趙偉鵬，劉子川，解國亮

（西安煤礦機(jī)械有限公司，陜西 西安 710018）

0 引言

對于煤礦井下水倉智能清淤機(jī)器人而言，其重要工作任務(wù)就是高效清理井下水倉內(nèi)存在的積水與淤泥，促使井下作業(yè)人員以及設(shè)備的安全性得以切實(shí)保證。如今，在礦井水倉清淤中應(yīng)用高效、智能的機(jī)器人，能夠發(fā)現(xiàn)與預(yù)警水倉中存在的大量淤泥，對于提升水倉利用率、實(shí)現(xiàn)企業(yè)智能化水平有著重要作用。

1 井下水倉煤泥清理機(jī)械的研究與發(fā)展現(xiàn)狀

在煤礦開采期間，清理井下水倉中存在的煤泥是一項(xiàng)重要工作，該工作具有繁重性的特點(diǎn)，且存在一定的潛在風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前，縱觀國內(nèi)外在清理水倉煤泥工作中所采取的方法是不相同的，每種方式都或多或少有著些許不足。煤礦水倉清理過程中，所應(yīng)用的方式大致有3 種，即人工清倉、真空泵抽取、人工操縱機(jī)器清理等。

當(dāng)前，在很多小型煤礦之中，主要是對人工清倉的方式進(jìn)行應(yīng)用，清倉工作人員需充分利用鐵鍬等工具在罐車中裝入煤泥并將其運(yùn)送到倉外。應(yīng)用該清倉方法會致使煤泥運(yùn)輸期間灑落，導(dǎo)致巷道被污染，而且有關(guān)工作人員會面臨著極大的工作強(qiáng)度，工作效率不高，且潛在風(fēng)險(xiǎn)較大。

真空泵抽取方式主要是在壓差原理的基礎(chǔ)上抽取水倉中的煤泥達(dá)到清倉的目的。在清淤工作之中應(yīng)用此種方式，首先應(yīng)將壓氣閥關(guān)閉，將真空閥打開并啟動真空泵來抽取儲泥罐中的空氣，使其達(dá)到真空狀態(tài)。在此期間，儲泥罐與吸泥管外部的壓差會增加，吸泥管會將煤泥引至儲泥罐內(nèi)，當(dāng)吸入的煤泥達(dá)到一定量的時候，關(guān)閉真空閥，排出儲泥罐中的煤泥。應(yīng)用該方式清倉存在一定的不足：水倉中的煤泥經(jīng)過一段時間會發(fā)生沉淀，含水量降低，影響到壓差抽取的工作效率，而且各種管閥結(jié)構(gòu)的使用周期都有待進(jìn)一步延長[1]。圖1為氣力輸送水倉清理機(jī)的構(gòu)件。

圖1 氣力輸送水倉清理機(jī)結(jié)構(gòu)

在水倉煤泥清理期間應(yīng)用人工操縱機(jī)器的方式，具體是利用螺旋收集器與刮板開展的。在清理水倉煤泥過程中，螺旋刮板水倉清理機(jī)需對集料裝置的高度適當(dāng)調(diào)節(jié)便于清淤工作的順利開展，螺旋集料裝置旋轉(zhuǎn)，促使煤泥積聚，利用刮板把煤泥裝至礦車中從而運(yùn)送到倉外。對該方式應(yīng)用清理煤倉存在的不足是，刮板結(jié)構(gòu)帶動煤泥的量比較少，清淤效率有待進(jìn)一步提升[2]。有關(guān)工作人員對該方式進(jìn)行應(yīng)用盡管能夠降低工作強(qiáng)度，但是仍然會在一定程度上污染水倉內(nèi)部的巷道。

在翻閱一系列的文獻(xiàn)之后可得，在我國，針對煤礦井下水倉清淤機(jī)械方面的研究已經(jīng)持續(xù)了十年之久，當(dāng)前我國煤泥清理設(shè)備逐步完善，不同清淤機(jī)械均存在著一定的優(yōu)缺點(diǎn)，其中最大的不足就是很多清淤機(jī)械的操作都需要依靠人工來實(shí)現(xiàn)，在智能化、便利性方面有待進(jìn)一步提升。

2 清淤機(jī)器人硬件系統(tǒng)的搭建與應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

通常來說，煤礦井下水倉智能清淤機(jī)器人主要包括了四大部分，具體為機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

清淤機(jī)器人可以在濕滑、細(xì)長的水倉巷道內(nèi)行走，具有靈活的轉(zhuǎn)彎能力，清淤量能夠與生產(chǎn)要求相符合，煤泥的輸送距離也需要符合有關(guān)要求。

2.3 清淤機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)

2.3.1 工作原理

在清淤機(jī)器人的構(gòu)成中，機(jī)械系統(tǒng)起到了重要的“骨架”作用，能夠?qū)⑵淙縿幼鲹?dān)負(fù)起來。清淤機(jī)器人機(jī)械部分的主要工作原理為：在啟動機(jī)器人之后，螺旋馬達(dá)會對集料螺旋起到帶動作用，從而來實(shí)現(xiàn)物料的旋轉(zhuǎn)收集。集料螺旋機(jī)構(gòu)上螺旋形的布置呈現(xiàn)出對稱性的特征，旋轉(zhuǎn)期間，在螺旋齒面的推動下，促使集料螺旋裝置能夠觸及的煤泥匯集到正前方中部提斗裝置中，最后運(yùn)輸至儲料箱內(nèi)。泵動機(jī)構(gòu)中，兩組油缸相互配合，一側(cè)對夾管閥裝置起到帶動作用，以此將煤泥帶出，另一側(cè)則對泵送輸出管帶動，促使煤泥能夠有效地匯入高壓管內(nèi)，其能將煤泥輸送到某指定位置[3]。清淤機(jī)器人各個部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)相互配合，才能確保水倉清淤工作的順利開展。

2.3.2 行走方式的確定

煤礦井下運(yùn)輸車輛、特種工作車輛只有導(dǎo)軌式、履帶式、膠輪式3 種車輪形式。在井下罐籠的出入口位置，主副水倉不能鋪設(shè)導(dǎo)軌，并且水倉內(nèi)部巷道的實(shí)際情況沒有可以使用的導(dǎo)軌，因此，導(dǎo)軌式不能作為清淤機(jī)器人的行走方式，還需進(jìn)一步對比履帶式，并做出合理選擇。如果能將現(xiàn)有履帶進(jìn)行一定的改造并作為清淤機(jī)器人的行走方式，在不破壞地面的同時又能夠確保清淤工作的穩(wěn)定開展，而且不管是在水中、泥濘地面、陸地上都有著較強(qiáng)的通過障礙物的能力，還可以進(jìn)行原地360°轉(zhuǎn)彎，履帶速度可通過電控系統(tǒng)控制閥塊流量從而改變履帶行走速度，從10～50m/min 速度可調(diào)，進(jìn)而大大提高了履帶復(fù)雜環(huán)境下的通過能力，綜合對比，在清淤機(jī)器人的行走方式中，可對履帶行走的方式進(jìn)行推廣應(yīng)用。

2.4 清淤機(jī)器人的液壓系統(tǒng)

2.4.1 工作原理

本文中所探討的清淤機(jī)器人主要是應(yīng)用了液壓驅(qū)動方式，動力的傳送是借助液體壓力實(shí)現(xiàn)的，進(jìn)而有效控制清淤機(jī)器人的運(yùn)行，在整個機(jī)器人構(gòu)成之中占據(jù)關(guān)鍵性地位。在液壓系統(tǒng)之中，主要是應(yīng)用了全液壓控制，一臺泵將3 臺輔泵串聯(lián)起來，液壓泵轉(zhuǎn)移能力，發(fā)動機(jī)機(jī)械能會轉(zhuǎn)化為液體壓力能，在每個閥與管道之中會有高壓動力壓流動，并分別輸送給設(shè)備的行走控制系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)、螺旋頭攪拌系統(tǒng)等，借助液壓缸或者是液壓馬達(dá)促使液體壓力轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動各個系統(tǒng)的良好運(yùn)行[4]。

2.4.2 液壓系統(tǒng)泵送部分設(shè)計(jì)

在清淤機(jī)器人液壓系統(tǒng)之中，泵送部分的組成主要包括了齒輪泵第一聯(lián)、高壓球閥、泵送油缸、隔爆電磁換向閥、液動閥、溢流閥、壓力表、泵送閥塊、液壓膠管、管路附件等。在實(shí)際工作開展過程之中，齒輪泵第一聯(lián)會對動力液流進(jìn)行提供，液動閥主要是針對液流的方向進(jìn)行控制，由此確保泵送油缸可以循環(huán)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)物料的吸入與泵出。高壓球閥接到溢流閥的遙控口，溢流閥重點(diǎn)是對于液壓系統(tǒng)泵送壓力發(fā)揮相關(guān)的限制作用。在自動清淤模式開啟的時候，主控制器發(fā)出來的信號在通過數(shù)字雙比例方向閥放大器拓展之后驅(qū)動隔爆負(fù)載敏感比例多路閥，以此來對溢流閥進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從而促使泵送與泵停得以實(shí)現(xiàn)；在開啟手動清淤模式的時候，利用高壓球閥對溢流閥進(jìn)行手動控制，以此實(shí)現(xiàn)泵送與泵停。

2.4.3 液壓系統(tǒng)提斗部分設(shè)計(jì)

清淤機(jī)器人液壓系統(tǒng)的提斗重點(diǎn)是有高壓過濾器、提斗馬達(dá)、壓力表、齒輪泵、煤按比例多路閥、管路附件以及液壓膠管等。在實(shí)際的工作當(dāng)中，齒輪泵將會供給動力液流。在自動清淤的工作狀態(tài)中，提斗馬達(dá)的控制與泵送部分的工作原理大致相同。

2.4.4 液壓系統(tǒng)行走部分設(shè)計(jì)

清淤機(jī)器人的液壓系統(tǒng)升降行走重點(diǎn)由行走馬達(dá)、升降油缸、順序閥、閥塊、壓力表、齒輪泵第四聯(lián)、轉(zhuǎn)向油缸、轉(zhuǎn)向器、隔爆敏感比例多路閥以及壓力表等組成。在工作當(dāng)中，齒輪泵第四聯(lián)重點(diǎn)是供給動力液流。在自動清淤的工作狀態(tài)中，利用隔爆敏感比例多路閥，進(jìn)而高效對轉(zhuǎn)向油缸、升降油缸以及行走馬達(dá)進(jìn)行控制，進(jìn)而確保清淤機(jī)器人的提斗、升降、行走以及轉(zhuǎn)向。在手動清淤的工作狀態(tài)下，手柄是通過隔爆敏感比例多路閥來開展操控的，并控制行走馬達(dá)、升降油缸，確保前后行走、清淤提斗升降工作順利完成，借助轉(zhuǎn)向器促使設(shè)備轉(zhuǎn)向得以切實(shí)實(shí)現(xiàn)[5]。

2.4.5 液壓系統(tǒng)夾管部分設(shè)計(jì)

清淤機(jī)器人的液壓系統(tǒng)夾管主要是由卸荷閥、齒輪泵第二聯(lián)、高壓球閥、防爆電磁換向閥、夾管油缸、閥塊、蓄能器、壓力表、管理附件、液壓膠管等組成。實(shí)際作業(yè)期間，由齒輪泵第二聯(lián)供給動力液流，泵送油缸往復(fù)運(yùn)動會觸發(fā)換向結(jié)構(gòu)，滾輪換向閥換向，蓄能器供油，由此促使夾管油缸的切換更加快速。在自動清淤的工作狀態(tài)下，將會啟動隔爆電磁換向閥，進(jìn)而使得蓄能器儲備電能。在手動清淤模式開啟的時候，高壓球閥可以完成蓄能器的儲備電能，保證夾管油缸的壓力變動，進(jìn)而啟動夾管，繼而排出煤泥煤漿。

2.5 清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)

對于智能清淤機(jī)器人當(dāng)中的控制系統(tǒng)而言，需確保機(jī)器人可以行走并完成清淤作業(yè)，對于多種類型的傳感器數(shù)據(jù)開展讀取，進(jìn)而跟觸摸屏完成信息的交換，在發(fā)生故障的時候能夠自動斷網(wǎng)斷電實(shí)現(xiàn)自身的防護(hù)。另外，在需要借助各類軟件的支持，其中涉及MCGS組態(tài)軟件、SQLServer 數(shù)據(jù)庫、iVMS-4200 智能視頻監(jiān)控軟件等。與井下復(fù)雜、惡劣的作業(yè)環(huán)境相結(jié)合，并在以往工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，可以將控制系統(tǒng)的核心器件確定為SIMATICS7－1200PLC，其有著較高的可靠性與抗干擾性，并且維護(hù)起來相對便捷。

2.5.1 主控制器

在智能清淤機(jī)器人中央控制系統(tǒng)之中，SIMATICS7－1200PLC 主控制器是其核心，作用是不容忽視的。該控制器能夠?qū)崿F(xiàn)和智能清淤機(jī)器人各個子系統(tǒng)之間的通信與控制，在搭載系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，針對同一時間段內(nèi)需要開展的工作實(shí)行多線程分級管理；同時，還能夠和上位機(jī)、手機(jī)軟件等等實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。

2.5.2 行走與集料控制

主控制器和外圍器件科學(xué)合理地結(jié)合在一起能夠促使電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)之間的聯(lián)動得以切實(shí)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而保證清淤機(jī)器人的行動跟集料操控能夠更好完成。從某種程度上說，科學(xué)操作上位機(jī)的界面可以使得智能機(jī)器人得以運(yùn)行。一般來講，行動以及集料操控的原理包含下述內(nèi)容：模擬量輸出模塊AM1232 跟CPU1215C 傳送過來的命令進(jìn)行融合，把4～20mA 的電流信號進(jìn)行輸出，并且在數(shù)字雙比例方向閥放大器比例的前提下，使其可以轉(zhuǎn)變?yōu)?630～630mA 的電流信號，從而實(shí)現(xiàn)對負(fù)載敏感比例多路閥的有效驅(qū)動。其主要是與輸入的電流信號相結(jié)合對油壓進(jìn)行控制，進(jìn)而完成對液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速以及正反轉(zhuǎn)的科學(xué)操控，在該前提下使得清淤機(jī)器人的行動以及集料操作能夠更好地完成。在該種電氣系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)的聯(lián)動工作狀態(tài)下，不但可以使得清淤機(jī)器人的無級變速行動與提斗集料得以完成，而且其可靠性也是比較高的。

2.5.3 靜壓水頭閉環(huán)控制

清淤機(jī)器人在井下水倉開展作業(yè)期間，在某些情況下會碰到比較堅(jiān)硬的煤泥，并且含水量是比較低的，在此時，應(yīng)打開靜壓水頭，將煤泥稀釋之后再對靜壓水頭進(jìn)行關(guān)閉。清淤機(jī)器人的視頻監(jiān)控系統(tǒng)很難對收集到煤泥的堅(jiān)硬度進(jìn)行判別，由此會對清淤效率產(chǎn)生不利影響。與實(shí)際情況相結(jié)合，可以在程序之中加上靜壓水頭的閉環(huán)控制，主控制器CPU1215C 與模擬量輸入模塊SM1231 相結(jié)合，利用讀取水槽當(dāng)中壓差式密度傳感器當(dāng)中的信息，從而對所吸入煤泥的密度進(jìn)行感知，并與正常環(huán)境下的煤泥密度進(jìn)行對比分析，以此來針對靜壓水頭的開關(guān)實(shí)行有效控制，軟件與硬件有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)工作的順利開展。

2.6 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺

在清淤機(jī)器人中的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺主要是對多平臺的設(shè)計(jì)進(jìn)行了應(yīng)用，其中主要包括清淤機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)平臺、視頻平臺、觸摸屏遠(yuǎn)程遙控平臺、手機(jī)客戶端等等，能夠有效監(jiān)控局域網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)清淤機(jī)器人的實(shí)時狀態(tài)，而且在地面調(diào)度室便可發(fā)出信號指令，切實(shí)降低井下清淤工作人員的勞動強(qiáng)度。

3 結(jié)語

總而言之，煤礦井下水倉智能機(jī)器人的良好應(yīng)用，可以促使遠(yuǎn)程遙控、在線監(jiān)測的工作得以切實(shí)實(shí)現(xiàn)。通過有效采集數(shù)據(jù)并借助視頻監(jiān)控遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)，能夠?qū)η逵贆C(jī)器人的作業(yè)現(xiàn)場場景與各種監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控，對于清淤工作開展的可靠性與實(shí)時性的保證有著重要作用，而且可以提供更加高質(zhì)的智能化信息。在智能清淤機(jī)器人的應(yīng)用下，井下作業(yè)人員僅僅需要在安全的地區(qū)控制清淤機(jī)器人，不需要開展人工清淤作業(yè)，不僅可以降低工作人員勞動強(qiáng)度，更能夠確保工作人員的人身安全。