郝志東

(神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026015)

煤炭在我國(guó)能源布局中一直占據(jù)著主體地位，我國(guó)煤礦主要以井工礦為主，露天礦產(chǎn)煤量約占我國(guó)煤炭總產(chǎn)量的10%[1]。隨著露天煤礦大型機(jī)械化開(kāi)采的推進(jìn)，露天煤礦生產(chǎn)能力強(qiáng)、工作環(huán)境安全等優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯，因此，我國(guó)露天煤礦的開(kāi)采比例逐年增大[2]。我國(guó)露天煤礦分布有著典型的地域趨勢(shì)，主要分布在新疆、內(nèi)蒙古等北部地區(qū)，這些地區(qū)冬季溫度較低，甚至能夠達(dá)到-40℃，在這種嚴(yán)寒條件下，對(duì)機(jī)械設(shè)備尤其是電池性能提出了較為嚴(yán)格的要求[3-5]。

目前露天煤礦在生產(chǎn)中，帶式輸送機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)方式仍以人工徒步巡檢為主[6]。人工巡檢主要依靠巡檢人員完成對(duì)帶式輸送機(jī)定時(shí)定點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，憑借其工作經(jīng)驗(yàn)和主觀感知對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)做出判斷[7-9]。然而，這種方式也導(dǎo)致了許多問(wèn)題，一方面由于帶式輸送機(jī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)多、工作量大，容易出現(xiàn)漏檢，誤檢現(xiàn)象；另一方面帶式輸送機(jī)故障監(jiān)測(cè)精度要求高，而巡檢人員往往在事故發(fā)生后才能做出響應(yīng)，無(wú)法將事故防患于未然[10-12]。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人工巡檢存在的諸多問(wèn)題和弊端，本文提出了巡檢智能化的解決思路，用機(jī)器人自動(dòng)巡檢代替人工巡檢，提高礦山智能化建設(shè)水平。但因現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境特殊，最低環(huán)境氣溫達(dá)到-40℃，對(duì)礦用巡檢機(jī)器人的供電和驅(qū)動(dòng)方式提出了更高的技術(shù)要求。

1 總體方案設(shè)計(jì)

露天煤礦的地面情況較為復(fù)雜，采用陸地行駛的巡檢機(jī)器人雖然靈活性較高，但是，在這種復(fù)雜地面情況不能實(shí)現(xiàn)高可靠性的導(dǎo)航和定位，因此，露天煤礦膠帶巡檢機(jī)器人一般是采用吊軌式及掛繩式的巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)[13，14]，本文首先對(duì)這兩種巡檢機(jī)器人在嚴(yán)寒露天礦的應(yīng)用場(chǎng)景的優(yōu)缺點(diǎn)及設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，討論這兩個(gè)機(jī)器人的適用性。

1.1 吊軌式巡檢機(jī)器人

吊軌式巡檢機(jī)器人系統(tǒng)由機(jī)器人本體、無(wú)線充電系統(tǒng)、工字鋼軌道系統(tǒng)、無(wú)線通訊系統(tǒng)、機(jī)器人集群監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 吊軌式巡檢機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)

機(jī)器人本體搭載軍工級(jí)雙光云臺(tái)攝像儀、軍用低溫電池、主控制器、無(wú)線充電接收系統(tǒng)、無(wú)線通訊接收模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及行走機(jī)構(gòu)組成，如圖2所示。機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)由導(dǎo)向輪系、支撐輪系、和驅(qū)動(dòng)輪系組成。導(dǎo)向輪負(fù)責(zé)機(jī)器人沿軌道行駛不偏離軌道，支撐輪負(fù)責(zé)承擔(dān)機(jī)器人本體重量，驅(qū)動(dòng)輪提供機(jī)器人前進(jìn)的牽引力。壓緊彈簧提供驅(qū)動(dòng)輪與軌道間的正壓力。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)最大行走速度0.6m/s。最大爬坡角度為10°，可斜坡駐停。

圖2 機(jī)器人組成結(jié)構(gòu)

當(dāng)巡檢膠帶長(zhǎng)度小于400m時(shí)機(jī)器人在膠帶單端無(wú)線通訊安裝無(wú)線充電樁，膠帶長(zhǎng)度小于800m時(shí)在膠帶兩端安裝無(wú)線充電樁，超過(guò)800m時(shí)每間隔800m安裝1個(gè)充電樁，如圖3所示。另外可根據(jù)膠帶實(shí)際情況進(jìn)行核算。巡檢機(jī)器人平均行走預(yù)估速度為0.3m/s，單臺(tái)帶式輸送機(jī)以1000m為基準(zhǔn)，巡檢一次約1h；采用定制功率充電機(jī)充電時(shí)間1h，每天可巡檢12次。可根據(jù)膠帶長(zhǎng)度進(jìn)行核算。

圖3 吊軌式機(jī)器人布置

1.2 掛繩式巡檢機(jī)器人

掛繩式巡檢機(jī)器人主要采用鋼絲繩牽引方式，該系統(tǒng)由機(jī)器人本體、ACDC電源模塊、鋼絲繩牽引系統(tǒng)、無(wú)線通訊系統(tǒng)、機(jī)器人集群監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)組成，如圖4所示。其中機(jī)器人在巡檢路徑兩端加裝三層保護(hù)，分別用行程開(kāi)關(guān)和接近開(kāi)關(guān)限制機(jī)器人位置。用編碼器校準(zhǔn)位置。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人實(shí)時(shí)位置感知和控制保護(hù)。

圖4 吊繩式巡檢機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)圖

鋼絲繩牽引系統(tǒng)由自承式鋼索線纜、兩個(gè)卷?yè)P(yáng)機(jī)、兩個(gè)磁粉離合器、兩個(gè)控制箱和兩個(gè)制動(dòng)器組成，如圖5所示。控制箱A和控制箱B密切聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的的正向和反向控制，通過(guò)磁粉離合器實(shí)現(xiàn)鋼絲繩的姿態(tài)張緊，制動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在任意位置的停止實(shí)現(xiàn)剎車(chē)作用。另外控制箱內(nèi)安裝漏電保護(hù)器，起到安全保護(hù)作用，防止短路?？紤]機(jī)器人安裝在露天室外，單純的鋼絲繩牽引會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人晃動(dòng)，甚至撞到防雨棚，該方案同樣使用工字鋼軌道，防止機(jī)器人劇烈晃動(dòng)。

圖5 吊繩式機(jī)器人布置圖

巡檢機(jī)器人采用掛繩器與鋼絲繩相連，鋼絲繩安裝在導(dǎo)向托輪上，通過(guò)鋼絲繩的移動(dòng)，能夠帶動(dòng)機(jī)械人往復(fù)運(yùn)行于兩個(gè)卷?yè)P(yáng)機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送帶的巡檢，如圖6所示。

圖6 吊繩式機(jī)器人安裝

1.3 巡檢機(jī)器人適用場(chǎng)景研究

1.3.1 吊軌式巡檢機(jī)器人

吊軌式巡檢機(jī)器人是現(xiàn)有煤礦廣泛使用的一種機(jī)器人結(jié)構(gòu)，在煤礦變電所、輸送帶等巡檢場(chǎng)景都得到了應(yīng)用。一般是采用工字鋼或者鋁型材作為機(jī)器人的行走軌道，吊軌式巡檢機(jī)器人采用機(jī)器人搭載的主動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成機(jī)器人的行駛。

優(yōu)點(diǎn)：整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅需搭建工字鋼軌道，并不需要額外配備驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；軌道剛度高，機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定性高，易于完成圖像采集等高精度檢測(cè)；軌道可以搭建環(huán)形、直角形等各種形狀，缺點(diǎn)：電池容量需求較大，尤其是針對(duì)嚴(yán)寒環(huán)境，電池性能衰減嚴(yán)重，需要額外增加電池體積才能夠滿足續(xù)航要求；行駛機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)能力有限，在戶外寒冷狀態(tài)，軌道經(jīng)常會(huì)有積雪、積冰等情況，導(dǎo)致軌道輪打滑，無(wú)法完成巡檢作業(yè)；軌道成本較高，長(zhǎng)距離鋪設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益性低。

適用應(yīng)用場(chǎng)景：煤礦井下變電所巡檢、煤礦井下變電所巡檢。

1.3.2 吊繩式巡檢機(jī)器人

吊繩式機(jī)器人其工作原理是采用牽引式的行走方式，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用卷?yè)P(yáng)機(jī)、礦用絞車(chē)等驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，這種機(jī)器人在煤礦中目前應(yīng)用較少，也僅有2家企業(yè)取得了安標(biāo)認(rèn)證。兩種巡檢機(jī)器人性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 兩種巡檢機(jī)器人性能對(duì)比表

優(yōu)點(diǎn)：機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)可靠性高，不易出現(xiàn)問(wèn)題；采用鋼絲繩作為牽引的媒介，布設(shè)成本較低；驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)，能夠克服積雪、積冰等情況；電池容量需求低，僅滿足攝像頭和傳感器供電即可。

缺點(diǎn)：軌道剛性較低，運(yùn)行過(guò)程中會(huì)有機(jī)器人晃動(dòng)的問(wèn)題；驅(qū)動(dòng)裝置占地面積較大，成本較高。

2 嚴(yán)寒環(huán)境下電池預(yù)熱性能研究

電池是保證機(jī)器人穩(wěn)定使用儲(chǔ)能部件，電池的性能影響了機(jī)器人行駛距離、行駛速度等多項(xiàng)參數(shù)[15]。同時(shí)，煤礦機(jī)器人的儲(chǔ)能裝置一般是選用鋰電池，低溫對(duì)鋰電池的性能影響較大，不僅會(huì)造成機(jī)器人續(xù)航距離變短，甚至導(dǎo)致機(jī)器人無(wú)法正常運(yùn)行[16，17]。因此，本章節(jié)分別對(duì)鋰電池的低溫性能和預(yù)熱低溫性能展開(kāi)研究，提出嚴(yán)寒環(huán)境的鋰電池性能解決方案。

2.1 試驗(yàn)樣品

該項(xiàng)目選用的電池為容量為600mA·h的鋰電池作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，循環(huán)使用壽命大于1000h，正極采用鈷酸鋰，負(fù)極采用石墨。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

為了驗(yàn)證電池的低溫性能，本項(xiàng)目采用型號(hào)為AWC2000的高低溫試驗(yàn)箱作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，其最低測(cè)試溫度能夠達(dá)到-60℃，最高測(cè)試溫度能夠達(dá)到100℃，溫升調(diào)節(jié)精度為2℃，能夠滿足本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)要求。并在測(cè)試箱內(nèi)引出多條連接線，用于與電池供電設(shè)備相連。電池的充放電機(jī)采用Arbin-BTS2000，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電池充放電的過(guò)程完成記錄及動(dòng)態(tài)采集。

2.3 無(wú)預(yù)熱狀態(tài)的電池放電性能測(cè)試

2.3.1 試驗(yàn)方法

電池充電溫度選擇恒溫20℃充電，電池充電電壓為0.2C，充電狀態(tài)不進(jìn)行監(jiān)控，充滿電后，調(diào)節(jié)恒溫箱的溫度，放電環(huán)境溫度分別選擇20℃、10℃、0℃、-10℃、-20℃等五檔溫度完成不同溫度的測(cè)試，尤其是觀測(cè)在低溫狀態(tài)的電池放電情況[18-20]。設(shè)備放電之前，需要在恒溫箱中保溫6h，電池放電電流選擇為0.2C，放電截止電壓為2.5V。

2.3.2 測(cè)試結(jié)果

不同測(cè)試溫度的電池電壓放電性能曲線如圖7所示，不同溫度的電池性能狀態(tài)見(jiàn)表2。通過(guò)分析測(cè)試結(jié)果，能夠得出，隨著溫度的降低，電池的放電容量呈現(xiàn)逐步下降的趨勢(shì)，同時(shí)，在大于0℃以上，初始放電電壓基本不變，基本保持在相對(duì)穩(wěn)定的條件，隨著測(cè)試溫度的降低，初始放電電壓呈現(xiàn)急劇下降的趨勢(shì)。

圖7 不同溫度下電池放電性能

表2 不同溫度的電池性能狀態(tài)

在-2～20℃的測(cè)試區(qū)間內(nèi)，以0.2C的放電電流完成實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，測(cè)試電池的容量分別為583.3、535.7、476.2、416.7、285.7 mA·h，分別占電池理論容量的97.2%、89.2%、79.4%、69.5%、47.6%。并且，在溫度降低到-35℃以下時(shí)，電池?zé)o法正常使用。

通過(guò)分析表2數(shù)據(jù)能夠得出，在電池低溫過(guò)程中，當(dāng)將溫度恢復(fù)到常溫狀態(tài)，并不影響電池的充電容量，因此，低溫造成的放電容量降低是可逆過(guò)程，并不造成電池的損壞。在低于-10℃的低溫環(huán)境測(cè)試過(guò)程中，鋰電池的容量及放電電壓都呈現(xiàn)急劇下降的趨勢(shì)，這是由于在寒冷的環(huán)境下，鋰電池內(nèi)芯的電導(dǎo)率下降，造成電化學(xué)極化增加，因此，隨著溫度的降低，電池容量、放電電壓等重要性能參數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

2.4 預(yù)熱狀態(tài)的電池放電性能測(cè)試

2.4.1 電池預(yù)熱方法

為提高電池在低溫環(huán)境的使用性能，對(duì)電池增加了預(yù)熱功能，考慮到電池箱布置較為緊湊，需要考慮加熱裝置的穩(wěn)定性和緊湊性，采用電加熱膜作為電池的加熱單元。電加熱膜是一種柔軟的加熱介質(zhì)，外部采用絕緣性能良好的材料表層膜，并通過(guò)高壓壓制工藝手段，將內(nèi)部加熱電阻絲壓制在加熱膜之間，具有導(dǎo)熱均勻，使用安全，產(chǎn)品穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，將其布置在電池箱體的四周，能夠?qū)﹄姵赝瓿删鶆蝾A(yù)熱。

2.4.2 電池保溫方法

由于該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的電池箱材料為Q235鋼板焊接制成，其傳熱性較快，為了起到對(duì)預(yù)熱電池的保溫作用，需要將電池箱作保溫處理。通過(guò)考察現(xiàn)有的保溫材料，由于機(jī)器人的布置較為緊湊，電池箱內(nèi)部空間有限，因此，選擇合理的保溫材料需要兼顧隔熱性和緊湊性，項(xiàng)目選擇的保溫材料為一種特制的隔熱涂層材料，導(dǎo)熱系數(shù)為0.03W/(m·K)，具有良好的隔熱性能，其將這種材料涂抹在箱體上，涂抹厚度為5mm。

2.4.3 試驗(yàn)方法

電池充電溫度選擇恒溫20℃充電，電池充電電壓為0.2C，充電狀態(tài)不進(jìn)行監(jiān)控，充滿電后，調(diào)節(jié)恒溫箱的溫度，放電環(huán)境溫度分別選擇20℃、10℃、0℃、-10℃、-20℃等五檔溫度完成不同溫度的測(cè)試，設(shè)備放電之前，需要在恒溫箱中保溫6h，然后，對(duì)電池箱內(nèi)部完成預(yù)熱，將電池加熱到20℃，停止加熱，并對(duì)電池完成電池放電測(cè)試，放電電流選擇為0.2C，放電截止電壓為2.5V。

2.4.4 測(cè)試結(jié)果

環(huán)境溫度為-20℃時(shí)，電池預(yù)熱及降溫如圖8所示，電池預(yù)熱時(shí)間為708s，預(yù)熱完成之后，電池經(jīng)過(guò)2167s完成降溫，之后，電池箱體內(nèi)部和外部的溫度基本相同，可以看到，在嚴(yán)寒情況下，電池箱的預(yù)熱及保溫性能具有良好的效果，在前期能夠工作于較為適宜的溫度下，能夠提高電池的使用性能。

圖8 電池預(yù)熱及降溫曲線

在電池預(yù)熱狀態(tài)下，不同測(cè)試溫度的電池電壓放電曲線如圖9所示，預(yù)熱狀態(tài)下的電池性能狀態(tài)見(jiàn)表3。通過(guò)分析測(cè)試結(jié)果，能夠得出，雖然環(huán)境溫度不同，但是由于電池的預(yù)熱溫度均為20℃，因此，電池的初始放電電壓基本相同，隨著溫度的降低及放電的逐漸進(jìn)行，各電池供電電壓呈逐步下降的趨勢(shì)，到達(dá)截止電壓時(shí)，完成測(cè)試。

圖9 預(yù)熱狀態(tài)下的電池放電性能

表3 預(yù)熱狀態(tài)下的電池性能狀態(tài)

在-20～10℃的測(cè)試區(qū)間內(nèi)，將電池預(yù)熱到20℃之后，以0.2C的放電電流完成實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，測(cè)試電池的容量分別為571.4mA·h、523.8mA·h、488.1mA·h、381mA·h，分別占電池理論容量的95.2%、87.3%、81.4%、63.5%、47.6%。通過(guò)對(duì)比非預(yù)熱狀態(tài)和預(yù)熱狀態(tài)的電池容量，能夠得出電池在放電電壓、放電容量都有著顯著的提升，其中，-20℃的放電容量提升了33.4%，-10℃的放電容量提升了17%，對(duì)于保證巡檢機(jī)器人在嚴(yán)寒工況下的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

3 結(jié) 論

本文對(duì)嚴(yán)寒環(huán)境下露天礦帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了闡述，針對(duì)吊軌式及吊繩式的巡檢機(jī)器人在嚴(yán)寒露天礦的應(yīng)用場(chǎng)景的優(yōu)缺點(diǎn)及設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，討論這兩個(gè)機(jī)器人的適用性，確定露天煤礦長(zhǎng)距離輸送帶巡檢宜采用吊繩式巡檢機(jī)器人，具有續(xù)航里程長(zhǎng)、驅(qū)動(dòng)能力高、運(yùn)行穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。之后，采用實(shí)驗(yàn)室的高低溫試驗(yàn)箱完成不同環(huán)境溫度下的鋰電池放電性能研究，尤其重點(diǎn)考察低溫條件下的鋰電池性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溫度的降低，電池的放電容量及初始電壓均呈現(xiàn)逐步下降的趨勢(shì)，在溫度降低到-35℃以下時(shí)，電池?zé)o法正常使用。為解決嚴(yán)寒環(huán)境巡檢機(jī)器人電池續(xù)航難題，提出電池預(yù)熱保溫解決方案，并完成預(yù)熱狀態(tài)下的電池不同溫度的放電性能測(cè)試研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)熱狀態(tài)的電池容量、放電電壓都有著顯著的提升。