煤矿机器人井下自主快速安全充电方法研究

方崇全

（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037）

煤炭是我国的主要一次能源，我国的煤炭开采以井工开采为主，煤矿井下作业危险性高，各类安全事故困扰煤炭生产企业[1-2]，煤矿机器人是减少煤矿井下作业人员的有效措施[3]。为指导和促进煤矿机器人发展，国家煤矿安全监察局于2019年1月2日发布了《煤矿机器人重点研发目录》[4]。煤矿机器人特别是巡检机器人优选蓄电池供电[5-6]，电池组容量较大，当电池组电量不足时，需对电池组实现自动快速安全充电。2016版《煤矿安全规程》第四百八十五条规定使用蓄电池的设备充电应符合：“机车等移动设备需要在专用充电硐室或地面充电”，因此自主移动的煤矿机器人蓄电池应在专用充电硐室或者地面充电，距离地面较近的煤矿机器人，可以在地面充电，但远离地面数公里的煤矿机器人到地面充电，将影响煤矿机器人的工作效率。煤矿机器人蓄电池常见的充电方式可考虑有线充电和无线充电。煤矿井下有线充电具有可大电流快速充电等优点。有线充电宜采用隔爆型充电装置和隔爆型蓄电池。隔爆型充电装置和隔爆型蓄电池在对接状态、充电状态和分离状态均应保证形成独立的隔爆腔，在对接状态、充电状态和分离状态均有独立的安全闭锁机构，确保充电接口未可靠连接和充电隔爆腔未形成前，机器人及其充电装置的充电接口不带电，避免产生电弧、电火花和危险温度，引爆瓦斯。为满足现行的防爆电气设计准则（GB 3836标准)中的有关规定，充电接口需设计精密的隔爆结合面、复杂的机械锁定及电气闭锁机构[7-8]，产品安全一致性很难得到保证，实际应用过程中对隔爆对接控制精度和隔爆面保护的要求高，容易造成隔爆面损坏或无法有效结合，增加安全隐患并影响正常使用。文献[9]提出了煤矿机器人专业充电硐室的构想，设计了煤矿机器人井下智能岔轨及硐室内充电技术，机器人进入充电硐室后依靠接触式位置开关和硐室内的充电装置触碰，通过机械或者电磁吸合装置紧密接触形成安全可靠的隔爆腔，该构想采用的还是隔爆型充电装置对隔爆型蓄电池进行充电。针对无线充电方式，GB 3836.1—2010标准规定，对于Ⅰ类设备连续发射射频源的阈功率不应超过6 W[10]，且煤矿机器人井下无线充电的安全性还有待进一步评估[5]，煤矿井下无线充电不能满足机器人大功率快速安全充电的应用需求。

在分析现有煤矿机器人井下充电方式的基础上，提出煤矿井下电能与机械能相互转换的充电方法，机器人自主行走至充电站后，通过导向机构限位引导，机器人自带的发电机传动轴通过机械结构与充电站电动机的输出转轴连接，充电站的电动机将电能转换为机械能，由电动机带动发电机旋转发电，为机器人的蓄电池充电，由此可避免复杂的隔爆设计，保证煤矿机器人井下大功率快速充电的安全。

1 煤矿机器人井下充电系统

为实现煤矿机器人井下自主快速安全充电，设计了煤矿机器人充电系统，系统由煤矿机器人、煤矿机器人行走轨道及导向机构、充电站组成，煤矿机器人充电系统示意图如图1。

图1 煤矿机器人充电系统示意图Fig.1 Schematic diagram of coal mine robot charging system

煤矿机器人包括：蓄电池电源箱、行走机构、通信控制器、小型发电机、安装在发电机转轴上的旋转编码器和充电对接公头。蓄电池电源箱为机器人供电；行走机构带动机器人自主行走；通信控制器用于数据通信及机器人的行走控制；小型发电机通过充电对接公头与充电站对接母座机械连接，并通过机械旋转给蓄电池电源箱提供电能；旋转编码器采集发电机转轴的旋转角度，用于与充电站的电动机输出转轴精准对接。

煤矿机器人行走轨道及导向机构包括：吊挂行走轨道、导向滑槽及导向轮。机器人在吊挂轨道上行走，通过导向机构引导机器人沿限定的角度和方位驶向充电站，保障机器人与充电站的可靠对接。

充电站包括：安装在煤矿井下专用充电硐室的基座、变频电动机、旋转编码器、联轴器、充电对接母座、激光测距仪、充电控制器。安装在煤矿井下专用充电硐室的基座通过固定支撑架与机器人吊挂行走轨道刚性连接，用于保障充电过程中整个充电系统的稳定性。变频电动机固定安装在机器人行走轨道的端头，变频电动机的转轴后端安装旋转编码器，变频电动机的转轴前端安装联轴器和充电对接母座。在行走轨道上通过支架安装激光测距仪，指向机器人到来方向，用于机器人充电对接时距离的精确检测，判断机器人是否对接到位。充电控制器采集变频电动机上的旋转编码器和激光测距仪的数据，控制变频电动机旋转为机器人蓄电池电源箱提供电能，并通过无线通信与机器人的通信控制器交互信息。

充电对接公头和对接母座采用阻燃抗静电的改性尼龙加工制作，在保障机械传动强度的情况下，避免机器人对接及充电过程中碰撞产生火花。

充电站基座和行走轨道均与煤矿井下巷道水平面之间具有倾斜角度，且基座与煤矿井下巷道水平面之间的倾斜角度和行走轨道与煤矿井下巷道水平面之间的倾斜角度相同，依靠机器人自身的重力减少充电过程中电机旋转在轴向上的窜动影响。

2 煤矿机器人井下充电工作流程

煤矿机器人井下自主快速安全充电工作流程如图2。

图2 煤矿机器人充电工作流程图Fig.2 Working flow chart of coal mine robot charging

煤矿机器人在初始安装时通过人工调节的方式，使机器人的发电机与充电站的变频电动机完全对接，机器人的通信控制器和充电站控制器分别记录发电机及电动机的旋转编码器角度信息并保存，这些初始角度信息将用于机器人自主对接时转轴的角度控制。

煤矿机器人在巡检过程中，其通信控制器实时监测机器人蓄电池电源箱的当前剩余电能W1，实时计算机器人离开充电站的距离，并计算从当前位置返回充电站所需的电能W2，当W1逐渐接近W2时（依据电池充电效率，实际应用时可以考虑富余量，如W1=1.1W2），机器人驶向充电站。机器人在进入专用充电硐室的充电站导向机构前减速，机器人通信控制器与充电站控制器通信，采集机器人发电机的编码器角度信息并实时传输给充电站控制器，充电站控制器调整变频电动机的角度，使其与发电机转轴的角度一致，以保障发电机与变频电动机精准对接。充电站控制器通过激光测距仪实时测量发电机与变频电动机的距离，当充电站控制器检测到发电机与变频电动机完全对接时，控制变频电动机全速旋转，发电机开始为蓄电池电源箱充电。机器人通信控制器实时监测蓄电池电源箱的电能W3，当蓄电池电源箱充满时，通知充电控制器停止充电，变频电动机停止旋转。机器人沿轨道反向移动，驶离充电站，继续开始下一轮巡检。

3 试验验证

为验证电能与机械能相互转换充电方法的实用性及安全性，在中煤科工集团重庆研究院的带式输送机实验室搭建了机器人试验平台。充电试验图片如图3。

图3 充电试验图片Fig.3 Charging test picture

电动机选用YBBP-90L-2-2.2 kW隔爆型变频调速三相异步电动机，额定输出功率2.2 kW，发电机选用FB-800/24Y隔爆型永磁发电机，额定输出功率800 W，通过发电机调节器输出42 V直流电源。测试时环境温度23℃，电动机与发电机之间通过阻燃抗静电的改性尼龙对接公头和母座连接，测试时发电机经调节器输出最大功率为892 W，发电机满负荷工作4 h后，电动机温度46.3℃，发电机温度52.7℃，发电机与电动机机械对接旋转机构的表面温度43.5℃，不超过现行的GB 3836—2010防爆国家标准规定的最高表面温度150℃的要求。

4 结 语

煤矿机器人优选蓄电池供电，煤矿机器人蓄电池井下充电方法可采用电能转换为机械能，再将机械能转换为电能的方法，机器人与充电站之间采用无电弧、火花、温度危险的机械连接，避免了机器人与充电站之间直接电气连接在隔爆设计上的诸多问题，该方法与煤矿井下无线充电方法相比，能提供大功率充电能量，可用于煤矿机器人蓄电池快速安全充电。设计了煤矿机器人井下自主充电系统，试验表明在电动机额定功率2.2 kW情况下，发电机输出功率大于800 W。设计的充电系统简单、可靠，为煤矿机器人井下自主快速安全充电提供了一种新的方法，后续研究可进一步提高充电能量转换效率。