(bào)警類型的用戶界面[2]。

根據(jù)巡檢機(jī)器人的功能要求，設(shè)計(jì)巡檢機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 巡檢機(jī)器人總體設(shè)計(jì)框圖

2 巡檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

目前，可應(yīng)用于巡檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的方式包括有輪式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、履帶式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、懸線式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)以及軌道式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。鑒于露天煤礦帶式輸送機(jī)所需巡檢的距離較長(zhǎng)、巡檢目標(biāo)相對(duì)單一且巡檢路線固定。本文采用軌道式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制，具體可通過(guò)鋼絲繩拖拽驅(qū)動(dòng)和齒輪齒條驅(qū)動(dòng)方式。

其中，鋼絲繩拖拽驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)具有控制簡(jiǎn)單、維修方便的優(yōu)勢(shì)，但鑒于露天煤礦溫差較大在寒冷季節(jié)容易出現(xiàn)結(jié)冰和積水情況影響巡檢機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)，且鋼絲繩拖拽方式不適用于長(zhǎng)距離路線的鋪設(shè)。自驅(qū)動(dòng)式齒條齒輪驅(qū)動(dòng)方式具有可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性好、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)。因此，選擇自驅(qū)動(dòng)式齒輪齒條驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制[3]。此外，對(duì)于自驅(qū)動(dòng)式齒輪齒條的驅(qū)動(dòng)方式可將齒條安裝于側(cè)面或底部，而將齒條安裝于側(cè)面的穩(wěn)定性較差且裝配工藝較差，齒條安裝于底部對(duì)系統(tǒng)的裝配要求高。

綜上所述，選擇將齒條安裝于底部的自驅(qū)動(dòng)式齒條齒輪的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。結(jié)合露天煤礦工作面的實(shí)際情況，設(shè)定巡檢機(jī)器人的最大巡檢速度為0.5 m/s。結(jié)合帶式輸送機(jī)的坡度和長(zhǎng)度，要求巡檢機(jī)器人的續(xù)航時(shí)間不得少于6 h，續(xù)航里程不得少于200 m。

根據(jù)巡檢機(jī)器人的整機(jī)質(zhì)量為25 kg，帶式輸送機(jī)最大傾角α為11°，則巡檢機(jī)器人電源所輸出的最小扭矩如式（1）所示：

式中：FG為巡檢機(jī)器人的重力，取250 N；m為齒輪齒條的模數(shù)，取2.5；Z為齒輪的齒數(shù)，取23；η為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的總效率，取0.90。

經(jīng)計(jì)算可得，巡檢機(jī)器人的電機(jī)的最小扭矩為1.92 N·m。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，為巡檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配置驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其類型為Maxon EC直流電機(jī)，型號(hào)為Maxon-4，該型號(hào)電機(jī)所能提供的最小扭矩為4 N·m。

3 巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)為巡檢機(jī)器人的核心系統(tǒng)，基于控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)通訊，通過(guò)所采集到的數(shù)據(jù)推斷出帶式輸送機(jī)的工作狀態(tài)，并對(duì)異?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)出報(bào)警。結(jié)合巡檢機(jī)器人的功能要求，為其設(shè)計(jì)如圖2所示的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖2所示，巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和電池供電系統(tǒng)組成[4]。結(jié)合工控行業(yè)中的選型經(jīng)驗(yàn)為巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件選型結(jié)果如表1所示。

4 巡檢機(jī)器人的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

根據(jù)上述配置完成巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，為保證其在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性和高效性，設(shè)計(jì)一款巡檢機(jī)器人的樣機(jī)對(duì)其應(yīng)用情況進(jìn)行測(cè)試分析，主要包括有巡檢機(jī)器人的爬坡性能和續(xù)航能力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

表1 巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件選型結(jié)果

4.1 巡檢機(jī)器人爬坡性能測(cè)試

根據(jù)露天煤礦帶式輸送機(jī)的使用情況，模擬巡檢機(jī)器人所監(jiān)測(cè)帶式輸送機(jī)的坡度為20°，巡檢長(zhǎng)度為9 m，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的溫度為20～37℃。實(shí)踐表明，巡檢機(jī)器人可在不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)爬坡，且爬坡過(guò)程中未出現(xiàn)卡頓的現(xiàn)象[5]。此外，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下巡檢機(jī)器人的爬坡速度與理論速度的差值僅為6%。

4.2 巡檢機(jī)器人的續(xù)航測(cè)試

為充分驗(yàn)證巡檢機(jī)器人的續(xù)航能力，在不同環(huán)境溫度下測(cè)試巡檢機(jī)器人的續(xù)航時(shí)間，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 續(xù)航測(cè)試結(jié)果

如圖3所示，巡檢機(jī)器人隨著環(huán)境溫度的升高，其續(xù)航能力提升，且巡檢機(jī)器人的平均巡航時(shí)間為10 h，滿足續(xù)航時(shí)間不少于6 h的要求。

4 結(jié)論

1）采用齒條安裝于底部的自驅(qū)動(dòng)齒輪齒條的驅(qū)動(dòng)方式，且采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并根據(jù)巡檢機(jī)器人的工作環(huán)境為其配置扭矩不小于1.92 N·m的電機(jī)；

2）根據(jù)巡檢機(jī)器人的功能要求，為其主控制系統(tǒng)完成工控機(jī)、電機(jī)控制器、溫度采集模塊、圖像采集模塊的選型；

3）經(jīng)對(duì)巡檢機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可得，其在坡度為20°的工況下工作，其實(shí)際巡檢速度與理論巡檢速度的差值僅為6%；在20～37℃環(huán)境中的平均續(xù)航時(shí)間為10 h，滿足續(xù)航時(shí)間不少于6 h的要求。