步宇 文學(xué)禮 李毅龍 王慶杰 馬一洲

摘 要：當(dāng)前我國煤炭仍在我國能源方面占主導(dǎo)地位，但煤炭開采過程仍存在較多問題。近年來，因瓦斯氣體泄露等問題造的成事故頻發(fā)，對煤層中瓦斯氣體的卸載及利用是一項(xiàng)需要解決的重要問題。智能防卡的煤礦遠(yuǎn)控鉆孔機(jī)器人采用履帶式行進(jìn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行移動，通過多種通信方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)鉆孔過程。智能防卡的煤礦鉆孔機(jī)器人通過其創(chuàng)新的通信方式、巧妙的自平衡算法及智能防卡鉆系統(tǒng)，為煤礦卸載瓦斯技術(shù)提出一種構(gòu)想。

關(guān)鍵詞：智能控制;防卡鉆;遠(yuǎn)程通信

1.引言

能源是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，幾千年來煤炭資源一直是我國開采及利用的主要資源。但在其開采過程中存在較多的安全問題，煤礦中含有的瓦斯氣體則是需要面對的主要問題，處理過程中一旦操作不當(dāng)便會造成瓦斯爆炸、瓦斯突出等事故，危及工人的生命財(cái)產(chǎn)安全。

在實(shí)際開采過程中，一般采用機(jī)械鉆孔技術(shù)對煤層中的瓦斯氣體進(jìn)行卸載，但在松軟煤層中常常會遇到卡鉆問題，這是需要解決的一大難題，此外對于井下鉆機(jī)的調(diào)平技術(shù)、遠(yuǎn)程操控技術(shù)也是急需解決的重要問題。

智能防卡的煤礦鉆孔機(jī)器人在礦井中利用MESH網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)控、esp8266WiFi通信以及2.4G通信模塊多方式聯(lián)合通信技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，移動過程通過自平衡模塊實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動調(diào)平，而產(chǎn)品特有的智能防卡鉆系統(tǒng)則對鉆孔過程的常見的卡鉆問題進(jìn)行解決，確保鉆孔卸載瓦斯的順利進(jìn)行。智能防卡的煤礦鉆孔機(jī)器人用于解決煤層中瓦斯氣體的卸載問題，同時對井下防治粉塵和沖擊地壓有著重要作用，為人們安全生產(chǎn)生活提供技術(shù)保障。

2.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能防卡的煤礦遠(yuǎn)控鉆孔機(jī)器人以小車為雛形，設(shè)計(jì)有自平衡支撐機(jī)構(gòu)、鉆孔傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、進(jìn)給/起拔機(jī)構(gòu)、鉆孔機(jī)構(gòu)及行進(jìn)機(jī)構(gòu)等幾部分。

2.1自平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉆孔機(jī)器人工作時，必須保持整機(jī)穩(wěn)固地定位于巷道地面，而巷道底面并不完全平整，通過自平衡機(jī)構(gòu)解決該問題，工作時，由安裝于支撐機(jī)構(gòu)上的紅外測距模塊檢測支撐機(jī)構(gòu)與地面的距離，根據(jù)姿態(tài)檢測傳感器的信息，由控制器采用平衡控制算法制安裝于機(jī)器人四角的支腿對機(jī)身進(jìn)行調(diào)平。

2.2鉆孔傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉆孔傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作時，電動推桿向上伸出，通過其與滑軌的鉸鏈帶動滑軌向上抬起，最終帶動滑軌上的鉆孔機(jī)構(gòu)一起向上傾斜，實(shí)現(xiàn)鉆孔傾角調(diào)節(jié)。

2.3鉆孔及進(jìn)給/起拔機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉆孔及進(jìn)給/起拔機(jī)構(gòu)由直流電動機(jī)提供驅(qū)動力，當(dāng)進(jìn)給/起拔機(jī)構(gòu)開始進(jìn)給時，鉆孔機(jī)構(gòu)在電動機(jī)的驅(qū)動下，正向旋轉(zhuǎn)并鉆入煤壁指定位置。鉆孔施工開始時，電動推桿伸出，帶動鉆孔機(jī)構(gòu)進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)鉆桿進(jìn)給。

3.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制器是整個控制系統(tǒng)的核心。所有的傳感器包括機(jī)器人姿態(tài)檢測模塊、紅外測距模塊、無線通訊模塊等監(jiān)測到的數(shù)據(jù)都要上傳到控制器進(jìn)行分析處理。經(jīng)過智能防卡控制系統(tǒng)處理之后輸出通過電機(jī)驅(qū)動模塊控制相應(yīng)機(jī)構(gòu)上的電機(jī)動作實(shí)現(xiàn)指定的功能。各模塊之間的關(guān)系如圖2所示。

3.1機(jī)器人姿態(tài)檢測模塊

姿態(tài)檢測模塊采用姿態(tài)檢測傳感器判斷機(jī)器人的實(shí)時姿態(tài)，控制器讀取數(shù)據(jù)并濾波后，采用自平衡算法控制自平衡支撐機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人機(jī)身自動調(diào)平，為自平衡支撐機(jī)構(gòu)可靠平穩(wěn)的將機(jī)器人撐起后的鉆孔施工提供保障。

3.2紅外測距模塊

通過在機(jī)器人自平衡機(jī)構(gòu)上安裝紅外測距模塊，檢測每個自平衡支腿距離地面的實(shí)際距離，可保證機(jī)器人可靠穩(wěn)定地支撐到地面上。紅外測距模塊通過實(shí)時檢測模擬信號值的大小判斷支撐機(jī)構(gòu)與地面之間的距離。

3.3智能防卡控制系統(tǒng)

智能防卡控制系統(tǒng)由智能決策器和執(zhí)行器兩部分組成，采用扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器及重量傳感器實(shí)時檢測鉆孔施工中的鉆桿扭矩、鉆桿轉(zhuǎn)速及排渣量，并將數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)防卡鉆方法輸出控制決策至執(zhí)行器，控制液壓機(jī)構(gòu)完成智能決策器輸出的決策值。

4.鉆孔實(shí)驗(yàn)與仿真分析

4.1鉆孔實(shí)驗(yàn)

在鉆孔實(shí)驗(yàn)中執(zhí)行的數(shù)據(jù)，先正常鉆進(jìn)，再因煤渣堵塞即將發(fā)生卡鉆，經(jīng)過智能控制器的調(diào)節(jié)防止卡鉆。模擬傳感器的信號源發(fā)出信號，每個信號持續(xù)時間為1s，數(shù)據(jù)如表1所示。

由表得出，當(dāng)鉆進(jìn)狀態(tài)越容易發(fā)生卡鉆時，給進(jìn)速度會越小，回轉(zhuǎn)速度會越大，從而使煤渣的產(chǎn)生量下降，并增加排渣量，以疏通孔內(nèi)煤渣防止出現(xiàn)堵塞。

4.2仿真分析

選擇Static Structural模塊進(jìn)行樣機(jī)整體受力分析，導(dǎo)入SOlid WOrks2021輸出的Stp格式模型，選擇StructuralSteel作為樣機(jī)主體型材，Steel 1006作為鉆頭部分型材。對合金鉆進(jìn)行疲勞分析，設(shè)定鉆頭所受載荷為交變載荷，采用GOOdman平均應(yīng)力修正理論進(jìn)行壽命和安全系數(shù)校核分析，得到如下所示結(jié)果。

鉆頭處變形較為嚴(yán)重，同樣的相比與其他結(jié)構(gòu)壽命最短。因此可以換用更好的材料進(jìn)行鉆頭的加工或?qū)ζ溥M(jìn)行表面強(qiáng)化。

總結(jié)

智能防卡的煤礦遠(yuǎn)控鉆孔機(jī)器人綜合運(yùn)用了智能控制技術(shù)，遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和自動化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤礦井下鉆孔卸瓦斯與卸壓作業(yè)等危險工況的作業(yè)。系統(tǒng)里利用機(jī)器人測距和姿態(tài)自調(diào)整功能，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜礦道中平穩(wěn)移動，利用智能控制系統(tǒng)可有效完成礦井中卸瓦斯與卸壓作業(yè)，為礦井工作帶來安全保障。