曾芳成 孟福杰

〔摘 要〕分析了當(dāng)前礦山開采中，采用人工砌筑巷道擋墻的現(xiàn)狀及弊端，根據(jù)井下巷道類型和擋墻形態(tài)，自主研發(fā)了一種適應(yīng)井下巷道等受限空間工作環(huán)境的、自動化程度高、能砌筑多種擋墻類型的智能砌墻機(jī)，并對該設(shè)備的主要部件及功能以及工作流程進(jìn)行了詳細(xì)分析。實(shí)踐證明，該設(shè)備可以大幅降低工人勞動強(qiáng)度，減少現(xiàn)場作業(yè)人工數(shù)量，提高砌筑效率，進(jìn)而降低施工成本，提高擋墻砌筑機(jī)械化、自動化程度，提高礦山作業(yè)安全性。

〔關(guān)鍵詞〕智能砌墻機(jī)；礦山開采；井下作業(yè)；受限空間；擋墻砌筑

中圖分類號：TU653? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ?文章編號：1004-4345（2024）01-00２6-0４

Design and Research of Intelligent Wall Laying Machine for Mines

ZENG Fangcheng1， MENG Fujie2

（1.Jiangxi Nerin Equipment Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330032， China; 2. Jinchuan Group Co.， Ltd.， Jinchang， Gansu 737103，China）

Abstract? An analysis was conducted on the current situation and drawbacks of using manual masonry to build drift retaining walls in current mining operations. Based on the types of underground drifts and shapes of retaining walls， an intelligent wall laying machine with high automation level and the ability to build a variety of retaining walls was independently researched and developed， which is suitable for working environments in confined spaces such as underground drifts. The main components， functions， and workflow of the equipment were analyzed in detail. Practice has proven that this equipment can significantly reduce the labor intensity of workers， reduce the number of on-site operators， improve masonry efficiency， thereby reducing construction costs， improving the mechanization and automation level of retaining wall masonry， and enhancing the safety of mine operations.

Keywords? intelligent wall laying machine; mining operations; underground operation; confined space; retaining wall masonry

０ 引言

礦山進(jìn)路充填擋墻的墻體砌筑通常由人工操作砌成，井下?lián)鯄ζ鲋h(huán)境復(fù)雜，空間狹窄，工作環(huán)境惡劣，勞動強(qiáng)度大，安全性差[1]。近些年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來越多的自動或半自動砌筑設(shè)備進(jìn)入研究階段，但使用效果仍不盡如人意[2]。例如，國內(nèi)某種履帶式砌磚機(jī)器人，可用于建筑行業(yè)的砌墻作業(yè)，設(shè)備可以移動且實(shí)現(xiàn)墻體堆砌，但是設(shè)備需要人工逐塊上磚，完全沒有達(dá)到減人工的目的[3]；國內(nèi)另一種帶升降機(jī)構(gòu)的砌磚機(jī)器人，也僅僅是通過類似三坐標(biāo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)磚塊的移位，設(shè)備移動還依賴人工，沒有實(shí)用價值[4]；美國某公司研發(fā)的砌磚機(jī)器人，可以通過機(jī)器人實(shí)現(xiàn)磚塊的砌筑，并利用軌道實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線移動，但是設(shè)備龐大，靈活性差，在礦山等這類受限空間內(nèi)無法使用[5]?？梢姡瑖鴥?nèi)外雖然有企業(yè)做過常規(guī)砌墻機(jī)器人的研發(fā)設(shè)計，但由于設(shè)備功能很單一，基本只能實(shí)現(xiàn)磚塊搬運(yùn)功能；同時，由于設(shè)備使用條件高，大多仍停留在研究階段，并未投入實(shí)際使用；少數(shù)做出的樣機(jī)，也都存在自動化程度低、只能砌筑直墻、成本高等局限性能。用于受限空間，可實(shí)現(xiàn)自動砌筑的成功案例更是沒有。為了解決如上問題，江西瑞林裝備有限公司（以下簡稱“瑞林裝備”）大膽創(chuàng)新，自主研發(fā)了一種適用于礦山的智能砌墻機(jī)。該設(shè)備高度集成了設(shè)備移動、智能掃描、自動定位、供磚、供漿、取磚、抹漿、砌磚及壓實(shí)等墻體砌筑所需的一系列功能，且設(shè)備緊湊，轉(zhuǎn)運(yùn)便捷，智能化程度高。本文擬針對該設(shè)備總體方案、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)進(jìn)行分析。

1? ?設(shè)備運(yùn)行工況

根據(jù)礦井的巷道類型，需要砌墻機(jī)適應(yīng)的典型擋墻砌筑工況有5種，具體如圖1所示。在此5種工況下，巷道的截面類型主要為直墻半圓拱巷道和矩形巷道2種，如圖2所示。其中，巷道截面尺寸普遍為寬4.0～5.0 m，高4.0～4.5 m。巷道中需要砌筑的擋墻形態(tài)分為直擋墻、外拱擋墻、內(nèi)拱擋墻3種，如圖3所示。實(shí)際砌筑時，需根據(jù)不同的擋墻類型和作業(yè)需求，選擇合適的擋墻形態(tài)。

本文所述砌墻機(jī)即是基于以上5種擋墻類型、2種巷道截面以及3種擋墻形態(tài)的砌筑工況及功能需求進(jìn)行研發(fā)。

2? ?設(shè)計總體方案

根據(jù)前述設(shè)備運(yùn)行工況及功能需求，該砌墻機(jī)的設(shè)計總體方案如下：在擋墻砌筑作業(yè)中，將力量消耗大、動作重復(fù)率高的動作（如抬磚、混凝土攪拌、抹漿、砌磚等）轉(zhuǎn)為機(jī)械化設(shè)備實(shí)現(xiàn)；保留少量人工實(shí)現(xiàn)精細(xì)的動作（如擋墻外扎鋼筋、設(shè)排水管等）。配以少量人工輔助，可以在較合理的投入成本的情況下，大幅降低工人勞動強(qiáng)度，減少現(xiàn)場作業(yè)人工數(shù)量，提高砌筑效率，進(jìn)而降低施工成本，提高擋墻砌筑機(jī)械化、自動化程度。經(jīng)總體方案研究，最終確定設(shè)備工作狀態(tài)如圖4所示，設(shè)備運(yùn)輸狀態(tài)如圖5所示。

3? ? 設(shè)備主要部件及功能

設(shè)備的主要部件及功能見表1。

3.1? 砌筑平臺裝置

砌筑平臺作為設(shè)備的主要載體，用于搭載各功能部件，主要由機(jī)架，支腿、液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)等組成。其中，支腿可以展開，用于增大設(shè)備底盤尺寸，提高設(shè)備工作時的穩(wěn)定性，收起后又可以減小設(shè)備體積，方便設(shè)備移動或運(yùn)輸；同時，支腿可沿高度方向伸縮，通過與設(shè)備內(nèi)設(shè)的姿態(tài)檢測傳感器相配合，經(jīng)PLC控制，實(shí)現(xiàn)砌筑平臺水平度的一鍵自動調(diào)節(jié)。

3.2? 行走轉(zhuǎn)向裝置

行走轉(zhuǎn)向裝置整體位于砌筑平臺裝置下方，用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自行走，如圖6所示，裝置由1個轉(zhuǎn)向輪和4個行走輪組成，每個行走輪獨(dú)立驅(qū)動，以適應(yīng)顛簸不平的礦山地面，增大設(shè)備的行走能力。4個車輪的差速行駛，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的全向行駛。同時，轉(zhuǎn)向輪為單獨(dú)控制，通過鋼絲繩可以驅(qū)動4個轉(zhuǎn)向輪同時轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)行走裝置原地轉(zhuǎn)向，大幅增加了設(shè)備的機(jī)動能力，滿足設(shè)備在受限空間內(nèi)移動的需要。

3.3? 砌磚裝置

砌磚裝置整體位于設(shè)備前方中部的升降臺上。該裝置從升降臺的磚跺支架上取磚，經(jīng)攪拌泵送裝置的噴嘴處抹漿后，再將磚放置到需要的砌筑位置。在機(jī)器人關(guān)節(jié)末端，還設(shè)有可以感知夾具力和扭矩的智能傳感器，用于判斷砌筑前磚塊是否完整，砌筑時砌塊是否壓實(shí)。取磚裝置結(jié)構(gòu)基本同砌磚裝置，本文不再贅述。砌磚裝置示意見圖７。

3.4? 磚垛定位裝置

磚跺定位裝置位于設(shè)備的左后方，為取磚裝置持續(xù)且準(zhǔn)確地提供磚塊。定位裝置上設(shè)有導(dǎo)向架，為磚垛托盤導(dǎo)向，以保證磚垛與平臺的位置相對固定，進(jìn)而保證磚塊與取磚裝置的位置相對固定。裝置下部設(shè)有調(diào)節(jié)螺桿，可以通過調(diào)節(jié)每個螺桿底腳板的高度，使4個螺桿在不平地面上也能同時著地，將重力均勻傳遞到地面。在設(shè)備行走或運(yùn)輸時，磚跺定位裝置可以沿連接平臺的鉸接處進(jìn)行折疊，同時用固定銷軸將裝置與平臺主體固定，以減少設(shè)備的外形尺寸，增強(qiáng)設(shè)備機(jī)動能力。

3.5? 上料裝置

上料裝置位于設(shè)備的右后方，主要由上料斗、卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)、提升軌道、溜槽、加水裝置等組成。上料斗在接受人工送入的水泥、沙子及水等原料后，在卷揚(yáng)機(jī)的牽引力作用下，沿提升軌道上升至高位。此時，上料斗底部的閥板自動打開，物料通過溜槽落入攪拌筒中。提升軌道底部設(shè)有調(diào)節(jié)螺桿，可使軌道承受的力均勻傳到不平整的地面上；同時，軌道可以折疊，以減小設(shè)備行走或運(yùn)輸時的外形尺寸，使設(shè)備更小巧。

3.6? 攪拌及泵送裝置

攪拌及泵送裝置位于設(shè)備的右方和中部位置，底部連接砌筑平臺裝置，由攪拌罐、驅(qū)動馬達(dá)、接料槽、砂漿泵、送漿管路及抹漿噴嘴等組成。該裝置接收上料裝置加入的水泥、沙子及水等原料，在攪拌罐正向轉(zhuǎn)動攪拌均勻后，通過攪拌罐的反向轉(zhuǎn)動，將漿料排出。排出的漿料落入泵送裝置接料槽，再經(jīng)砂漿泵加壓后，泵入送漿管道，最終送至抹漿噴嘴，供砌磚裝置抓磚后進(jìn)行抹漿作業(yè)。

3.7? 掃描定位系統(tǒng)

掃描定位系統(tǒng)整體位于設(shè)備前方、升降臺上方，主要由云臺、激光雷達(dá)及軟件系統(tǒng)組成。掃描定位系統(tǒng)的作用：1）在設(shè)備進(jìn)行砌筑作業(yè)前，掃描礦洞輪廓，并進(jìn)行三維建模，同時根據(jù)砌塊規(guī)格，搭建擋墻砌筑的數(shù)學(xué)模型，再進(jìn)行砌筑路徑規(guī)劃，將各砌塊的坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳遞給PLC，以指導(dǎo)機(jī)器人按規(guī)劃好的路徑有序砌筑擋墻；2）在設(shè)備完成可及范圍內(nèi)的擋墻砌筑且移動設(shè)備后，激光雷達(dá)再次掃描，將獲得的新礦洞點(diǎn)云數(shù)據(jù)及已完成的墻體點(diǎn)云數(shù)據(jù)與原始點(diǎn)云模型進(jìn)行對比，解算出移位后設(shè)備在該原坐標(biāo)場的新位置，指導(dǎo)設(shè)備繼續(xù)砌筑擋墻。

4? ?設(shè)備工作流程

設(shè)備主要工作流程如下。1）作業(yè)面清理。人工清理作業(yè)面，保證設(shè)備作業(yè)區(qū)地面基本平整。2）設(shè)備就位。設(shè)備牽引至工作區(qū)附近→外接電源→開啟液壓站→設(shè)備自行至作業(yè)區(qū)→固定支腿、調(diào)平→固定上料軌道→固定磚垛定位裝置。3）設(shè)備初始設(shè)置。掃描巷道輪廓→設(shè)置砌塊規(guī)格→設(shè)置待砌擋墻參數(shù)→擋墻自動建模→自動規(guī)劃砌筑路徑。4）物料準(zhǔn)備。外接水源→人工輔助上磚垛→上料斗降至低位→人工上砂子水泥等干料。5）自動砌筑。開啟自動砌筑模式→攪拌裝置開啟→空壓機(jī)開啟→上料斗提升加料→自動定量加水→砂漿拌合→攪拌罐反轉(zhuǎn)出料→砂漿泵送至噴嘴→機(jī)器人取磚→機(jī)器人抹漿→機(jī)器人砌磚→重復(fù)砌磚，直至機(jī)器人工作范圍內(nèi)擋墻砌筑完成→升降臺升高→繼續(xù)砌磚，直至機(jī)器人工作范圍內(nèi)擋墻砌筑完成→設(shè)備移位→再次掃描環(huán)境→設(shè)備新定位解析→繼續(xù)砌磚→重復(fù)如上工序，直至擋墻砌筑完成。6）設(shè)備清理。清洗攪拌罐及泵送管路（設(shè)備短時不工作時）。

5? ?設(shè)備參數(shù)及主要優(yōu)勢

設(shè)備主要性能參數(shù)見表2。

設(shè)備主要優(yōu)勢如下：1）環(huán)境適應(yīng)性高。設(shè)備靈活適應(yīng)各種巷道擋墻砌筑可在受限空間內(nèi)完成移動、砌筑工作。2）作業(yè)效率較高。該設(shè)備砌筑速度快，與現(xiàn)有人工砌筑效率相當(dāng)，輔助人工少，勞動強(qiáng)度低。3）自動化程度高。主體工作采用全自動電氣控制，不需要人工干預(yù)。4）智能化程度高。該設(shè)備采用智能掃描及定位系統(tǒng)，能夠適應(yīng)多種巷道尺寸的擋墻砌筑；能夠自動規(guī)劃砌筑路徑，設(shè)備移位后可自動重新定位解析。5）擋墻強(qiáng)度高。機(jī)器人擋墻筑路徑規(guī)劃后，能夠定距離砌磚、定流量抹漿，使墻體的混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均勻，提高了墻體的總體強(qiáng)度，提高了礦山作業(yè)的安全性。

6? ?結(jié)語

本文所述的智能砌墻機(jī)實(shí)現(xiàn)了在空間受限的礦山巷道內(nèi)，用設(shè)備代替人工的方式進(jìn)行擋墻砌筑作業(yè)。設(shè)備高度集成了行走、掃描、定位、自動拌料、取磚、抹漿、砌磚等功能，實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)從無到有的突破。設(shè)備具有體積小、機(jī)動靈活且智能化程度高等特點(diǎn)，應(yīng)用于井下?lián)鯄ζ鲋鳂I(yè)，可以大幅降低工人勞動強(qiáng)度，減少現(xiàn)場作業(yè)人工數(shù)量，提高砌筑效率，進(jìn)而降低施工成本，提高擋墻砌筑機(jī)械化、自動化程度，提高礦山作業(yè)安全性。本技術(shù)也同步適用于民用建筑行業(yè)，具有較高的推廣價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 李鳳， 張鵬強(qiáng). 充填過程中進(jìn)路板墻穩(wěn)定性研究[J]. 礦冶， 2014， 23（5）：16-20.

[2] 沈孝芹，于復(fù)生，張健.一種砌磚機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2007，20（2）：22-23.

[3] 柴勤，于春福，楊鐵江.一種砌墻機(jī)器人：CN201910898069.3[P].2019-12-20.

[4] 陳翀，陽躍武，何文操，等.一種升降裝置和砌磚機(jī)器人：CN202210473478.0[P]. 2022-07-15.

[5] 王福興.砌墻機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析[D].青島：山東科技大學(xué)，2018.

收稿日期：2023-03-29

作者簡介：曾芳成（1984—），男，高級工程師，主要從事有色冶金設(shè)備設(shè)計與研究。