煤礦井下帶式輸送機巡檢機器人技術的研究與應用

董晉國

（華晉焦煤有限責任公司沙曲一號煤礦，山西 柳林 033300）

0 引言

煤礦井下帶式輸送機是運輸煤礦物資的主要的方式，但是帶式輸送機容易出現打滑、撕裂、驅動裝置異常等故障，如果不能及時發現并排除，會嚴重影響煤礦井下作業的安全，甚至可能出現安全事故。對此，需要專門設計巡檢機器人，能夠適應煤礦井下惡劣的工作環境，并能負責對帶式輸送機的巡檢工作，及時完成故障定位，方便維修人員快速進行維修，保障煤礦井下物資輸送的效率和安全。

1 煤礦井下帶式輸送機常見故障分析

1.1 輸送帶故障

1.1.1 輸送帶打滑

輸送帶打滑是輸送帶運行中輸送帶和滾筒之間沒有足夠的摩擦力導致出現相對滑動，是帶式輸送機的主要失效形式。導致打滑出現的原因包括輸送帶的緊張程度不足、運行阻力過大、摩擦系數降低等[1]。如果發生打滑的情況，將會降低傳送帶的傳動力，而且也會由于摩擦生熱導致火災。

1.1.2 輸送帶跑偏

帶式輸送機運行過程中，如果輸送帶運行方向的中心線和機架固有中心線不重合，就是出現了跑偏的問題。跑偏出現的原因來自膠帶所受到的合力和機架的中心線存在偏離，如果機架不平、落料不均勻等情況，都會導致受力不平衡的情況出現。跑偏出現后會導致輸送帶嚴重磨損，物料會撒下輸送帶，如果發現不及時，也會導致安全事故。

1.1.3 縱向撕裂

膠帶沿著運動方向出現撕裂的情況就是縱向撕裂，出現縱向撕裂的主要原因來自膠帶的負荷過高，產生了縱向裂紋并出現擴張，或者膠帶存在磨損問題，也會導致撕裂。如果物料中存在尖銳異物將會導致膠帶被刺穿，甚至會影響整條膠帶的運行。縱向撕裂一般在落料口的位置出現，如果不及時解決會導致整條輸送帶受損，造成嚴重的安全問題[2]。

1.2 驅動裝置異常

由于井下存在比較惡劣的運行環境，因此輸送帶的驅動裝置也會受到一定影響并出現故障。驅動裝置故障后，將會嚴重影響輸送帶的運行，十分不利于煤礦的生產。

1.2.1 電機發熱

帶式輸送機的電機可能會由于超載、散熱不足、傳動系統潤滑不足等因素導致電機過熱，一旦電機過熱問題嚴重，將會引發火災，威脅煤礦的安全。目前電機溫度常用測量方法包括溫度計法、電阻法等等。如果電機在運行時出現過流、振動等異常情況，也會出現過熱的問題[3]。

1.2.2 減速機故障

減速機可能會出現齒輪、軸承磨損的問題，并且會伴隨異常的振動和噪聲。通常減速機在高速軸位置設置，如果減速機的強度不足，存在選用余量小的情況，以及存在高速軸不同心的問題，都會導致斷軸現象的出現，嚴重時甚至會導致減速機報廢[4]。

1.3 托輥和機架故障

帶式輸送機的托輥故障包括托輥運轉不靈和托輥損壞。運轉不靈出現時，可能會出現卡死的情況，或者造成膠帶摩擦過熱，如果機器高溫也有可能產生火花。托輥的結構損壞包括輥體的磨損、斷裂、軸承失效等情況。由于井下的環境復雜，托輥在濕度比較大、粉塵較多的環境中會產生腐蝕問題，經過長時間摩擦之后將會導致結構出現異響，以及出現載荷失效的問題。

2 巡檢機器人控制系統

巡檢機器人需要監控帶式輸送機的工作狀態，通過巡檢發現帶式輸送機日常工作中的問題，同時檢測設備也要具備一定的診斷功能，可以初步確定帶式輸送機的具體故障，方便工人開展快速檢修。機器人的控制系統包括驅動器、移動機構、控制板、中央控制單元，根據通信需求，還需要專門配置無線通信單元[5]。巡檢機器人應保持和地面控制站的聯絡，同時地面控制站也要具備對巡檢機器人進行遠程控制的功能，所以需要配置專門的計算機負責遠程控制工作，以及設立數據庫記錄巡檢機器人的運行數據和儲存對帶式輸送機的監控數據。巡檢機器人日常工作中，可以采取自行驅動、遠程控制、遠程手動控制三種方式，根據工作需求可以對控制方式自行切換。

3 煤礦井下帶式輸送機巡檢機器人系統研究

3.1 巡檢機器人系統總體結構與功能

3.1.1 工作環境

巡檢機器主要在煤礦井下輸送機運輸想到內工作，由于煤礦的環境非常復雜，具有非常強的非結構化特點，所以巡檢機器人必須適應多變的路徑，而且具有加大的工作面積。比如需要避讓和跨越臺階、石塊、排水溝等障礙物。同時由于井下環境特殊而且濕度非常大，存在一定的有害氣體、易爆炸氣體，巡檢機器人必須具有極高的穩定性[6]。井下運行過程中，干擾信號比較多，所以機器人應該具備較強的抗干擾能力，避免運行出現錯誤。

3.1.2 設計原則分析

煤礦井下的環境比較惡劣，在選擇硬件時就要充分考慮井下特殊的環境要求，根據現場狀況選擇控制方式和移動方式，確保機器人能實現長距離高效巡檢工作。機器人首先需要具備較強的適應性，能克服周圍不穩定環境對機器人的影響，以合適的機械結構運行和行走，通過緊湊的結構，滿足狹小空間和地形的工作需求。其次必須具備較強可靠性，由于機器人在運行時很容易受到環境影響，比如需要進行專門的防爆設計，以及設計其他的防護措施。為了保證工作效率，應該充分利用無人操作技術和智能控制技術，實現無人化、智能化巡檢，滿足對輸送機故障的診斷需求[7]。為了適應不同功能的需要，對巡檢機器人也要采取模塊化設計，根據多種不同功能設計專門的模塊。由于現場空間小，巡檢機器人也不能出現過多的布線，而是要減少現場接線，降低安裝和布置的難度。

3.1.3 系統總體結構設計

巡檢機器人的系統包括巡檢移動機構、通信系統、地上監控后臺控制系統三個部分。巡檢移動機構包括機器人的本體，該機構可以對機器人的活動進行供能、采集包括溫度、氣體濃度、視頻圖像、聲音等數據，還包括定位系統；通信系統中包括無線通信模塊、針對煤礦開發的礦用無線基站、交換機；后臺監控系統包括數據庫、視頻監控系統、智能診斷系統、數據顯示系統。巡檢機器人的各個部分需要保持配合，確保協同作業的效果。在巡檢機構上要等距安裝多個機器人本體裝置，避免單個機器人長時間工作增加故障概率以及造成信息滯后等問題。通過該設計可以實現集中監控和故障預警，快速完成對井下各項數據的分析。

3.2 帶式輸送機巡檢機器人機構設計

3.2.1 機構性能分析

巡檢機器人的機構設計中需要保證多種技術的綜合應用，滿足對機構的可靠性、穩定性、維修便捷性的需求。機器人的移動機構是巡檢機器人行動的載體，其運行穩定性決定機器人日常工作的正常進行。結合帶式輸送機構的特點分析，巡檢機器人的單程長度一般控制在3km，并保證運行中的最大坡度在20°以內，機構的質量應控制在40kg 以內，通過緊湊的設計保證機器人的平穩運行。由于井下的工作環境特殊，具有粉塵較多、濕度高、危險氣體含量高的特點，在巡檢機器人設計中應該充分結合環境開展設計工作，保障機器人具備防銹、抗壓、抗疲勞的特點[8]。

3.2.2 巡檢裝置本體

煤礦用帶式輸送巡檢機器人所擁有的工作空間比較小，因此設計中對機器人的整體尺寸限制比較大，必須使用盡可能緊湊的設計，控制機器人的體積。巡檢裝置的箱體結構是巡檢機器人的搭載平臺，可以給機器人的主體結構提供支撐。箱體材料應優先考慮鋁合金，在有效控制機器人重量的情況下也滿足箱體結構強度的需求，機器人應該優先設計成圓柱體，結構包括主控倉和電池倉。箱體制造經過切割、焊接等工序，和巡檢機構相連，并在移動機構的驅動沿著帶式輸送機進行巡檢工作。巡檢裝置本體是整個礦用帶式輸送機巡檢機器人的核心構成部分，能夠完成數據采集工作，以及進行帶式輸送機的運行狀態監控，向遠程監控系統傳輸監控數據。

3.2.3 巡檢機器人移動機構設計

巡檢機器人的移動機構是機器人的基礎之一，在設計移動機構時，應充分考慮巡檢機器人所處的運行環境，并根據環境特點設計移動機構。履帶式行走機構的地形適應能力最強，能夠滿足煤礦井下的翻越障礙要求，但是結合后期調研分析，由于煤礦井下的空間很小，而履帶式機移動機構的體積相對較大，因此在巡檢機器人運行時，履帶機器人的避障能力會下降很多，對路徑規劃會有更為嚴格的要求，不僅會限制機器人的巡檢速度，還會直接增加機器人的能量消耗。為此應采取架空式的巡檢機器人。可以使用無極繩牽引機構控制機器人的反復運動，通過在鋪設好的軌道上運動，進行主動輪和從動輪的配合，采取直流電驅動電機的運轉。

3.3 帶式輸送機巡檢機器人通信系統設計

通信系統是巡檢機器人最核心的功能模塊之一是需要保證將帶式輸送機的巡檢信息向地面監控中心實時同步，并建立起信息化系統，提升整個控制系統的信息化水平。在通信方案的設計中，應考慮巡檢機器人采集到的數據需選擇合適的方式輸送給上位機，信息的輸送方式包括有線傳輸和無線傳輸。有線傳輸具有更高的信號穩定性，而且抗干擾能力很強，但是巡檢機器人在巡檢工作中會不斷移動，而且運行的距離比較遠，使用有線傳輸會增加電纜的鋪設難度。無線傳輸更為靈活，適合巡檢機器人這類移動設備傳輸數據。由于煤礦井下需要解決傳輸過程中的信號干擾問題，以及滿足傳輸速率、傳輸距離、組網性能、功耗控制的需求，所以在選擇無線傳輸技術時，對性能要求較高[9]。目前使用Wi-Fi 技術具有組網方便、適應能力強、傳輸速度快的特點，能比較好地滿足傳輸距離的要求。通信過程中，Wi-Fi 模塊也能快速實現無線設備的訪問。巡檢機器人的內部需要專門設置無線傳輸模塊，確保巡檢機器人可以作為信號的接收端和發射端，通過信息的多次傳遞，保證信息能及時傳送到地面工作站。

3.4 巡檢機器人供能與定位系統研究

巡檢機器人的定位系統基于RFID 系統，如果巡檢機器人發現了托輥故障、輸送帶故障，就會提醒工作人員進行故障檢修。由于在輸送帶沒有停機之前，巡檢機器人和輸送帶都是實時移動的，在檢測到故障點之后，已經移動到其他的位置。為了能實現對故障的定位，可以根據RFID 系統進行巡檢定位工作。在工作范圍內，讀寫器產生的電磁場將以能量的形式發送給無源電子標簽，電子標簽產生的感應電流后發射儲存信息，讀寫器就能對標簽的數據進行解碼處理。使用RFID 的優勢在于掃描的識別精度很高，能夠根據需要靈活配置，而且擁有較大的數據儲存量，同時耐腐蝕性很強，可以適應煤礦井下惡劣的工作環境。

3.5 巡檢機器人充電系統設計

煤礦用帶式輸送機巡檢機器人使用蓄電池對設備進行供電，由于系統內會有多臺巡檢機器人同時工作，必須保證每一個蓄電池都能滿足巡檢工作要求。多數機器人都采用直接接觸的方式充電，這種方式存在機械磨損較高、接觸不良等問題，容易加快充電裝置的磨損，以及導致充電失敗。使用充電閉鎖裝置的充電效率很高，但是難度比較大，而且插電也存在一定的安全隱患。使用無線充電技術相對更為便捷和安全，結合巡檢機器人工作環境以及工作狀況，應優先使用無線充電技術進行沖概念。根據充電技術要求，所選擇的無線充電技術需要具備一定傳輸距離，以及具備較高的能量利用率，因此需要優先采用磁耦合諧振式無線電能傳輸技術進行無線充電工作。

4 結語

巡檢機器人對帶式輸送機的穩定運行有著十分重要的作用，因此設計中需要考慮帶式輸送機的工作特點、井下環境，采取合理方法加強巡檢機器人和輸送機之間的配合。通過運動系統和監控系統分開供電，根據井下通信的需求選擇通信系統，加強緊湊布局，可以解決巡檢機器人工作中的問題，為及時發現帶式輸送機故障提供有效支持。