礦井帶式輸送機故障巡檢機器人系統的思考研究

鮑新平 陳太光 何勇 馮磊

摘要：為處理帶式輸送機運行故障傳統檢測方法暴露出的勞動強度大、可靠性偏差等問題，作出了一種帶式輸送機故障巡檢機器人系統設計方案。本文的論述思路如下：首先闡述帶式輸送機運行階段的常見問題與具體成因，包括輸送帶橫向斷裂、打滑、堆煤等;其次對巡檢機器人驅動系統、整體結構進行分別設計;最后從系統功能、程序規劃兩大方面探究機器人系統的軟件設計方法，以供同行參考借鑒。

關鍵詞：礦井;帶式輸送機;故障;巡檢機器人;系統設計

引言

礦井下有作業環境惡劣、粉塵濃度較高、空氣濕度大等特征，帶式輸送機運輸階段時常發生打滑、撕裂、異常磨耗等異常狀況。既往為確保輸送機運行過程安全可靠，需要指派工作人員定時進行巡視檢查，這種傳統方法盡管能提升輸送機安全運行的保障能力，但也存在著勞動強度大、安全風險因素多級巡檢效果不夠穩定等不足。近些年，國家相關部門大力倡導建設智能礦井功能，各種智能化裝置逐漸被用在礦井生產領域中，尤其是無線網絡構建等為輸送機故障巡檢機器人系統開發、應用提供了優勢條件。本文主要探究該系統結構、軟件設計相關問題。

一、帶式輸送機常見故障類型與成因

1、橫向斷裂

帶式輸送機的運輸距離相對較長，要把全部的輸送帶銜接成環形，利用機械卡口固定或熱硫化接頭法去處理輸送帶接頭。鑒于輸送帶接頭強度偏低的實際情況，其損壞的風險相對較高，故而接頭通常被認定是一條輸送帶最薄弱的位置，是橫向斷裂問題的高發位置。這種問題的成因較多，比如輸送帶機械卡口變形或硫化接頭強度極低、生產工藝不達標或者過度磨損等，其中輸送帶橫截面受力不均，外加張力超出極限范圍，造成輸送帶瞬時張力降到零是最主要原因。

2、縱向撕裂

即輸送帶局部受力欠均勻造成其在縱向上出現破損的狀況。主要是因輸送帶運輸的原煤中會夾雜銳利、棱角分明的較大異物，增加了劃傷并刺穿輸送帶的風險。尤其是在落料口和轉運直角周邊，原煤中的異物掉落階段易被卡頓在導煤槽擋板、托輥架等處，其在運輸狀態中輸送的驅動下，異物被卡得越來越緊，最后穿透與撕裂輸送帶，嚴重時引起斷帶事故[1]。

3、打滑

打滑被定義成驅動滾筒和輸送帶轉速不匹配而發生的異常相對運動。輸送帶運行階段一旦突發打滑情況，一方面可能會造成輸送機因動力不夠而失效，還可能導致其因長期摩擦而造成溫度上升并超出極限，進而增加火災事故的發生率。此外，打滑還會加劇輸送帶的磨損程度、遭受較強沖擊后易發生疲勞性斷裂、發生下坡段“飛車”等事故。

4、堆煤

既往有煤礦生產實踐中證明，當毛煤內含水量>20%時，煤水混合物表現出黏稠狀的兩相流體，被叫做水煤。帶式輸送帶運輸階段，因為水煤與輸送帶之間的摩擦力偏小，外加受自身重力的作用影響，易被聚集在輸送機機尾。此外，粒度0～5mm碎煤由于自身流動性較強，受自體重力更易堆積在輸送機機尾，更易引起碎煤堆積事故。

二、巡檢機器人的結構設計

1、驅動系統

1.1傳動方案

（1）懸線式傳動：機器人利用行走輪卡在鋼絲繩上，鋼絲輪利用張緊輪實現張緊，張緊輪下方安置了張緊彈簧，彈簧為鋼絲繩提供預緊力，受張緊力作用使行走輪緊密包裹鋼絲繩，在驅動電機的作用下，在摩擦力作用下使機器人發出行走動作[2]。

（2）摩擦式傳動：導向輪、軌道和驅動輪為該系統的主要構成，將導向輪安裝在機器人軌道的上方，導向輪起到承重、輔助行走過程等作用、機器人依賴驅動輪與軌道兩者的摩擦去行走，對機器人行進過程起到良好的驅動作用。

（2）齒輪齒條傳動：摩擦式傳動是設計這種傳動方案的基礎。具體是在軌道上固定齒條，在電機、齒條嚙合雙重驅動下使巡檢機器人前進，其中齒輪齒條嚙合對機器人平穩運行過程能起到良好的保障性作用。和懸線式、摩擦式傳動相比較，齒輪齒條傳動的可靠性與精準度更高。機器人基于齒輪齒條傳動過程，即便是處于煤礦上地勢較復雜的工況中也能規避打滑問題，并且將巡檢機器本體安置在傳統系統下方，凸顯出占用空間較小、結構布置緊湊等特征。如果面對的是遠距離的巡檢任務，需要搭建機架，使機器人在機架上運動進而達到行走目的。在軌道下方安置齒條，這樣在小車與軌道之間齒輪齒條便能順利進行嚙合，等同于將一定夾緊力施加給齒輪齒條，顯著提升了嚙合本體的穩定性。

（3）抱索器：選擇哪種類型的抱索器直接影響著猴車的運動性質。應結合用戶的主觀需求選擇，大體上可以把抱索器分成如下兩個部分：一是碟簧式抱索器，這種抱索器有預緊力大、結構穩定、對大坡度環境表現出較高適用性等特點;另一種是活動抱索器，吊椅隨人走。適用坡度如下：V型適用于13°之下，能夠實現水平轉彎，吊架也很特別;卡鉗式等適用于20°之下。

（4）電氣系統：應用PLC控制，有自動啟、停車的功能，也有語音自動報警與對講系統;自帶過速、欠速、沿線緊急停車保護等;機尾布置了重錘限位保護設備。

1.2驅動設計

基于齒輪齒條傳動方案設計巡檢機器人。具體是利用電機座將直流電機固定在支撐底板上，和電機減速器相互連接，減速器和驅動齒輪相連接，配合使用了自驅動式傳動方式，這是巡檢機器人可靠運行的重要基礎 [3]。

為了使用機器人現場巡檢過程安全、可靠性得到保障及各類傳感器有效運作，應合理調控機器人的行進速度，移動速度一0.5m/s為宜。參照機器人現場作業環境，在選擇電機設備的型號時需精準測算出其正常工作狀態下的扭矩、啟動扭矩。對于礦上復雜地勢來說，工作及啟動扭矩是影響驅動電機最后選型結果的主要因素。

將驅動電機用在驅動巡檢機器人的行走過程（包括爬坡、加速、勻速運動等狀態），設計其最大行駛速度、加速度分別是0.5m/s、0.5m/s2。分析到礦上生產環境相對較復雜，查詢既有的機械設計手冊，最后選定的電機功率250W。電機是巡檢機器人的核心運動部件，其穩定性直接影響著機器人的穩定性能，結合穩定性要求，最后決定選擇型號Maxon RE 45的Maxon直流無刷電機，這種電機有結構簡單、運行可靠且高效等優勢，能夠利用電機控制器精準的調控電機的運轉速度。此外，和其他類型的電機相比較，直流無刷電機的密封性更好，能有效規避礦上粉塵對電機運行性能形成的不良影響，抗干擾能力處于較高水平。該型號的直流電機自帶斷電自鎖功能，礦上生產現場地勢復雜、顛簸，即便是突發斷電事件時巡檢機器人也不會出現溜車現象，借此方式使巡檢機器人運行的安全性得到更大保障。

2、整體結構設計

2.1本體結構

（1）導向機構：巡檢機器人主要依賴齒輪齒條實現傳動的，為確保整個運動過程的安穩性，設計一種導向機構有很大現實意義。本課題設計的導向輪機構，具體是將導向輪設計成凹槽形式，并利用螺栓和卡簧去固定軸承，一方面規避外界因素對軸承造成的污染，另一方面也確保了導向輪自體的自由轉動功能[4]。

從宏觀上，導向輪有內圈與外緣之分，前者主要用于輔助機器人行走過程，后者主要是對機器人進行限位，確保機器人僅能在前后方向運動。

（2）支撐底板：這是機器人主要的支撐結構之一。實踐中，要選擇韌性較高的材料去制造支撐底板。因為需將巡檢機器人懸吊在固定工字軌道上，故而選用的支撐底板不能過重。可以用 7075 鋁合金作為支撐底板的材料，其作為一種經冷處理的鍛壓合金，強度明顯高于軟鋼，密度卻是不銹鋼的1/3，結構緊湊，耐腐蝕性強，選用其作為巡檢機器人的支撐底板材料，一方面較好的滿足了機器人的性能要求，減輕機器人自重，另一方面還為后續安裝工作開展創造了便利。

（3）巡檢裝置：攝像頭組最大的功能是實時同步采集皮帶機的視、音頻數據，應用網絡將數據統一傳送到工控機，巡檢系統智能化分析后，能夠快速檢測皮帶機的狀態，獲得相應參數數據。利用無線網橋傳輸與皮帶機巡檢系統功能，針對皮帶機溫度過高等異常情況還能實現自動報警。本巡檢機器人系統正常工作使用環境條件如下：環境溫度-20℃～+40℃;周邊空氣相對濕度≤95%（+25℃）;大氣壓力80kPa～106kPa等。巡檢機器人兩端的光電開關有探測機器人是否遇到障礙物的功能，基于光電反應過程將數據傳送到工控機內，基于巡檢系統分析過程，能夠暫停運動或者轉向進行實現躲避障礙物的目標[5]。

（4）井下防爆裝置：在區域中容易形成與積聚爆炸性混合物的地點布置自動檢測裝置，當氣體或者蒸氣濃度接近爆炸下限值的50%時，要能可靠精準的傳送信號或者斷離電源;在機器人內部應采用消除或控制電氣設備線路生成火花、電弧或者高溫的方法。

3.2機器人機架

皮帶機在坡度是14°的斜坡上運轉，分析到現實工作環境的復雜性，維持機器人機架的自身的穩定性均有很大現實意義。

（1）合理選擇機架材料與型號：為了實現對機器人機架的輕量化設計，選擇鋁型材作為機架的整體骨架，輕量化、組裝模塊化是其普遍特征，能在很短暫時間內結束構件的組裝任務，且省去焊接流程，為后續施工與拆卸過程創造了便利條件。最后決定用80x80 系列鋁型材作為機架的主要構成部分[6]。

（2）設計工字鋁軌：利用鋁合金打造而成，表明經電化學處理后，有強度高、耐腐蝕性能強等特征。在工業領域中，工字鋁有十分廣泛的用途，時常被用作橫梁去承載重物。

（3）機架整體結構：在機架材料與型號選擇好，角件連接件設計工序整體結束后，就已經確定了承載機器人主要部件的具體參數，參照皮帶機與機器人攝像頭的實際高度確定各段機架的真實高度;依照機器人尺寸整體設計情況設定兩個相毗鄰工字鋁之間的距離。

三、系統軟件設計

1、系統功能

本課題設計的巡檢機器人系統主要被用在煤礦井下，其能對帶式輸送機運作全過程進行實時監測，防控發生輸送機故障問題，系統的功能主要有[7]：

（1）采集輸送機運行環境：輸送機運轉階段，在鋼絲繩的確定下，機器人裝置能順著輸送機的運轉方向做往返運動，利用機器人自體上的各類傳感器與攝像機去檢測輸送機的工作狀態、環境參數與實時圖像的呈現情況。

（2）存儲數據：利用地面監控終端設備能把機器人自體采集到的現場圖像、聲音、溫度等多種環境數據存儲至硬盤指定路線上，為相關人員分析、判斷數據等創造便利條件。

（3）呈現與切換圖像：本系統裝設了3個攝像機，能夠呈現出3路不同的視頻圖像，不僅能分別呈現3路攝像機的視頻圖像，還能分別呈現放大以后的各路視頻圖像。且第3路攝像機的視頻采集角度是可調控的，具備自動旋轉功能，視頻角度在120°范圍中可調節，有助于拓展監測范圍。

（4）故障報警：系統通過獲得機器人自體采集的現場溫度與煙霧信息，當判斷出檢測數據超出設計值時，即可傳送出報警信號，精準調控帶式輸送機的緊急停車過程。且為確保系統運行過程的安全性，不僅要為系統配置溫度、聲音等傳感器，還要調配PG編碼器、上下限位傳感器、緊急防爆開關等。不管是發出哪種報警信號，均會造成系統緊急停車;在故障問題被解除以后，按下事故復位按鈕，清除掉故障信號，便能夠重新啟動系統運行。

（5）檢修功能：這一功能主要是安裝、調試與檢修系統[8]。因為硬件限位為機器人自體通過停車開關、軟件限位以后的最后一道限位保護，故而當機器人本體越過硬件限位以后，一定要格外注意機器人本體的所處位置。正常運轉狀態下，要閉合檢修功能。

2、程序設計

基于STEP 7 MicroWIN SP9 V4.0的STL去編寫巡檢機器人系統軟件，S7-200 PLC作為硬件系統。參照系統功能設計情況，基于功能的差異可以將巡檢機器人系統軟件細化成如下四個部分：音視頻、本體牽引系統、輸送機運行及中斷程序。

結束語：

本文較為詳細的介紹了一種礦用帶式輸送機巡檢機器人系統的設計方法，本系統應用了巡檢機器人系統，能夠動態采集輸送機運行中形成的各種數據信息，及時探查到輸送機運行階段出現的各種異常狀況，一旦有問題就會及時發出預警信號并采用有效的處理方法，進而為輸送機實現安全生產提供更大的保障。本系統歷經各種試驗驗證，各項性能指標完全符合礦用現場生產需求，可以推廣應用。

參考文獻：

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[3]李浩峰. 勝利能源儲運中心研發的"帶式輸送機巡檢機器人"投用[J]. 神華科技，2019（4）：51-51.

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[5]趙建科. 煤礦井下煤流運輸系統自動化建設存在問題及解決思路[J]. 機械管理開發，2019，v.34;No.199（11）：297-298.

[6]侯海英. 皮帶機巡檢機器人控制系統的設計應用[J]. 科技經濟導刊，2020，v.28;No.706（08）：78-79.

[7]梁虎偉. 礦用帶式輸送機防爆無人巡檢智能機器人設計研究[J]. 礦業裝備，2020，No.111（03）：203-204.

[8]劉智. 變電站機器人巡檢系統管理創新與應用探析[J]. 科學與信息化，2019，000（025）：P.152-152.

作者簡介：鮑新平，1968年2月，男，漢族，江蘇省泰縣，大學本科，中級職稱，電氣工程及其自動化專業。