方崇全

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037）

煤炭是我國的主要一次能源，我國的煤炭開采以井工開采為主，煤礦井下作業(yè)危險性高，各類安全事故困擾煤炭生產(chǎn)企業(yè)[1-2]，煤礦機(jī)器人是減少煤礦井下作業(yè)人員的有效措施[3]。為指導(dǎo)和促進(jìn)煤礦機(jī)器人發(fā)展，國家煤礦安全監(jiān)察局于2019年1月2日發(fā)布了《煤礦機(jī)器人重點研發(fā)目錄》[4]。煤礦機(jī)器人特別是巡檢機(jī)器人優(yōu)選蓄電池供電[5-6]，電池組容量較大，當(dāng)電池組電量不足時，需對電池組實現(xiàn)自動快速安全充電。2016版《煤礦安全規(guī)程》第四百八十五條規(guī)定使用蓄電池的設(shè)備充電應(yīng)符合：“機(jī)車等移動設(shè)備需要在專用充電硐室或地面充電”，因此自主移動的煤礦機(jī)器人蓄電池應(yīng)在專用充電硐室或者地面充電，距離地面較近的煤礦機(jī)器人，可以在地面充電，但遠(yuǎn)離地面數(shù)公里的煤礦機(jī)器人到地面充電，將影響煤礦機(jī)器人的工作效率。煤礦機(jī)器人蓄電池常見的充電方式可考慮有線充電和無線充電。煤礦井下有線充電具有可大電流快速充電等優(yōu)點。有線充電宜采用隔爆型充電裝置和隔爆型蓄電池。隔爆型充電裝置和隔爆型蓄電池在對接狀態(tài)、充電狀態(tài)和分離狀態(tài)均應(yīng)保證形成獨立的隔爆腔，在對接狀態(tài)、充電狀態(tài)和分離狀態(tài)均有獨立的安全閉鎖機(jī)構(gòu)，確保充電接口未可靠連接和充電隔爆腔未形成前，機(jī)器人及其充電裝置的充電接口不帶電，避免產(chǎn)生電弧、電火花和危險溫度，引爆瓦斯。為滿足現(xiàn)行的防爆電氣設(shè)計準(zhǔn)則（GB 3836標(biāo)準(zhǔn))中的有關(guān)規(guī)定，充電接口需設(shè)計精密的隔爆結(jié)合面、復(fù)雜的機(jī)械鎖定及電氣閉鎖機(jī)構(gòu)[7-8]，產(chǎn)品安全一致性很難得到保證，實際應(yīng)用過程中對隔爆對接控制精度和隔爆面保護(hù)的要求高，容易造成隔爆面損壞或無法有效結(jié)合，增加安全隱患并影響正常使用。文獻(xiàn)[9]提出了煤礦機(jī)器人專業(yè)充電硐室的構(gòu)想，設(shè)計了煤礦機(jī)器人井下智能岔軌及硐室內(nèi)充電技術(shù)，機(jī)器人進(jìn)入充電硐室后依靠接觸式位置開關(guān)和硐室內(nèi)的充電裝置觸碰，通過機(jī)械或者電磁吸合裝置緊密接觸形成安全可靠的隔爆腔，該構(gòu)想采用的還是隔爆型充電裝置對隔爆型蓄電池進(jìn)行充電。針對無線充電方式，GB 3836.1—2010標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對于Ⅰ類設(shè)備連續(xù)發(fā)射射頻源的閾功率不應(yīng)超過6 W[10]，且煤礦機(jī)器人井下無線充電的安全性還有待進(jìn)一步評估[5]，煤礦井下無線充電不能滿足機(jī)器人大功率快速安全充電的應(yīng)用需求。

在分析現(xiàn)有煤礦機(jī)器人井下充電方式的基礎(chǔ)上，提出煤礦井下電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的充電方法，機(jī)器人自主行走至充電站后，通過導(dǎo)向機(jī)構(gòu)限位引導(dǎo)，機(jī)器人自帶的發(fā)電機(jī)傳動軸通過機(jī)械結(jié)構(gòu)與充電站電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)軸連接，充電站的電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，由電動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，為機(jī)器人的蓄電池充電，由此可避免復(fù)雜的隔爆設(shè)計，保證煤礦機(jī)器人井下大功率快速充電的安全。

1 煤礦機(jī)器人井下充電系統(tǒng)

為實現(xiàn)煤礦機(jī)器人井下自主快速安全充電，設(shè)計了煤礦機(jī)器人充電系統(tǒng)，系統(tǒng)由煤礦機(jī)器人、煤礦機(jī)器人行走軌道及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、充電站組成，煤礦機(jī)器人充電系統(tǒng)示意圖如圖1。

圖1 煤礦機(jī)器人充電系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of coal mine robot charging system

煤礦機(jī)器人包括：蓄電池電源箱、行走機(jī)構(gòu)、通信控制器、小型發(fā)電機(jī)、安裝在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的旋轉(zhuǎn)編碼器和充電對接公頭。蓄電池電源箱為機(jī)器人供電；行走機(jī)構(gòu)帶動機(jī)器人自主行走；通信控制器用于數(shù)據(jù)通信及機(jī)器人的行走控制；小型發(fā)電機(jī)通過充電對接公頭與充電站對接母座機(jī)械連接，并通過機(jī)械旋轉(zhuǎn)給蓄電池電源箱提供電能；旋轉(zhuǎn)編碼器采集發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度，用于與充電站的電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)軸精準(zhǔn)對接。

煤礦機(jī)器人行走軌道及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)包括：吊掛行走軌道、導(dǎo)向滑槽及導(dǎo)向輪。機(jī)器人在吊掛軌道上行走，通過導(dǎo)向機(jī)構(gòu)引導(dǎo)機(jī)器人沿限定的角度和方位駛向充電站，保障機(jī)器人與充電站的可靠對接。

充電站包括：安裝在煤礦井下專用充電硐室的基座、變頻電動機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器、聯(lián)軸器、充電對接母座、激光測距儀、充電控制器。安裝在煤礦井下專用充電硐室的基座通過固定支撐架與機(jī)器人吊掛行走軌道剛性連接，用于保障充電過程中整個充電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。變頻電動機(jī)固定安裝在機(jī)器人行走軌道的端頭，變頻電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸后端安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，變頻電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸前端安裝聯(lián)軸器和充電對接母座。在行走軌道上通過支架安裝激光測距儀，指向機(jī)器人到來方向，用于機(jī)器人充電對接時距離的精確檢測，判斷機(jī)器人是否對接到位。充電控制器采集變頻電動機(jī)上的旋轉(zhuǎn)編碼器和激光測距儀的數(shù)據(jù)，控制變頻電動機(jī)旋轉(zhuǎn)為機(jī)器人蓄電池電源箱提供電能，并通過無線通信與機(jī)器人的通信控制器交互信息。

充電對接公頭和對接母座采用阻燃抗靜電的改性尼龍加工制作，在保障機(jī)械傳動強(qiáng)度的情況下，避免機(jī)器人對接及充電過程中碰撞產(chǎn)生火花。

充電站基座和行走軌道均與煤礦井下巷道水平面之間具有傾斜角度，且基座與煤礦井下巷道水平面之間的傾斜角度和行走軌道與煤礦井下巷道水平面之間的傾斜角度相同，依靠機(jī)器人自身的重力減少充電過程中電機(jī)旋轉(zhuǎn)在軸向上的竄動影響。

2 煤礦機(jī)器人井下充電工作流程

煤礦機(jī)器人井下自主快速安全充電工作流程如圖2。

圖2 煤礦機(jī)器人充電工作流程圖Fig.2 Working flow chart of coal mine robot charging

煤礦機(jī)器人在初始安裝時通過人工調(diào)節(jié)的方式，使機(jī)器人的發(fā)電機(jī)與充電站的變頻電動機(jī)完全對接，機(jī)器人的通信控制器和充電站控制器分別記錄發(fā)電機(jī)及電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)編碼器角度信息并保存，這些初始角度信息將用于機(jī)器人自主對接時轉(zhuǎn)軸的角度控制。

煤礦機(jī)器人在巡檢過程中，其通信控制器實時監(jiān)測機(jī)器人蓄電池電源箱的當(dāng)前剩余電能W1，實時計算機(jī)器人離開充電站的距離，并計算從當(dāng)前位置返回充電站所需的電能W2，當(dāng)W1逐漸接近W2時（依據(jù)電池充電效率，實際應(yīng)用時可以考慮富余量，如W1=1.1W2），機(jī)器人駛向充電站。機(jī)器人在進(jìn)入專用充電硐室的充電站導(dǎo)向機(jī)構(gòu)前減速，機(jī)器人通信控制器與充電站控制器通信，采集機(jī)器人發(fā)電機(jī)的編碼器角度信息并實時傳輸給充電站控制器，充電站控制器調(diào)整變頻電動機(jī)的角度，使其與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度一致，以保障發(fā)電機(jī)與變頻電動機(jī)精準(zhǔn)對接。充電站控制器通過激光測距儀實時測量發(fā)電機(jī)與變頻電動機(jī)的距離，當(dāng)充電站控制器檢測到發(fā)電機(jī)與變頻電動機(jī)完全對接時，控制變頻電動機(jī)全速旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)開始為蓄電池電源箱充電。機(jī)器人通信控制器實時監(jiān)測蓄電池電源箱的電能W3，當(dāng)蓄電池電源箱充滿時，通知充電控制器停止充電，變頻電動機(jī)停止旋轉(zhuǎn)。機(jī)器人沿軌道反向移動，駛離充電站，繼續(xù)開始下一輪巡檢。

3 試驗驗證

為驗證電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換充電方法的實用性及安全性，在中煤科工集團(tuán)重慶研究院的帶式輸送機(jī)實驗室搭建了機(jī)器人試驗平臺。充電試驗圖片如圖3。

圖3 充電試驗圖片F(xiàn)ig.3 Charging test picture

電動機(jī)選用YBBP-90L-2-2.2 kW隔爆型變頻調(diào)速三相異步電動機(jī)，額定輸出功率2.2 kW，發(fā)電機(jī)選用FB-800/24Y隔爆型永磁發(fā)電機(jī)，額定輸出功率800 W，通過發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器輸出42 V直流電源。測試時環(huán)境溫度23℃，電動機(jī)與發(fā)電機(jī)之間通過阻燃抗靜電的改性尼龍對接公頭和母座連接，測試時發(fā)電機(jī)經(jīng)調(diào)節(jié)器輸出最大功率為892 W，發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷工作4 h后，電動機(jī)溫度46.3℃，發(fā)電機(jī)溫度52.7℃，發(fā)電機(jī)與電動機(jī)機(jī)械對接旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的表面溫度43.5℃，不超過現(xiàn)行的GB 3836—2010防爆國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最高表面溫度150℃的要求。

4 結(jié) 語

煤礦機(jī)器人優(yōu)選蓄電池供電，煤礦機(jī)器人蓄電池井下充電方法可采用電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的方法，機(jī)器人與充電站之間采用無電弧、火花、溫度危險的機(jī)械連接，避免了機(jī)器人與充電站之間直接電氣連接在隔爆設(shè)計上的諸多問題，該方法與煤礦井下無線充電方法相比，能提供大功率充電能量，可用于煤礦機(jī)器人蓄電池快速安全充電。設(shè)計了煤礦機(jī)器人井下自主充電系統(tǒng)，試驗表明在電動機(jī)額定功率2.2 kW情況下，發(fā)電機(jī)輸出功率大于800 W。設(shè)計的充電系統(tǒng)簡單、可靠，為煤礦機(jī)器人井下自主快速安全充電提供了一種新的方法，后續(xù)研究可進(jìn)一步提高充電能量轉(zhuǎn)換效率。