煤礦水倉清理機器人的設計

王秉飛

（大同煤礦集團挖金灣煤業(yè)有限責任公司， 山西 大同 037000）

引言

煤礦水倉使用之后，通常在底部會出現(xiàn)大量煤渣以及淤泥等。存在大量的堆積物將會占用水倉的容量，同時會影響排水系統(tǒng)的性能，因此需要對其進行定期清洗。人工挖掘配合罐車運輸效率比較低，往往存在清理物撒、滴、漏等問題。當前的清洗設備體積比較大，不便于操作，而機器人技術(shù)在煤礦領(lǐng)域扮演著越來越重要的作用，因此開發(fā)水倉清理機器人，以極大地降低勞動強度，提高安全性。

1 水倉清理系統(tǒng)方案的設計

圖1為水倉清理系統(tǒng)圖，其劃分為兩個單元：可移動、不可移動，一般清倉機器人能夠按照設定的路線在水艙內(nèi)移動，其能夠有效地挖掘淤泥以及短距離的輸送。在水倉平臺上面設置有如下幾個裝置：緩沖加壓裝置、水泥分離裝置以及運輸設備，其主要能夠?qū)崿F(xiàn)對應的功能：泥漿加壓運輸、脫水固化及運輸。

圖1 水倉清理系統(tǒng)

通過分析發(fā)現(xiàn)水倉系統(tǒng)的工作原理為：當已完成注水之后，這時設置在機器人上的鉸刀開始工作，可以攪動淤積物，這樣能夠在防護罩內(nèi)部形成相應的混合物，同時開始向中間匯集。這時機器人開始在隨車渣漿泵抽吸泥漿，運送至緩沖加壓設備內(nèi)。在緩沖罐內(nèi)部設置有攪拌器，在振動篩的作用下，能夠分離出較大的顆粒沉積物，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)粗分泥漿的作用。通常把剩余的泥漿加壓運輸?shù)侥嗨蛛x裝置內(nèi)。一般泥水處理裝置可以借助壓濾機以及相應的凝固劑等措施，對泥漿進行脫水以及固化等操作。將處理水設置在備用倉內(nèi)，一般可以借助輸送機把脫水煤泥運送到大巷礦車上面，最終運送到指定的位置進行處理[1]。

2 水倉清理機器人的設計

當前清倉機器人具有較大的體積，為了優(yōu)化機器人的體積，一般可以拆除機器人的駕駛艙以及相應的人工控制系統(tǒng)兩個單元。其中清倉單元包括如下四個部分：工作裝置、行走裝置、吸揚裝置、輔助裝置等，如圖2所示。其動力設置為液壓驅(qū)動，密封箱底以及底座采用O形密封圈密封，同時在聯(lián)動位置選擇防水處理。

圖2 機器人結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 工作裝置的設計

一般情況下，煤礦水倉清洗器械大致可以劃分為如下四種：高壓水槍配合泥漿泵抽吸清淤；鏟斗類清倉機；滾筒配合刮板輸送機刮挖清淤；鉸刀類清倉機等。由于在水倉淤泥匯集位置的上端是泥水混合物，而底部卻是密度較大的固體，因此必須對淤泥進行全面的攪拌。為此將該裝置設置成雙螺旋鉸刀。同時將鉸刀兩側(cè)螺旋葉片的方向設置為反向，同時沿著中間對稱，中間正對著吸泥管入口，如下頁圖3所示。

工作裝置包含如下幾種：舉升裝置；攪拌機構(gòu)；液壓系統(tǒng)。當處于工作狀態(tài)，液壓伸縮系統(tǒng)能夠使得舉升機構(gòu)動作，以及攪動機構(gòu)。當鉸刀旋轉(zhuǎn)在液壓馬達的驅(qū)動下，其能夠帶動鉸刀動作，從而能夠給泥漿一個軸向的推力。這樣能夠使得泥漿混合物向著中間聚集。當處于工作狀態(tài)時，假如鉸刀被卡死，那么可以借助換向閥來實現(xiàn)反轉(zhuǎn)，最終可以排除雜物，可以實現(xiàn)自救。

圖3 鉸刀旋向示意圖

2.2 吸揚裝置的設計

為了能夠保證適量的水分，防止泥漿的擴散，優(yōu)化工作效率，通常可以在鉸刀外側(cè)設置防護罩，煤泥在鉸刀的攪動下能夠形成具有一定濃度的混合物，接著可以在渣漿泵的協(xié)助下將混合物輸送到緩沖裝置內(nèi)。

對于清洗機器人中設置的渣漿泵而言，其內(nèi)部設置有高速旋轉(zhuǎn)葉片，在工作的過程中可以形成一定真空的空間，這樣可以使用攪拌好的泥漿通過防護罩以及吸管吸入渣漿泵中，最終將其輸送到緩沖裝置中。通常將吸入口設置在防護罩前側(cè)，其正前方為螺旋鉸刀，泥漿被攪拌之后能夠直接進入吸口。這樣能夠極大地提高泥漿吸收率，從而能夠避免出現(xiàn)二次污染。

2.3 行走裝置的設計

傳統(tǒng)的清倉裝置大多為卡軌式，其往往極易脫軌，同時在轉(zhuǎn)向的過程中，往往會出現(xiàn)問題。為了能夠極大地提高機器人的靈活度，通常可以將其設置為行走裝置載輪式和履帶式。鑒于煤礦水倉環(huán)境問題，履帶接觸面積較大，可以有效減少接觸面的壓力，從而起到防滑的效果，同時其比較適合河道側(cè)幫，從而選擇履帶式底盤。

行走裝置主要包括如下幾個單元：第一，左、右2條橡膠履帶；第二，液壓馬達組；第三，驅(qū)動輪組；第四，支重輪組；第五，托帶輪；第六，導向輪組；第七，底座框架。對于履帶行走裝置而言，可一般設置液壓驅(qū)動以及兩個液壓馬達驅(qū)動，在鏈傳動的作用下能夠給履帶提供動力。而機器人的轉(zhuǎn)向則通過液壓閥控制，底座采用能夠承載較大能力的輕型鋼制作而成。在底座下端設置四個支重輪，其能夠極大地提高接觸面積，從而能夠防止履帶跑偏，這樣能優(yōu)化對地面的壓力[2]。

2.4 輔助裝置的設計

由于煤礦井下工況環(huán)境比較復雜，液壓驅(qū)動系統(tǒng)能夠避免出現(xiàn)火災事故。清理機器人液壓是由液壓泵站提供，圖4表示相應的液壓回路圖，其包括如下三個單元：第一，推動機械臂液壓缸做往復運動的回路單元；第二，履帶速度回路單元；第三，螺旋鉸刀轉(zhuǎn)動速度回路單元。

圖4 液壓系統(tǒng)原理圖

一般在液壓缸回路中設置相應的雙向液壓鎖，這樣能夠有效地防止液壓缸處于工作狀態(tài)時出現(xiàn)漏油的現(xiàn)象，從而有助于機械臂準確定位。一般可以在履帶馬達回路以及相應的鉸刀回路中安裝一定的安全閥組以及相應的補油閥組，防止馬達在減速以及轉(zhuǎn)向的過程中，因慣性使得進油路壓力變小，導致出現(xiàn)汽蝕的現(xiàn)象。當馬當處于變速的過程中，單向閥門從郵箱補油，與此同時打開溢流閥，使得壓力油從高壓位置向低壓部分流動。

3 結(jié)語

由于煤礦水倉工況環(huán)境比較復雜，因此設計了螺旋鉸刀的履帶式吸揚清理機器人，其不僅體積小、運輸方便，而且行動靈活，具有較強的適應性。在行動的過程中能夠?qū)崿F(xiàn)較大坡度的爬升，能夠清理各種濃度的煤泥，適用于各種形式的水倉。該系統(tǒng)不僅可以有效地降低工人的勞動量，而且具有較大的經(jīng)濟效益。