煤倉清理機(jī)器人研發(fā)與應(yīng)用

王 崢，商守海，高利強(qiáng)，孫 磊，盧建寧，薛道榮，張國(guó)峰,魯杰為，黃 智，何正勇 ，劉建平，袁廣忠，張海福，丁 紅，朱宴南，陳 闖，齊連軍，褚立慶，趙 強(qiáng)，于永昌，董陸軍，張 雷

(1.北京奧普科星技術(shù)有限公司，北京 102208；2. 國(guó)家電力投資集團(tuán)有限公司，北京 100029；3. 國(guó)家電投集團(tuán)內(nèi)蒙古能源有限公司，內(nèi)蒙古 通遼 028011；4.內(nèi)蒙古霍林河露天煤業(yè)股份有限公司 南露天煤礦，內(nèi)蒙古 通遼 029200)

0 引 言

煤炭是我國(guó)的主要能源，煤礦和電廠等相關(guān)企業(yè)都離不開煤炭的儲(chǔ)運(yùn)[1-2]。儲(chǔ)煤筒倉具有煤炭流失率小、占地面小、利于細(xì)分等優(yōu)點(diǎn)，被煤炭和發(fā)電企業(yè)廣泛應(yīng)用。儲(chǔ)煤筒倉的儲(chǔ)存和吞吐是煤礦生產(chǎn)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是煤礦生產(chǎn)運(yùn)輸中不可缺少的關(guān)鍵部位[3]。儲(chǔ)煤筒倉作為原煤的中間儲(chǔ)存環(huán)節(jié)，會(huì)有原煤不斷流入和流出，儲(chǔ)煤筒倉結(jié)構(gòu)上部呈圓柱體，下部呈方錐形，原煤自上而下靠自重下落，煤倉的側(cè)壁上因凸起或凹陷形成傾角平臺(tái)，會(huì)阻止煤粉下落并為煤粉提供容留場(chǎng)地，同時(shí)也增大了煤倉壁面的摩擦系數(shù)，從而增大煤倉壁面與煤料之間的摩擦力，容易形成堵塞[4-5]。在運(yùn)行過程中受氣候和環(huán)境影響，普遍存在不同程度的蓬煤、粘壁、凍煤現(xiàn)象[6]。落煤不暢往往導(dǎo)致機(jī)組降出力運(yùn)行乃至非計(jì)劃停運(yùn)，影響正常生產(chǎn)，并易引發(fā)安全事故[7-8]。現(xiàn)有的振動(dòng)器[9]、疏松機(jī)[10-11]等機(jī)械化技術(shù)手段僅針對(duì)特定條件下的輕微堵煤情況具有一定的效果，但對(duì)嚴(yán)重堵塞的情況，效果欠佳。學(xué)術(shù)領(lǐng)域也有疏堵裝置[12]、清堵機(jī)器人[13-14]、清倉機(jī)器人[15]等方面的探討和研究，但未見實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用和推廣。目前煤倉清堵方式主要是由人工疏通或是炸藥疏通，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低下且存在較大安全隱患。儲(chǔ)煤筒倉(以下簡(jiǎn)稱“煤倉”)在具有大量原煤存量的情況下，人工清理煤倉存在極大安全風(fēng)險(xiǎn)，即便大力宣貫各項(xiàng)安全操作規(guī)程，人身傷亡故事仍然時(shí)有發(fā)生。在安全生產(chǎn)重于泰山的今天，如何從源頭上有效防范或消除安全事故隱患成為各煤炭和發(fā)電企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。

本項(xiàng)煤倉清理技術(shù)的研發(fā)，目標(biāo)是以成體系的技術(shù)化手段安全有效地替代人工解決煤倉粘壁、蓬煤、凍煤等落煤不暢和煤倉阻塞情況。

1 煤倉堵塞原因分析

以內(nèi)蒙古霍林河南露天煤礦為例，其煤種主要為褐煤，主要出產(chǎn)高熱值煤、中熱值煤、普熱值煤(電煤)，其中普熱值煤(電煤)周轉(zhuǎn)量最大，時(shí)常伴有熱煤、濕煤、煤泥一同進(jìn)入煤倉，最容易導(dǎo)致煤倉粘堵。

堵煤的特點(diǎn)和成因，具體如下：

1)粘壁。煤倉內(nèi)壁垂直面為模板水泥澆筑面。因?yàn)槊簜}建設(shè)年代久遠(yuǎn)，早期建筑工藝落后，煤倉圓周內(nèi)壁面很不平整，且表面較為粗糙。煤料容易積存形成煤料粘壁。粘壁煤料較多時(shí)，容易影響煤炭下落。

在煤倉溜煤口位置，因?yàn)槊簩映隹谑湛s、壓力累積，雖有鑄石板，但在溜煤口斜面上也會(huì)出現(xiàn)粘壁情形，導(dǎo)致出煤口變窄，影響煤炭下落。

2)蓬煤。煤料在倉內(nèi)從上到下移動(dòng)過程中，靠近煤倉中心的煤料移動(dòng)的快，靠近倉壁的煤料移動(dòng)得慢。由于煤倉漏斗在結(jié)構(gòu)上寬下窄，在漏斗最下部的出口處尺寸小，四周倉壁上粘煤的相互蓬架作用，使能夠下煤的通道截面積越來越小，以致最后完全堵塞[16]。如果煤質(zhì)濕度大、煤粉多時(shí)，煤料的顆粒間的作用力大，內(nèi)力強(qiáng)，其宏觀表現(xiàn)即為煤料的黏結(jié)性強(qiáng)[17]。在重力的擠壓、收縮作用下，容易在溜煤口處形成蓬煤。

3)凍堵。如果煤料濕度大、煤粉多，煤粉、煤泥易在溜煤口處粘結(jié)，并逐漸增厚。當(dāng)氣溫較低時(shí)，會(huì)從溜煤口區(qū)域、從下往上逐漸在內(nèi)壁凍結(jié)，并越凍越厚；此時(shí)由于溜煤口內(nèi)壁變?yōu)榇植诘膬雒簩?，加上落煤通道變狹窄，使煤料下落更慢，堵煤蓬煤會(huì)更嚴(yán)重, 最終落煤口上部煤料完全堵塞凍結(jié)為一體。即使采用捅、砸、炸等手段，通常也只會(huì)在落煤口下方形成錐形空洞，其上部的煤落不下來，形成凍堵。

在內(nèi)蒙古霍林河地區(qū)，冬季寒冷，室外氣溫甚至低達(dá)-40 ℃，加之煤質(zhì)濕度大，并伴有煤粉、煤泥，極其形成凍堵。

2 煤倉建筑結(jié)構(gòu)分析

煤倉建筑時(shí)間1989—1990年，基礎(chǔ)采用鋼筋砼梁板，局部采用漿砌塊石，水泥砂漿砌筑；筒壁采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土，筒壁外側(cè)與筒壁一次滑模施工；沿環(huán)向布置8個(gè)內(nèi)柱、附壁柱及空心圓柱支撐倉底板結(jié)構(gòu)；鋼筋混凝土倉底板，由周圈斜板和中間平板組成，沿環(huán)向吊掛8個(gè)漏斗。溜煤口上方圓錐面鋪襯鑄石板。如圖1、圖2所示，煤倉內(nèi)部直徑22 m，煤倉高43 m，地下部分約8 m。煤倉倉底呈圓錐漏斗形，圓錐漏斗底部平均分布8個(gè)溜煤口出口，每個(gè)出煤口尺寸1.2 m正方形。

圖1 煤倉溜煤口立面截面Fig.1 Elevation section of coalbunker outlet

圖2 煤倉溜煤口俯視截面Fig.2 Overlooking section of coalbunker outlet

煤倉由頂部注入煤料后，靠煤料重力作用由溜煤口流出，經(jīng)過振動(dòng)給煤機(jī)落入輸煤皮帶上，運(yùn)輸至倉外。由前述可知，溜煤口斜面處最易篷煤、堵煤、凍煤。本項(xiàng)目的煤倉清理機(jī)器人，在每個(gè)溜煤口斜面安裝一套，煤倉清理機(jī)器人的協(xié)調(diào)運(yùn)行，以破壞溜煤口篷煤、堵煤、凍煤的根基，同時(shí)增加溜煤口的輸煤動(dòng)力，從而改善和解決煤倉落煤不暢、溜煤口阻塞的情況。

3 煤倉清理機(jī)器人的研制

煤倉清理機(jī)器人需要在-40 ℃～60 ℃的環(huán)境溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定可靠工作，是極端環(huán)境下的機(jī)器人技術(shù)，同時(shí)具有防粉塵、防爆、防水、防結(jié)冰、抗高空落石擊砸、耐磨損、抗煤堆擠壓性能，為特種機(jī)器人的應(yīng)用。

如圖3所示，煤倉倉底的每個(gè)溜煤口斜面安裝一套清理機(jī)器人。每套機(jī)器人具有兩套煤料刮板，上層煤料刮板完全覆蓋溜煤口斜面，下層煤料刮板完全覆蓋出煤口垂直面，煤料刮板可沿固定軌道上下運(yùn)行。機(jī)器人底座與煤倉溜煤口、出煤口完全契合安裝，4套機(jī)器人底座邊線焊接固定，機(jī)器人底座內(nèi)部空腔利用灌漿料澆筑，使其與煤倉溜煤口斜面一體化固定。

圖3 煤倉清理機(jī)器人布局Fig.3 Coalbunker blocks clearing robot layout

如圖4所示，機(jī)器人底座內(nèi)部配置煤料刮板執(zhí)行單元。執(zhí)行單元分上、下兩層，上層執(zhí)行單元包括復(fù)位機(jī)構(gòu)、高頻捶打連接塊、高頻捶打缸、捶打缸氣囊、往復(fù)推拉油缸等機(jī)構(gòu)，高壓捶打缸在液壓油的動(dòng)力下結(jié)合復(fù)位機(jī)構(gòu)和高壓氮?dú)鈿饽易饔茫煽刂棋N頭高頻捶打煤料刮板，以驅(qū)動(dòng)煤料刮板高頻振動(dòng)，推動(dòng)堵煤位置煤料，使其疏松，往復(fù)推拉油缸在液壓油動(dòng)力下可推動(dòng)執(zhí)行單元整體向上移動(dòng)，讓捶打缸繼續(xù)驅(qū)動(dòng)煤料刮板向上移動(dòng)、繼續(xù)高頻振動(dòng)，從而將堵煤位置完全疏松，破壞篷煤、凍煤、堵煤基礎(chǔ)，下層執(zhí)行單元包括一套往復(fù)推拉油缸機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)下層煤料刮板與上層協(xié)同運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到疏堵目的。往復(fù)推拉油缸在非堵煤期間的常規(guī)往復(fù)移動(dòng)，也可驅(qū)動(dòng)煤料刮板定時(shí)運(yùn)行，可有效預(yù)防煤料黏凍。

圖4 煤倉清理機(jī)器人原理Fig.4 Schematic of coalbunker blocks clearing robot

高頻捶打缸的原理參考液壓破碎錘而設(shè)計(jì)，液壓破碎錘大多都是在主機(jī)(如挖掘機(jī)等)液壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，通身閥控系統(tǒng)與缸體活塞系統(tǒng)的相互反饋控制，完成活塞在缸體中的快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將液壓能轉(zhuǎn)化為活塞的沖擊能打擊釬桿[18]。

高頻捶打缸動(dòng)能主要克服煤料刮板與耐磨滑板之間的凍黏阻力。由于高頻捶打缸與煤料刮板的碰撞過程非常復(fù)雜，本方案按照能量法對(duì)高頻捶打缸所需功率進(jìn)行估算。

如圖5所示，煤倉清理機(jī)器人通過出煤口溜槽外壁安裝的堵塞判斷傳感器來檢測(cè)此處煤倉溜煤口是否堵塞，并實(shí)時(shí)把判斷信號(hào)發(fā)給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)通過上位機(jī)界面進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤倉內(nèi)部溫度情況、煤倉出口堵塞情況、機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)情況。

圖5 煤倉清理機(jī)器人控制流程Fig.5 Control flow of coalbunker blocks clearing robot

當(dāng)堵塞判斷傳感器判斷此處出煤口堵塞后，將判斷信號(hào)傳給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)煤倉內(nèi)部溫度和機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)情況，實(shí)時(shí)控制煤倉清理機(jī)器人運(yùn)行。控制系統(tǒng)通過控制液壓站相應(yīng)電磁閥驅(qū)動(dòng)機(jī)器人高頻捶打缸和往復(fù)運(yùn)行油缸按相應(yīng)控制策略運(yùn)行，協(xié)調(diào)控制各個(gè)斜面上的煤倉清理機(jī)器人協(xié)同動(dòng)作，以有效疏通此處出煤口堵塞情況，使其暢通。

圖6 煤倉清理機(jī)器人控制界面及狀態(tài)監(jiān)測(cè)Fig.6 Control interface and monitoring interface ofclearingrobot in coalbunker

如圖6所示，控制系統(tǒng)由PLC系統(tǒng)、上位軟件系統(tǒng)、智能控制算法等構(gòu)成，具備溫度、狀態(tài)監(jiān)測(cè)，操作簡(jiǎn)潔、圖形提示說明，危險(xiǎn)操作警示提醒，各功能、動(dòng)作互鎖保護(hù)，超出安全值報(bào)警提示；具備自動(dòng)智能清理模式與手動(dòng)控制清理模式，還具備預(yù)防蓬堵模式與凍堵預(yù)警功能；系統(tǒng)可根據(jù)當(dāng)前煤倉堵塞情況、溫度環(huán)境、煤倉儲(chǔ)煤量情況、給煤機(jī)開啟數(shù)量、自然年日歷、日工作時(shí)段等自主判斷運(yùn)行模式，并實(shí)時(shí)保存運(yùn)行數(shù)據(jù)，自主更新運(yùn)行模式。

可針對(duì)各落煤口蓬堵情況，有針對(duì)性地啟動(dòng)相應(yīng)機(jī)器人設(shè)備疏堵，未堵塞的落煤口則設(shè)備不啟動(dòng)，具有定點(diǎn)清理、按需清理能力。

如圖7所示，以單組煤倉清理機(jī)器人為單元制作樣機(jī)，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行低溫性能測(cè)試。設(shè)計(jì)特定的低溫測(cè)試保溫箱體，將樣機(jī)安裝在保溫箱內(nèi)，使用煤倉內(nèi)煤料樣本，煤料樣本包含有煤泥、煤粉。將煤料放入保溫箱體內(nèi)覆蓋機(jī)器人樣機(jī)各處縫隙，并滿整個(gè)保溫箱，充分噴灑水分，使煤料足夠潮濕。使用液氮給保溫箱內(nèi)降溫至-40～-20 ℃，保溫足夠時(shí)間，使樣機(jī)各處運(yùn)動(dòng)縫隙被完全凍結(jié)。

圖7 煤倉清理機(jī)器人功能測(cè)試Fig.7 Function test of coalbunker blocks clearing robot

將保溫箱體角度調(diào)節(jié)至煤倉溜煤口斜面正常使用時(shí)的角度。啟動(dòng)樣機(jī)，觀察樣機(jī)是否能夠破開凍堵煤料并正常工作，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是否保證長(zhǎng)時(shí)間無故障運(yùn)行。

表1 煤倉清理機(jī)器人低溫性能測(cè)試

經(jīng)過上述性能測(cè)試，可知煤倉清理機(jī)器人能夠在模擬煤倉內(nèi)部的極端環(huán)境下正常運(yùn)行，在機(jī)器人的額定工況下機(jī)器人具備破凍堵功能，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)無卡頓、異響、損壞，可長(zhǎng)時(shí)間無故障運(yùn)行。

單臺(tái)煤倉清理機(jī)器人可清理和破壞溜煤口安裝面的粘煤、凍堵情況。溜煤口4個(gè)安裝面的煤倉清理機(jī)器人的協(xié)調(diào)運(yùn)行，可破壞溜煤口篷煤、堵煤、凍煤的根基，從而改善和解決煤倉落煤不暢、溜煤口阻塞的情況。

4 煤倉清理機(jī)器人的應(yīng)用

所述煤倉清理機(jī)器人是在儲(chǔ)煤筒倉現(xiàn)有結(jié)構(gòu)情況下，研究開發(fā)的一套煤倉全方位智能清理機(jī)器人系統(tǒng)，應(yīng)用此系統(tǒng)能有效地解決煤倉中蓬煤、粘壁、凍煤等落煤不暢情況，完全替代人工疏堵高危工作。

煤倉清理機(jī)器人經(jīng)過樣機(jī)測(cè)試后開始在內(nèi)蒙古霍林河南露天煤礦成品煤倉內(nèi)進(jìn)行安裝和使用，進(jìn)一步驗(yàn)證煤倉清理機(jī)器人的性能和效果。如圖8所示，煤倉清理機(jī)器人在霍林河南露天煤礦冬季煤炭生產(chǎn)高峰期投入運(yùn)營(yíng)。

圖8 煤倉清理機(jī)器人安裝完照片F(xiàn)ig.8 Picture of coalbunker blocks clearing robotafter installation

為測(cè)試煤倉清理機(jī)器人運(yùn)行效果，試運(yùn)行期間，啟動(dòng)自動(dòng)運(yùn)行模式、切換手動(dòng)及就地控制模式，系統(tǒng)各功能均工作正常。同時(shí)開展了各種疏堵測(cè)試。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)，系統(tǒng)可及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)落煤口的堵塞，并自動(dòng)啟動(dòng)疏堵動(dòng)作，普通蓬煤堵塞的疏通，設(shè)備動(dòng)作10 s內(nèi)即疏通成功。在冬季將澆過水的濕煤加入煤倉制造凍堵，設(shè)備動(dòng)作1 min內(nèi)即疏通成功。

自動(dòng)運(yùn)行模式下的防凍模式，可有效清理凍粘壁并防止凍堵發(fā)生。

系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行經(jīng)過了一個(gè)完整冬季，最冷氣溫達(dá)到-36 ℃，各功能均工作正常。為了測(cè)試設(shè)備的極限能力，在1月份最冷的時(shí)間段，進(jìn)行了超常規(guī)的凍結(jié)試驗(yàn)，人為向煤倉內(nèi)大量灌水，使倉內(nèi)10 m厚煤層成為濕煤并出現(xiàn)凍結(jié)，倉內(nèi)機(jī)器人設(shè)備亦進(jìn)水結(jié)冰。經(jīng)試驗(yàn)，全部8個(gè)落煤口的設(shè)備均工作正常，設(shè)備將自身的結(jié)冰破除并繼續(xù)正常運(yùn)行，將倉內(nèi)的凍粘壁及大塊凍結(jié)煤料破碎，使煤倉未形成凍堵。

表2為煤倉清理機(jī)器人運(yùn)行測(cè)試記錄表，圖9為煤倉疏堵成功瞬間的記錄照片。

表2 煤倉清理機(jī)器人生產(chǎn)運(yùn)行性能測(cè)試

圖9 煤倉清理機(jī)器人疏堵成功照片F(xiàn)ig.9 Picture of coalbunker blocks clearing robotfunction test

5 結(jié) 論

1)煤倉在特定煤質(zhì)、特定環(huán)境下，容易形成篷煤、堵煤、凍煤等情況，影響煤礦企業(yè)正常生產(chǎn)。煤倉清理機(jī)器人是預(yù)防和解決煤倉堵塞的一個(gè)有效手段。

2)煤倉清理機(jī)器人通過液壓驅(qū)動(dòng)可在煤倉內(nèi)部極端的低溫、高濕、粉塵、擠壓等環(huán)境下正常運(yùn)行，并不斷破壞煤倉底部溜煤槽平面上的煤料堵塞根基，持續(xù)疏通煤料下落。

3)通過試驗(yàn)樣機(jī)測(cè)試、煤礦生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)測(cè)試，煤倉清理機(jī)器人執(zhí)行單元的高頻捶打加往復(fù)推拉動(dòng)作，能夠有效破除極寒環(huán)境下的煤倉凍堵問題。

4)煤倉清理機(jī)器人可推廣至煤礦、電廠、礦石、冶煉等其他使用筒倉環(huán)境疏堵應(yīng)用。