矿井带式输送机故障巡检机器人系统的思考研究

鲍新平 陈太光 何勇 冯磊

摘要：为处理带式输送机运行故障传统检测方法暴露出的劳动强度大、可靠性偏差等问题，作出了一种带式输送机故障巡检机器人系统设计方案。本文的论述思路如下：首先阐述带式输送机运行阶段的常见问题与具体成因，包括输送带横向断裂、打滑、堆煤等;其次对巡检机器人驱动系统、整體结构进行分别设计;最后从系统功能、程序规划两大方面探究机器人系统的软件设计方法，以供同行参考借鉴。

关键词：矿井;带式输送机;故障;巡检机器人;系统设计

引言

矿井下有作业环境恶劣、粉尘浓度较高、空气湿度大等特征，带式输送机运输阶段时常发生打滑、撕裂、异常磨耗等异常状况。既往为确保输送机运行过程安全可靠，需要指派工作人员定时进行巡视检查，这种传统方法尽管能提升输送机安全运行的保障能力，但也存在着劳动强度大、安全风险因素多级巡检效果不够稳定等不足。近些年，国家相关部门大力倡导建设智能矿井功能，各种智能化装置逐渐被用在矿井生产领域中，尤其是无线网络构建等为输送机故障巡检机器人系统开发、应用提供了优势条件。本文主要探究该系统结构、软件设计相关问题。

一、带式输送机常见故障类型与成因

1、横向断裂

带式输送机的运输距离相对较长，要把全部的输送带衔接成环形，利用机械卡口固定或热硫化接头法去处理输送带接头。鉴于输送带接头强度偏低的实际情况，其损坏的风险相对较高，故而接头通常被认定是一条输送带最薄弱的位置，是横向断裂问题的高发位置。这种问题的成因较多，比如输送带机械卡口变形或硫化接头强度极低、生产工艺不达标或者过度磨损等，其中输送带横截面受力不均，外加张力超出极限范围，造成输送带瞬时张力降到零是最主要原因。

2、纵向撕裂

即输送带局部受力欠均匀造成其在纵向上出现破损的状况。主要是因输送带运输的原煤中会夹杂锐利、棱角分明的较大异物，增加了划伤并刺穿输送带的风险。尤其是在落料口和转运直角周边，原煤中的异物掉落阶段易被卡顿在导煤槽挡板、托辊架等处，其在运输状态中输送的驱动下，异物被卡得越来越紧，最后穿透与撕裂输送带，严重时引起断带事故[1]。

3、打滑

打滑被定义成驱动滚筒和输送带转速不匹配而发生的异常相对运动。输送带运行阶段一旦突发打滑情况，一方面可能会造成输送机因动力不够而失效，还可能导致其因长期摩擦而造成温度上升并超出极限，进而增加火灾事故的发生率。此外，打滑还会加剧输送带的磨损程度、遭受较强冲击后易发生疲劳性断裂、发生下坡段“飞车”等事故。

4、堆煤

既往有煤矿生产实践中证明，当毛煤内含水量>20%时，煤水混合物表现出黏稠状的两相流体，被叫做水煤。带式输送带运输阶段，因为水煤与输送带之间的摩擦力偏小，外加受自身重力的作用影响，易被聚集在输送机机尾。此外，粒度0～5mm碎煤由于自身流动性较强，受自体重力更易堆积在输送机机尾，更易引起碎煤堆积事故。

二、巡检机器人的结构设计

1、驱动系统

1.1传动方案

（1）悬线式传动：机器人利用行走轮卡在钢丝绳上，钢丝轮利用张紧轮实现张紧，张紧轮下方安置了张紧弹簧，弹簧为钢丝绳提供预紧力，受张紧力作用使行走轮紧密包裹钢丝绳，在驱动电机的作用下，在摩擦力作用下使机器人发出行走动作[2]。

（2）摩擦式传动：导向轮、轨道和驱动轮为该系统的主要构成，将导向轮安装在机器人轨道的上方，导向轮起到承重、辅助行走过程等作用、机器人依赖驱动轮与轨道两者的摩擦去行走，对机器人行进过程起到良好的驱动作用。

（2）齿轮齿条传动：摩擦式传动是设计这种传动方案的基础。具体是在轨道上固定齿条，在电机、齿条啮合双重驱动下使巡检机器人前进，其中齿轮齿条啮合对机器人平稳运行过程能起到良好的保障性作用。和悬线式、摩擦式传动相比较，齿轮齿条传动的可靠性与精准度更高。机器人基于齿轮齿条传动过程，即便是处于煤矿上地势较复杂的工况中也能规避打滑问题，并且将巡检机器本体安置在传统系统下方，凸显出占用空间较小、结构布置紧凑等特征。如果面对的是远距离的巡检任务，需要搭建机架，使机器人在机架上运动进而达到行走目的。在轨道下方安置齿条，这样在小车与轨道之间齿轮齿条便能顺利进行啮合，等同于将一定夹紧力施加给齿轮齿条，显著提升了啮合本体的稳定性。

（3）抱索器：选择哪种类型的抱索器直接影响着猴车的运动性质。应结合用户的主观需求选择，大体上可以把抱索器分成如下两个部分：一是碟簧式抱索器，这种抱索器有预紧力大、结构稳定、对大坡度环境表现出较高适用性等特点;另一种是活动抱索器，吊椅随人走。适用坡度如下：V型适用于13°之下，能够实现水平转弯，吊架也很特别;卡钳式等适用于20°之下。

（4）电气系统：应用PLC控制，有自动启、停车的功能，也有语音自动报警与对讲系统;自带过速、欠速、沿线紧急停车保护等;机尾布置了重锤限位保护设备。

1.2驱动设计

基于齿轮齿条传动方案设计巡检机器人。具体是利用电机座将直流电机固定在支撑底板上，和电机减速器相互连接，减速器和驱动齿轮相连接，配合使用了自驱动式传动方式，这是巡检机器人可靠运行的重要基础 [3]。

为了使用机器人现场巡检过程安全、可靠性得到保障及各类传感器有效运作，应合理调控机器人的行进速度，移动速度一0.5m/s为宜。参照机器人现场作业环境，在选择电机设备的型号时需精准测算出其正常工作状态下的扭矩、启动扭矩。对于矿上复杂地势来说，工作及启动扭矩是影响驱动电机最后选型结果的主要因素。

将驱动电机用在驱动巡检机器人的行走过程（包括爬坡、加速、匀速运动等状态），设计其最大行驶速度、加速度分别是0.5m/s、0.5m/s²。分析到矿上生产环境相对较复杂，查询既有的机械设计手册，最后选定的电机功率250W。电机是巡检机器人的核心运动部件，其稳定性直接影响着机器人的稳定性能，结合稳定性要求，最后决定选择型号Maxon RE 45的Maxon直流无刷电机，这种电机有结构简单、运行可靠且高效等优势，能够利用电机控制器精准的调控电机的运转速度。此外，和其他类型的电机相比较，直流无刷电机的密封性更好，能有效规避矿上粉尘对电机运行性能形成的不良影响，抗干扰能力处于较高水平。该型号的直流电机自带断电自锁功能，矿上生产现场地势复杂、颠簸，即便是突发断电事件时巡检机器人也不会出现溜车现象，借此方式使巡检机器人运行的安全性得到更大保障。

2、整体结构设计

2.1本体结构

（1）导向机构：巡检机器人主要依赖齿轮齿条实现传动的，为确保整个运动过程的安稳性，设计一种导向机构有很大现实意义。本课题设计的导向轮机构，具体是将导向轮设计成凹槽形式，并利用螺栓和卡簧去固定轴承，一方面规避外界因素对轴承造成的污染，另一方面也确保了导向轮自体的自由转动功能[4]。

从宏观上，导向轮有内圈与外缘之分，前者主要用于辅助机器人行走过程，后者主要是对机器人进行限位，确保机器人仅能在前后方向运动。

（2）支撑底板：这是机器人主要的支撑结构之一。实践中，要选择韧性较高的材料去制造支撑底板。因为需将巡检机器人悬吊在固定工字轨道上，故而选用的支撑底板不能过重。可以用 7075 铝合金作为支撑底板的材料，其作为一种经冷处理的锻压合金，强度明显高于软钢，密度却是不锈钢的1/3，结构紧凑，耐腐蚀性强，选用其作为巡检机器人的支撑底板材料，一方面较好的满足了机器人的性能要求，减轻机器人自重，另一方面还为后续安装工作开展创造了便利。

（3）巡检装置：摄像头组最大的功能是实时同步采集皮带机的视、音频数据，应用网络将数据统一传送到工控机，巡检系统智能化分析后，能够快速检测皮带机的状态，获得相应参数数据。利用无线网桥传输与皮带机巡检系统功能，针对皮带机温度过高等异常情况还能实现自动报警。本巡检机器人系统正常工作使用环境条件如下：环境温度-20℃～+40℃;周边空气相对湿度≤95%（+25℃）;大气压力80kPa～106kPa等。巡检机器人两端的光电开关有探测机器人是否遇到障碍物的功能，基于光电反应过程将数据传送到工控机内，基于巡检系统分析过程，能够暂停运动或者转向进行实现躲避障碍物的目标[5]。

（4）井下防爆装置：在区域中容易形成与积聚爆炸性混合物的地点布置自动检测装置，当气体或者蒸气浓度接近爆炸下限值的50%时，要能可靠精准的传送信号或者断离电源;在机器人内部应采用消除或控制电气设备线路生成火花、电弧或者高温的方法。

3.2机器人机架

皮带机在坡度是14°的斜坡上运转，分析到现实工作环境的复杂性，维持机器人机架的自身的稳定性均有很大现实意义。

（1）合理选择机架材料与型号：为了实现对机器人机架的轻量化设计，选择铝型材作为机架的整体骨架，轻量化、组装模块化是其普遍特征，能在很短暂时间内结束构件的组装任务，且省去焊接流程，为后续施工与拆卸过程创造了便利条件。最后决定用80x80 系列铝型材作为机架的主要构成部分[6]。

（2）设计工字铝轨：利用铝合金打造而成，表明经电化学处理后，有强度高、耐腐蚀性能强等特征。在工业领域中，工字铝有十分广泛的用途，时常被用作横梁去承载重物。

（3）机架整体结构：在机架材料与型号选择好，角件连接件设计工序整体结束后，就已经确定了承载机器人主要部件的具体参数，参照皮带机與机器人摄像头的实际高度确定各段机架的真实高度;依照机器人尺寸整体设计情况设定两个相毗邻工字铝之间的距离。

三、系统软件设计

1、系统功能

本课题设计的巡检机器人系统主要被用在煤矿井下，其能对带式输送机运作全过程进行实时监测，防控发生输送机故障问题，系统的功能主要有[7]：

（1）采集输送机运行环境：输送机运转阶段，在钢丝绳的确定下，机器人装置能顺着输送机的运转方向做往返运动，利用机器人自体上的各类传感器与摄像机去检测输送机的工作状态、环境参数与实时图像的呈现情况。

（2）存储数据：利用地面监控终端设备能把机器人自体采集到的现场图像、声音、温度等多种环境数据存储至硬盘指定路线上，为相关人员分析、判断数据等创造便利条件。

（3）呈现与切换图像：本系统装设了3个摄像机，能够呈现出3路不同的视频图像，不仅能分别呈现3路摄像机的视频图像，还能分别呈现放大以后的各路视频图像。且第3路摄像机的视频采集角度是可调控的，具备自动旋转功能，视频角度在120°范围中可调节，有助于拓展监测范围。

（4）故障报警：系统通过获得机器人自体采集的现场温度与烟雾信息，当判断出检测数据超出设计值时，即可传送出报警信号，精准调控带式输送机的紧急停车过程。且为确保系统运行过程的安全性，不仅要为系统配置温度、声音等传感器，还要调配PG编码器、上下限位传感器、紧急防爆开关等。不管是发出哪种报警信号，均会造成系统紧急停车;在故障问题被解除以后，按下事故复位按钮，清除掉故障信号，便能够重新启动系统运行。

（5）检修功能：这一功能主要是安装、调试与检修系统[8]。因为硬件限位为机器人自体通过停车开关、软件限位以后的最后一道限位保护，故而当机器人本体越过硬件限位以后，一定要格外注意机器人本体的所处位置。正常运转状态下，要闭合检修功能。

2、程序设计

基于STEP 7 MicroWIN SP9 V4.0的STL去编写巡检机器人系统软件，S7-200 PLC作为硬件系统。参照系统功能设计情况，基于功能的差异可以将巡检机器人系统软件细化成如下四个部分：音视频、本体牵引系统、输送机运行及中断程序。

结束语：

本文较为详细的介绍了一种矿用带式输送机巡检机器人系统的设计方法，本系统应用了巡检机器人系统，能够动态采集输送机运行中形成的各种数据信息，及时探查到输送机运行阶段出现的各种异常状况，一旦有问题就会及时发出预警信号并采用有效的处理方法，进而为输送机实现安全生产提供更大的保障。本系统历经各种试验验证，各项性能指标完全符合矿用现场生产需求，可以推广应用。

参考文献：

[1]邵珠娟，邓晓刚，程豪杰，等. 智能带式输送机巡检机器人在煤矿的应用[J]. 中国煤炭，2020，v.46;No.527（06）：40-44.

[2]郭健平. 基于myRIO的带式输送机吊轨式巡检机器人控制系统设计与研究[D]. 中国矿业大学;中国矿业大学（江苏），2019，14（27）：125-128.

[3]李浩峰. 胜利能源储运中心研发的"带式输送机巡检机器人"投用[J]. 神华科技，2019（4）：51-51.

[4]徐金鑫. 露天煤矿巡检机器人的设计及现场测试[J]. 机械管理开发，2020，v.35;No.209（09）：245-246+256.

[5]赵建科. 煤矿井下煤流运输系统自动化建设存在问题及解决思路[J]. 机械管理开发，2019，v.34;No.199（11）：297-298.

[6]侯海英. 皮带机巡检机器人控制系统的设计应用[J]. 科技经济导刊，2020，v.28;No.706（08）：78-79.

[7]梁虎伟. 矿用带式输送机防爆无人巡检智能机器人设计研究[J]. 矿业装备，2020，No.111（03）：203-204.

[8]刘智. 变电站机器人巡检系统管理创新与应用探析[J]. 科学与信息化，2019，000（025）：P.152-152.

作者简介：鲍新平，1968年2月，男，汉族，江苏省泰县，大学本科，中级职称，电气工程及其自动化专业。