礦井帶式輸送機(jī)故障巡檢機(jī)器人系統(tǒng)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(jī)運(yùn)行故障傳統(tǒng)檢測方法暴露出的勞動(dòng)強(qiáng)度大、可靠性偏差等問題，作出了一種帶式輸送機(jī)故障巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。本文的論述思路如下：首先闡述帶式輸送機(jī)運(yùn)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(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分別設(shè)計(jì);最后從系統(tǒng)功能、程序規(guī)劃兩大方面探究機(jī)器人系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法，以供同行參考借鑒。

關(guān)鍵詞：礦井;帶式輸送機(jī);故障;巡檢機(jī)器人;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

礦井下有作業(yè)環(huán)境惡劣、粉塵濃度較高、空氣濕度大等特征，帶式輸送機(jī)運(yùn)輸階段時(shí)常發(fā)生打滑、撕裂、異常磨耗等異常狀況。既往為確保輸送機(jī)運(yùn)行過程安全可靠，需要指派工作人員定時(shí)進(jìn)行巡視檢查，這種傳統(tǒng)方法盡管能提升輸送機(jī)安全運(yùn)行的保障能力，但也存在著勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全風(fēng)險(xiǎn)因素多級(jí)巡檢效果不夠穩(wěn)定等不足。近些年，國家相關(guān)部門大力倡導(dǎo)建設(shè)智能礦井功能，各種智能化裝置逐漸被用在礦井生產(chǎn)領(lǐng)域中，尤其是無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等為輸送機(jī)故障巡檢機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)、應(yīng)用提供了優(yōu)勢條件。本文主要探究該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)相關(guān)問題。

一、帶式輸送機(jī)常見故障類型與成因

1、橫向斷裂

帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸距離相對較長，要把全部的輸送帶銜接成環(huán)形，利用機(jī)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(qiáng)度偏低的實(shí)際情況，其損壞的風(fēng)險(xiǎn)相對較高，故而接頭通常被認(rèn)定是一條輸送帶最薄弱的位置，是橫向斷裂問題的高發(fā)位置。這種問題的成因較多，比如輸送帶機(jī)械卡口變形或硫化接頭強(qiáng)度極低、生產(chǎn)工藝不達(dá)標(biāo)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(shí)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(xiàn)破損的狀況。主要是因輸送帶運(yùn)輸?shù)脑褐袝?huì)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(fēng)險(xiǎn)。尤其是在落料口和轉(zhuǎn)運(yùn)直角周邊，原煤中的異物掉落階段易被卡頓在導(dǎo)煤槽擋板、托輥架等處，其在運(yùn)輸狀態(tài)中輸送的驅(qū)動(dòng)下，異物被卡得越來越緊，最后穿透與撕裂輸送帶，嚴(yán)重時(shí)引起斷帶事故[1]。

3、打滑

打滑被定義成驅(qū)動(dòng)滾筒和輸送帶轉(zhuǎn)速不匹配而發(fā)生的異常相對運(yùn)動(dòng)。輸送帶運(yùn)行階段一旦突發(fā)打滑情況，一方面可能會(huì)造成輸送機(jī)因動(dòng)力不夠而失效，還可能導(dǎo)致其因長期摩擦而造成溫度上升并超出極限，進(jìn)而增加火災(zāi)事故的發(fā)生率。此外，打滑還會(huì)加劇輸送帶的磨損程度、遭受較強(qiáng)沖擊后易發(fā)生疲勞性斷裂、發(fā)生下坡段“飛車”等事故。

4、堆煤

既往有煤礦生產(chǎn)實(shí)踐中證明，當(dāng)毛煤內(nèi)含水量>20%時(shí)，煤水混合物表現(xiàn)出黏稠狀的兩相流體，被叫做水煤。帶式輸送帶運(yùn)輸階段，因?yàn)樗号c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(jī)機(jī)尾。此外，粒度0～5mm碎煤由于自身流動(dòng)性較強(qiáng)，受自體重力更易堆積在輸送機(jī)機(jī)尾，更易引起碎煤堆積事故。

二、巡檢機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1.1傳動(dòng)方案

（1）懸線式傳動(dòng)：機(jī)器人利用行走輪卡在鋼絲繩上，鋼絲輪利用張緊輪實(shí)現(xiàn)張緊，張緊輪下方安置了張緊彈簧，彈簧為鋼絲繩提供預(yù)緊力，受張緊力作用使行走輪緊密包裹鋼絲繩，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的作用下，在摩擦力作用下使機(jī)器人發(fā)出行走動(dòng)作[2]。

（2）摩擦式傳動(dòng)：導(dǎo)向輪、軌道和驅(qū)動(dòng)輪為該系統(tǒng)的主要構(gòu)成，將導(dǎo)向輪安裝在機(jī)器人軌道的上方，導(dǎo)向輪起到承重、輔助行走過程等作用、機(jī)器人依賴驅(qū)動(dòng)輪與軌道兩者的摩擦去行走，對機(jī)器人行進(jìn)過程起到良好的驅(qū)動(dòng)作用。

（2）齒輪齒條傳動(dòng)：摩擦式傳動(dòng)是設(shè)計(jì)這種傳動(dòng)方案的基礎(chǔ)。具體是在軌道上固定齒條，在電機(jī)、齒條嚙合雙重驅(qū)動(dòng)下使巡檢機(jī)器人前進(jìn)，其中齒輪齒條嚙合對機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)行過程能起到良好的保障性作用。和懸線式、摩擦式傳動(dòng)相比較，齒輪齒條傳動(dòng)的可靠性與精準(zhǔn)度更高。機(jī)器人基于齒輪齒條傳動(dòng)過程，即便是處于煤礦上地勢較復(fù)雜的工況中也能規(guī)避打滑問題，并且將巡檢機(jī)器本體安置在傳統(tǒng)系統(tǒng)下方，凸顯出占用空間較小、結(jié)構(gòu)布置緊湊等特征。如果面對的是遠(yuǎn)距離的巡檢任務(wù)，需要搭建機(jī)架，使機(jī)器人在機(jī)架上運(yùn)動(dòng)進(jìn)而達(dá)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(jìn)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(wěn)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(yùn)動(dòng)性質(zhì)。應(yīng)結(jié)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(gè)部分：一是碟簧式抱索器，這種抱索器有預(yù)緊力大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、對大坡度環(huán)境表現(xiàn)出較高適用性等特點(diǎn);另一種是活動(dòng)抱索器，吊椅隨人走。適用坡度如下：V型適用于13°之下，能夠?qū)崿F(xiàn)水平轉(zhuǎn)彎，吊架也很特別;卡鉗式等適用于20°之下。

（4）電氣系統(tǒng)：應(yīng)用PLC控制，有自動(dòng)啟、停車的功能，也有語音自動(dòng)報(bào)警與對講系統(tǒng);自帶過速、欠速、沿線緊急停車保護(hù)等;機(jī)尾布置了重錘限位保護(hù)設(shè)備。

1.2驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

基于齒輪齒條傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)巡檢機(jī)器人。具體是利用電機(jī)座將直流電機(jī)固定在支撐底板上，和電機(jī)減速器相互連接，減速器和驅(qū)動(dòng)齒輪相連接，配合使用了自驅(qū)動(dòng)式傳動(dòng)方式，這是巡檢機(jī)器人可靠運(yùn)行的重要基礎(chǔ) [3]。

為了使用機(jī)器人現(xiàn)場巡檢過程安全、可靠性得到保障及各類傳感器有效運(yùn)作，應(yīng)合理調(diào)控機(jī)器人的行進(jìn)速度，移動(dòng)速度一0.5m/s為宜。參照機(jī)器人現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，在選擇電機(jī)設(shè)備的型號(hào)時(shí)需精準(zhǔn)測算出其正常工作狀態(tài)下的扭矩、啟動(dòng)扭矩。對于礦上復(fù)雜地勢來說，工作及啟動(dòng)扭矩是影響驅(qū)動(dòng)電機(jī)最后選型結(jié)果的主要因素。

將驅(qū)動(dòng)電機(jī)用在驅(qū)動(dòng)巡檢機(jī)器人的行走過程（包括爬坡、加速、勻速運(yùn)動(dòng)等狀態(tài)），設(shè)計(jì)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(chǎn)環(huán)境相對較復(fù)雜，查詢既有的機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，最后選定的電機(jī)功率250W。電機(jī)是巡檢機(jī)器人的核心運(yùn)動(dòng)部件，其穩(wěn)定性直接影響著機(jī)器人的穩(wěn)定性能，結(jié)合穩(wěn)定性要求，最后決定選擇型號(hào)Maxon RE 45的Maxon直流無刷電機(jī)，這種電機(jī)有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠且高效等優(yōu)勢，能夠利用電機(jī)控制器精準(zhǔn)的調(diào)控電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。此外，和其他類型的電機(jī)相比較，直流無刷電機(jī)的密封性更好，能有效規(guī)避礦上粉塵對電機(jī)運(yùn)行性能形成的不良影響，抗干擾能力處于較高水平。該型號(hào)的直流電機(jī)自帶斷電自鎖功能，礦上生產(chǎn)現(xiàn)場地勢復(fù)雜、顛簸，即便是突發(fā)斷電事件時(shí)巡檢機(jī)器人也不會(huì)出現(xiàn)溜車現(xiàn)象，借此方式使巡檢機(jī)器人運(yùn)行的安全性得到更大保障。

2、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1本體結(jié)構(gòu)

（1）導(dǎo)向機(jī)構(gòu)：巡檢機(jī)器人主要依賴齒輪齒條實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的，為確保整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程的安穩(wěn)性，設(shè)計(jì)一種導(dǎo)向機(jī)構(gòu)有很大現(xiàn)實(shí)意義。本課題設(shè)計(jì)的導(dǎo)向輪機(jī)構(gòu)，具體是將導(dǎo)向輪設(shè)計(jì)成凹槽形式，并利用螺栓和卡簧去固定軸承，一方面規(guī)避外界因素對軸承造成的污染，另一方面也確保了導(dǎo)向輪自體的自由轉(zhuǎn)動(dòng)功能[4]。

從宏觀上，導(dǎo)向輪有內(nèi)圈與外緣之分，前者主要用于輔助機(jī)器人行走過程，后者主要是對機(jī)器人進(jìn)行限位，確保機(jī)器人僅能在前后方向運(yùn)動(dòng)。

（2）支撐底板：這是機(jī)器人主要的支撐結(jié)構(gòu)之一。實(shí)踐中，要選擇韌性較高的材料去制造支撐底板。因?yàn)樾鑼⒀矙z機(jī)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?？梢杂?7075 鋁合金作為支撐底板的材料，其作為一種經(jīng)冷處理的鍛壓合金，強(qiáng)度明顯高于軟鋼，密度卻是不銹鋼的1/3，結(jié)構(gòu)緊湊，耐腐蝕性強(qiáng)，選用其作為巡檢機(jī)器人的支撐底板材料，一方面較好的滿足了機(jī)器人的性能要求，減輕機(jī)器人自重，另一方面還為后續(xù)安裝工作開展創(chuàng)造了便利。

（3）巡檢裝置：攝像頭組最大的功能是實(shí)時(shí)同步采集皮帶機(jī)的視、音頻數(shù)據(jù)，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳送到工控機(jī)，巡檢系統(tǒng)智能化分析后，能夠快速檢測皮帶機(jī)的狀態(tài)，獲得相應(yīng)參數(shù)數(shù)據(jù)。利用無線網(wǎng)橋傳輸與皮帶機(jī)巡檢系統(tǒng)功能，針對皮帶機(jī)溫度過高等異常情況還能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警。本巡檢機(jī)器人系統(tǒng)正常工作使用環(huán)境條件如下：環(huán)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(jī)器人兩端的光電開關(guān)有探測機(jī)器人是否遇到障礙物的功能，基于光電反應(yīng)過程將數(shù)據(jù)傳送到工控機(jī)內(nèi)，基于巡檢系統(tǒng)分析過程，能夠暫停運(yùn)動(dòng)或者轉(zhuǎn)向進(jìn)行實(shí)現(xiàn)躲避障礙物的目標(biāo)[5]。

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

3.2機(jī)器人機(jī)架

皮帶機(jī)在坡度是14°的斜坡上運(yùn)轉(zhuǎn)，分析到現(xiàn)實(shí)工作環(huán)境的復(fù)雜性，維持機(jī)器人機(jī)架的自身的穩(wěn)定性均有很大現(xiàn)實(shí)意義。

（1）合理選擇機(jī)架材料與型號(hào)：為了實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人機(jī)架的輕量化設(shè)計(jì)，選擇鋁型材作為機(jī)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(shí)間內(nèi)結(jié)束構(gòu)件的組裝任務(wù)，且省去焊接流程，為后續(xù)施工與拆卸過程創(chuàng)造了便利條件。最后決定用80x80 系列鋁型材作為機(jī)架的主要構(gòu)成部分[6]。

（2）設(shè)計(jì)工字鋁軌：利用鋁合金打造而成，表明經(jīng)電化學(xué)處理后，有強(qiáng)度高、耐腐蝕性能強(qiáng)等特征。在工業(yè)領(lǐng)域中，工字鋁有十分廣泛的用途，時(shí)常被用作橫梁去承載重物。

（3）機(jī)架整體結(jié)構(gòu)：在機(jī)架材料與型號(hào)選擇好，角件連接件設(shè)計(jì)工序整體結(jié)束后，就已經(jīng)確定了承載機(jī)器人主要部件的具體參數(shù)，參照皮帶機(jī)與機(jī)器人攝像頭的實(shí)際高度確定各段機(jī)架的真實(shí)高度;依照機(jī)器人尺寸整體設(shè)計(jì)情況設(shè)定兩個(gè)相毗鄰工字鋁之間的距離。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1、系統(tǒng)功能

本課題設(shè)計(jì)的巡檢機(jī)器人系統(tǒng)主要被用在煤礦井下，其能對帶式輸送機(jī)運(yùn)作全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，防控發(fā)生輸送機(jī)故障問題，系統(tǒng)的功能主要有[7]：

（1）采集輸送機(jī)運(yùn)行環(huán)境：輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)階段，在鋼絲繩的確定下，機(jī)器人裝置能順著輸送機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向做往返運(yùn)動(dòng)，利用機(jī)器人自體上的各類傳感器與攝像機(jī)去檢測輸送機(jī)的工作狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)與實(shí)時(shí)圖像的呈現(xiàn)情況。

（2）存儲(chǔ)數(shù)據(jù)：利用地面監(jiān)控終端設(shè)備能把機(jī)器人自體采集到的現(xiàn)場圖像、聲音、溫度等多種環(huán)境數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至硬盤指定路線上，為相關(guān)人員分析、判斷數(shù)據(jù)等創(chuàng)造便利條件。

（3）呈現(xiàn)與切換圖像：本系統(tǒng)裝設(shè)了3個(gè)攝像機(jī)，能夠呈現(xiàn)出3路不同的視頻圖像，不僅能分別呈現(xiàn)3路攝像機(jī)的視頻圖像，還能分別呈現(xiàn)放大以后的各路視頻圖像。且第3路攝像機(jī)的視頻采集角度是可調(diào)控的，具備自動(dòng)旋轉(zhuǎn)功能，視頻角度在120°范圍中可調(diào)節(jié)，有助于拓展監(jiān)測范圍。

（4）故障報(bào)警：系統(tǒng)通過獲得機(jī)器人自體采集的現(xiàn)場溫度與煙霧信息，當(dāng)判斷出檢測數(shù)據(jù)超出設(shè)計(jì)值時(shí)，即可傳送出報(bào)警信號(hào)，精準(zhǔn)調(diào)控帶式輸送機(jī)的緊急停車過程。且為確保系統(tǒng)運(yùn)行過程的安全性，不僅要為系統(tǒng)配置溫度、聲音等傳感器，還要調(diào)配PG編碼器、上下限位傳感器、緊急防爆開關(guān)等。不管是發(fā)出哪種報(bào)警信號(hào)，均會(huì)造成系統(tǒng)緊急停車;在故障問題被解除以后，按下事故復(fù)位按鈕，清除掉故障信號(hào)，便能夠重新啟動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行。

（5）檢修功能：這一功能主要是安裝、調(diào)試與檢修系統(tǒng)[8]。因?yàn)橛布尬粸闄C(jī)器人自體通過停車開關(guān)、軟件限位以后的最后一道限位保護(hù)，故而當(dāng)機(jī)器人本體越過硬件限位以后，一定要格外注意機(jī)器人本體的所處位置。正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，要閉合檢修功能。

2、程序設(shè)計(jì)

基于STEP 7 MicroWIN SP9 V4.0的STL去編寫巡檢機(jī)器人系統(tǒng)軟件，S7-200 PLC作為硬件系統(tǒng)。參照系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)情況，基于功能的差異可以將巡檢機(jī)器人系統(tǒng)軟件細(xì)化成如下四個(gè)部分：音視頻、本體牽引系統(tǒng)、輸送機(jī)運(yùn)行及中斷程序。

結(jié)束語：

本文較為詳細(xì)的介紹了一種礦用帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，本系統(tǒng)應(yīng)用了巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，能夠動(dòng)態(tài)采集輸送機(jī)運(yùn)行中形成的各種數(shù)據(jù)信息，及時(shí)探查到輸送機(jī)運(yùn)行階段出現(xiàn)的各種異常狀況，一旦有問題就會(huì)及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)并采用有效的處理方法，進(jìn)而為輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)提供更大的保障。本系統(tǒng)歷經(jīng)各種試驗(yàn)驗(yàn)證，各項(xiàng)性能指標(biāo)完全符合礦用現(xiàn)場生產(chǎn)需求，可以推廣應(yīng)用。

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作者簡介：鮑新平，1968年2月，男，漢族，江蘇省泰縣，大學(xué)本科，中級(jí)職稱，電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)。