智能防卡的煤礦遠控鉆孔機器人

步宇 文學禮 李毅龍 王慶杰 馬一洲

摘 要：當前我國煤炭仍在我國能源方面占主導地位，但煤炭開采過程仍存在較多問題。近年來，因瓦斯氣體泄露等問題造的成事故頻發，對煤層中瓦斯氣體的卸載及利用是一項需要解決的重要問題。智能防卡的煤礦遠控鉆孔機器人采用履帶式行進機構進行移動，通過多種通信方式實現遠程控制，實現鉆孔過程。智能防卡的煤礦鉆孔機器人通過其創新的通信方式、巧妙的自平衡算法及智能防卡鉆系統，為煤礦卸載瓦斯技術提出一種構想。

關鍵詞：智能控制;防卡鉆;遠程通信

1.引言

能源是人類賴以生存和發展的重要物質基礎，幾千年來煤炭資源一直是我國開采及利用的主要資源。但在其開采過程中存在較多的安全問題，煤礦中含有的瓦斯氣體則是需要面對的主要問題，處理過程中一旦操作不當便會造成瓦斯爆炸、瓦斯突出等事故，危及工人的生命財產安全。

在實際開采過程中，一般采用機械鉆孔技術對煤層中的瓦斯氣體進行卸載，但在松軟煤層中常常會遇到卡鉆問題，這是需要解決的一大難題，此外對于井下鉆機的調平技術、遠程操控技術也是急需解決的重要問題。

智能防卡的煤礦鉆孔機器人在礦井中利用MESH網絡遠控、esp8266WiFi通信以及2.4G通信模塊多方式聯合通信技術進行遠程控制，移動過程通過自平衡模塊實現產品的自動調平，而產品特有的智能防卡鉆系統則對鉆孔過程的常見的卡鉆問題進行解決，確保鉆孔卸載瓦斯的順利進行。智能防卡的煤礦鉆孔機器人用于解決煤層中瓦斯氣體的卸載問題，同時對井下防治粉塵和沖擊地壓有著重要作用，為人們安全生產生活提供技術保障。

2.機械結構設計

智能防卡的煤礦遠控鉆孔機器人以小車為雛形，設計有自平衡支撐機構、鉆孔傾角調節機構、進給/起拔機構、鉆孔機構及行進機構等幾部分。

2.1自平衡機構設計

鉆孔機器人工作時，必須保持整機穩固地定位于巷道地面，而巷道底面并不完全平整，通過自平衡機構解決該問題，工作時，由安裝于支撐機構上的紅外測距模塊檢測支撐機構與地面的距離，根據姿態檢測傳感器的信息，由控制器采用平衡控制算法制安裝于機器人四角的支腿對機身進行調平。

2.2鉆孔傾角調節機構設計

鉆孔傾角調節機構工作時，電動推桿向上伸出，通過其與滑軌的鉸鏈帶動滑軌向上抬起，最終帶動滑軌上的鉆孔機構一起向上傾斜，實現鉆孔傾角調節。

2.3鉆孔及進給/起拔機構設計

鉆孔及進給/起拔機構由直流電動機提供驅動力，當進給/起拔機構開始進給時，鉆孔機構在電動機的驅動下，正向旋轉并鉆入煤壁指定位置。鉆孔施工開始時，電動推桿伸出，帶動鉆孔機構進給，實現鉆桿進給。

3.控制系統設計

控制器是整個控制系統的核心。所有的傳感器包括機器人姿態檢測模塊、紅外測距模塊、無線通訊模塊等監測到的數據都要上傳到控制器進行分析處理。經過智能防卡控制系統處理之后輸出通過電機驅動模塊控制相應機構上的電機動作實現指定的功能。各模塊之間的關系如圖2所示。

3.1機器人姿態檢測模塊

姿態檢測模塊采用姿態檢測傳感器判斷機器人的實時姿態，控制器讀取數據并濾波后，采用自平衡算法控制自平衡支撐機構以實現機器人機身自動調平，為自平衡支撐機構可靠平穩的將機器人撐起后的鉆孔施工提供保障。

3.2紅外測距模塊

通過在機器人自平衡機構上安裝紅外測距模塊，檢測每個自平衡支腿距離地面的實際距離，可保證機器人可靠穩定地支撐到地面上。紅外測距模塊通過實時檢測模擬信號值的大小判斷支撐機構與地面之間的距離。

3.3智能防卡控制系統

智能防卡控制系統由智能決策器和執行器兩部分組成，采用扭矩傳感器、轉速傳感器及重量傳感器實時檢測鉆孔施工中的鉆桿扭矩、鉆桿轉速及排渣量，并將數據輸入系統，系統根據防卡鉆方法輸出控制決策至執行器，控制液壓機構完成智能決策器輸出的決策值。

4.鉆孔實驗與仿真分析

4.1鉆孔實驗

在鉆孔實驗中執行的數據，先正常鉆進，再因煤渣堵塞即將發生卡鉆，經過智能控制器的調節防止卡鉆。模擬傳感器的信號源發出信號，每個信號持續時間為1s，數據如表1所示。

由表得出，當鉆進狀態越容易發生卡鉆時，給進速度會越小，回轉速度會越大，從而使煤渣的產生量下降，并增加排渣量，以疏通孔內煤渣防止出現堵塞。

4.2仿真分析

選擇Static Structural模塊進行樣機整體受力分析，導入SOlid WOrks2021輸出的Stp格式模型，選擇StructuralSteel作為樣機主體型材，Steel 1006作為鉆頭部分型材。對合金鉆進行疲勞分析，設定鉆頭所受載荷為交變載荷，采用GOOdman平均應力修正理論進行壽命和安全系數校核分析，得到如下所示結果。

鉆頭處變形較為嚴重，同樣的相比與其他結構壽命最短。因此可以換用更好的材料進行鉆頭的加工或對其進行表面強化。

總結

智能防卡的煤礦遠控鉆孔機器人綜合運用了智能控制技術，遠程網絡通信技術和自動化技術，實現煤礦井下鉆孔卸瓦斯與卸壓作業等危險工況的作業。系統里利用機器人測距和姿態自調整功能，實現在復雜礦道中平穩移動，利用智能控制系統可有效完成礦井中卸瓦斯與卸壓作業，為礦井工作帶來安全保障。