煤矿井下带式输送机巡检机器人技术的研究与应用

董晋国

（华晋焦煤有限责任公司沙曲一号煤矿，山西 柳林 033300）

0 引言

煤矿井下带式输送机是运输煤矿物资的主要的方式，但是带式输送机容易出现打滑、撕裂、驱动装置异常等故障，如果不能及时发现并排除，会严重影响煤矿井下作业的安全，甚至可能出现安全事故。对此，需要专门设计巡检机器人，能够适应煤矿井下恶劣的工作环境，并能负责对带式输送机的巡检工作，及时完成故障定位，方便维修人员快速进行维修，保障煤矿井下物资输送的效率和安全。

1 煤矿井下带式输送机常见故障分析

1.1 输送带故障

1.1.1 输送带打滑

输送带打滑是输送带运行中输送带和滚筒之间没有足够的摩擦力导致出现相对滑动，是带式输送机的主要失效形式。导致打滑出现的原因包括输送带的紧张程度不足、运行阻力过大、摩擦系数降低等[1]。如果发生打滑的情况，将会降低传送带的传动力，而且也会由于摩擦生热导致火灾。

1.1.2 输送带跑偏

带式输送机运行过程中，如果输送带运行方向的中心线和机架固有中心线不重合，就是出现了跑偏的问题。跑偏出现的原因来自胶带所受到的合力和机架的中心线存在偏离，如果机架不平、落料不均匀等情况，都会导致受力不平衡的情况出现。跑偏出现后会导致输送带严重磨损，物料会撒下输送带，如果发现不及时，也会导致安全事故。

1.1.3 纵向撕裂

胶带沿着运动方向出现撕裂的情况就是纵向撕裂，出现纵向撕裂的主要原因来自胶带的负荷过高，产生了纵向裂纹并出现扩张，或者胶带存在磨损问题，也会导致撕裂。如果物料中存在尖锐异物将会导致胶带被刺穿，甚至会影响整条胶带的运行。纵向撕裂一般在落料口的位置出现，如果不及时解决会导致整条输送带受损，造成严重的安全问题[2]。

1.2 驱动装置异常

由于井下存在比较恶劣的运行环境，因此输送带的驱动装置也会受到一定影响并出现故障。驱动装置故障后，将会严重影响输送带的运行，十分不利于煤矿的生产。

1.2.1 电机发热

带式输送机的电机可能会由于超载、散热不足、传动系统润滑不足等因素导致电机过热，一旦电机过热问题严重，将会引发火灾，威胁煤矿的安全。目前电机温度常用测量方法包括温度计法、电阻法等等。如果电机在运行时出现过流、振动等异常情况，也会出现过热的问题[3]。

1.2.2 减速机故障

减速机可能会出现齿轮、轴承磨损的问题，并且会伴随异常的振动和噪声。通常减速机在高速轴位置设置，如果减速机的强度不足，存在选用余量小的情况，以及存在高速轴不同心的问题，都会导致断轴现象的出现，严重时甚至会导致减速机报废[4]。

1.3 托辊和机架故障

带式输送机的托辊故障包括托辊运转不灵和托辊损坏。运转不灵出现时，可能会出现卡死的情况，或者造成胶带摩擦过热，如果机器高温也有可能产生火花。托辊的结构损坏包括辊体的磨损、断裂、轴承失效等情况。由于井下的环境复杂，托辊在湿度比较大、粉尘较多的环境中会产生腐蚀问题，经过长时间摩擦之后将会导致结构出现异响，以及出现载荷失效的问题。

2 巡检机器人控制系统

巡检机器人需要监控带式输送机的工作状态，通过巡检发现带式输送机日常工作中的问题，同时检测设备也要具备一定的诊断功能，可以初步确定带式输送机的具体故障，方便工人开展快速检修。机器人的控制系统包括驱动器、移动机构、控制板、中央控制单元，根据通信需求，还需要专门配置无线通信单元[5]。巡检机器人应保持和地面控制站的联络，同时地面控制站也要具备对巡检机器人进行远程控制的功能，所以需要配置专门的计算机负责远程控制工作，以及设立数据库记录巡检机器人的运行数据和储存对带式输送机的监控数据。巡检机器人日常工作中，可以采取自行驱动、远程控制、远程手动控制三种方式，根据工作需求可以对控制方式自行切换。

3 煤矿井下带式输送机巡检机器人系统研究

3.1 巡检机器人系统总体结构与功能

3.1.1 工作环境

巡检机器主要在煤矿井下输送机运输想到内工作，由于煤矿的环境非常复杂，具有非常强的非结构化特点，所以巡检机器人必须适应多变的路径，而且具有加大的工作面积。比如需要避让和跨越台阶、石块、排水沟等障碍物。同时由于井下环境特殊而且湿度非常大，存在一定的有害气体、易爆炸气体，巡检机器人必须具有极高的稳定性[6]。井下运行过程中，干扰信号比较多，所以机器人应该具备较强的抗干扰能力，避免运行出现错误。

3.1.2 设计原则分析

煤矿井下的环境比较恶劣，在选择硬件时就要充分考虑井下特殊的环境要求，根据现场状况选择控制方式和移动方式，确保机器人能实现长距离高效巡检工作。机器人首先需要具备较强的适应性，能克服周围不稳定环境对机器人的影响，以合适的机械结构运行和行走，通过紧凑的结构，满足狭小空间和地形的工作需求。其次必须具备较强可靠性，由于机器人在运行时很容易受到环境影响，比如需要进行专门的防爆设计，以及设计其他的防护措施。为了保证工作效率，应该充分利用无人操作技术和智能控制技术，实现无人化、智能化巡检，满足对输送机故障的诊断需求[7]。为了适应不同功能的需要，对巡检机器人也要采取模块化设计，根据多种不同功能设计专门的模块。由于现场空间小，巡检机器人也不能出现过多的布线，而是要减少现场接线，降低安装和布置的难度。

3.1.3 系统总体结构设计

巡检机器人的系统包括巡检移动机构、通信系统、地上监控后台控制系统三个部分。巡检移动机构包括机器人的本体，该机构可以对机器人的活动进行供能、采集包括温度、气体浓度、视频图像、声音等数据，还包括定位系统；通信系统中包括无线通信模块、针对煤矿开发的矿用无线基站、交换机；后台监控系统包括数据库、视频监控系统、智能诊断系统、数据显示系统。巡检机器人的各个部分需要保持配合，确保协同作业的效果。在巡检机构上要等距安装多个机器人本体装置，避免单个机器人长时间工作增加故障概率以及造成信息滞后等问题。通过该设计可以实现集中监控和故障预警，快速完成对井下各项数据的分析。

3.2 带式输送机巡检机器人机构设计

3.2.1 机构性能分析

巡检机器人的机构设计中需要保证多种技术的综合应用，满足对机构的可靠性、稳定性、维修便捷性的需求。机器人的移动机构是巡检机器人行动的载体，其运行稳定性决定机器人日常工作的正常进行。结合带式输送机构的特点分析，巡检机器人的单程长度一般控制在3km，并保证运行中的最大坡度在20°以内，机构的质量应控制在40kg 以内，通过紧凑的设计保证机器人的平稳运行。由于井下的工作环境特殊，具有粉尘较多、湿度高、危险气体含量高的特点，在巡检机器人设计中应该充分结合环境开展设计工作，保障机器人具备防锈、抗压、抗疲劳的特点[8]。

3.2.2 巡检装置本体

煤矿用带式输送巡检机器人所拥有的工作空间比较小，因此设计中对机器人的整体尺寸限制比较大，必须使用尽可能紧凑的设计，控制机器人的体积。巡检装置的箱体结构是巡检机器人的搭载平台，可以给机器人的主体结构提供支撑。箱体材料应优先考虑铝合金，在有效控制机器人重量的情况下也满足箱体结构强度的需求，机器人应该优先设计成圆柱体，结构包括主控仓和电池仓。箱体制造经过切割、焊接等工序，和巡检机构相连，并在移动机构的驱动沿着带式输送机进行巡检工作。巡检装置本体是整个矿用带式输送机巡检机器人的核心构成部分，能够完成数据采集工作，以及进行带式输送机的运行状态监控，向远程监控系统传输监控数据。

3.2.3 巡检机器人移动机构设计

巡检机器人的移动机构是机器人的基础之一，在设计移动机构时，应充分考虑巡检机器人所处的运行环境，并根据环境特点设计移动机构。履带式行走机构的地形适应能力最强，能够满足煤矿井下的翻越障碍要求，但是结合后期调研分析，由于煤矿井下的空间很小，而履带式机移动机构的体积相对较大，因此在巡检机器人运行时，履带机器人的避障能力会下降很多，对路径规划会有更为严格的要求，不仅会限制机器人的巡检速度，还会直接增加机器人的能量消耗。为此应采取架空式的巡检机器人。可以使用无极绳牵引机构控制机器人的反复运动，通过在铺设好的轨道上运动，进行主动轮和从动轮的配合，采取直流电驱动电机的运转。

3.3 带式输送机巡检机器人通信系统设计

通信系统是巡检机器人最核心的功能模块之一是需要保证将带式输送机的巡检信息向地面监控中心实时同步，并建立起信息化系统，提升整个控制系统的信息化水平。在通信方案的设计中，应考虑巡检机器人采集到的数据需选择合适的方式输送给上位机，信息的输送方式包括有线传输和无线传输。有线传输具有更高的信号稳定性，而且抗干扰能力很强，但是巡检机器人在巡检工作中会不断移动，而且运行的距离比较远，使用有线传输会增加电缆的铺设难度。无线传输更为灵活，适合巡检机器人这类移动设备传输数据。由于煤矿井下需要解决传输过程中的信号干扰问题，以及满足传输速率、传输距离、组网性能、功耗控制的需求，所以在选择无线传输技术时，对性能要求较高[9]。目前使用Wi-Fi 技术具有组网方便、适应能力强、传输速度快的特点，能比较好地满足传输距离的要求。通信过程中，Wi-Fi 模块也能快速实现无线设备的访问。巡检机器人的内部需要专门设置无线传输模块，确保巡检机器人可以作为信号的接收端和发射端，通过信息的多次传递，保证信息能及时传送到地面工作站。

3.4 巡检机器人供能与定位系统研究

巡检机器人的定位系统基于RFID 系统，如果巡检机器人发现了托辊故障、输送带故障，就会提醒工作人员进行故障检修。由于在输送带没有停机之前，巡检机器人和输送带都是实时移动的，在检测到故障点之后，已经移动到其他的位置。为了能实现对故障的定位，可以根据RFID 系统进行巡检定位工作。在工作范围内，读写器产生的电磁场将以能量的形式发送给无源电子标签，电子标签产生的感应电流后发射储存信息，读写器就能对标签的数据进行解码处理。使用RFID 的优势在于扫描的识别精度很高，能够根据需要灵活配置，而且拥有较大的数据储存量，同时耐腐蚀性很强，可以适应煤矿井下恶劣的工作环境。

3.5 巡检机器人充电系统设计

煤矿用带式输送机巡检机器人使用蓄电池对设备进行供电，由于系统内会有多台巡检机器人同时工作，必须保证每一个蓄电池都能满足巡检工作要求。多数机器人都采用直接接触的方式充电，这种方式存在机械磨损较高、接触不良等问题，容易加快充电装置的磨损，以及导致充电失败。使用充电闭锁装置的充电效率很高，但是难度比较大，而且插电也存在一定的安全隐患。使用无线充电技术相对更为便捷和安全，结合巡检机器人工作环境以及工作状况，应优先使用无线充电技术进行冲概念。根据充电技术要求，所选择的无线充电技术需要具备一定传输距离，以及具备较高的能量利用率，因此需要优先采用磁耦合谐振式无线电能传输技术进行无线充电工作。

4 结语

巡检机器人对带式输送机的稳定运行有着十分重要的作用，因此设计中需要考虑带式输送机的工作特点、井下环境，采取合理方法加强巡检机器人和输送机之间的配合。通过运动系统和监控系统分开供电，根据井下通信的需求选择通信系统，加强紧凑布局，可以解决巡检机器人工作中的问题，为及时发现带式输送机故障提供有效支持。