一種膠帶機(jī)防爆巡檢機(jī)器人的研究與應(yīng)用

牛得草

（甘肅華亭煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅平?jīng)?744100）

0.引言

華亭煤礦煤流運(yùn)輸主要采用采區(qū)膠帶機(jī)+采區(qū)煤倉(cāng)+2501 膠帶機(jī)+石門膠帶+集中煤倉(cāng)+主井提升+地面設(shè)施組成，2501 膠帶機(jī)為礦井主要煤流運(yùn)輸設(shè)備，運(yùn)輸長(zhǎng)度達(dá)2000m。

2501 膠帶機(jī)安全正常運(yùn)行是礦井正常生產(chǎn)的保障。然而許多煤礦膠帶機(jī)在運(yùn)行過程中，由于巡檢不到位，發(fā)生過托輥損壞、滾筒打滑、煤倉(cāng)堆煤、膠帶跑偏、驅(qū)動(dòng)滾筒超溫、膠帶縱撕、膠帶接頭斷帶、火災(zāi)等多種事故，對(duì)巡檢員和機(jī)電設(shè)備的安全造成很大的隱患和問題，并且膠帶機(jī)工作巷道內(nèi)環(huán)境惡劣，粉塵大照明不好，不利于巡檢工及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，同時(shí)，受人員生理、心理素質(zhì)、技能水平等因素的限制，人工巡檢的過程風(fēng)險(xiǎn)、漏檢風(fēng)險(xiǎn)較大。因此，礦井研發(fā)應(yīng)用膠帶機(jī)防爆巡檢機(jī)器人，不僅能將巡查人員從煤塵噪音大的惡劣工作環(huán)境中替換出來，保障了巡檢工的生命和健康，而且能及時(shí)發(fā)現(xiàn)膠帶機(jī)運(yùn)輸過程中出現(xiàn)的各種隱患問題，避免事故繼續(xù)擴(kuò)大，極大降低了膠帶機(jī)的非正常故障停機(jī)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)保護(hù)全流程全面的監(jiān)護(hù)，實(shí)現(xiàn)了膠帶機(jī)由零散的點(diǎn)巡檢到機(jī)器人360 度面巡檢，對(duì)煤礦長(zhǎng)周期安全高效生產(chǎn)具有特別重大的意義。

結(jié)合華亭煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)現(xiàn)狀，在2501 膠運(yùn)大巷皮帶機(jī)采用巡檢機(jī)器人代替皮帶巡檢工，提升礦井生產(chǎn)自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)減人提效，保障礦井運(yùn)輸系統(tǒng)安全高效生產(chǎn)。

1.煤礦防爆巡檢機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r

近年來，機(jī)器人技術(shù)在國(guó)內(nèi)礦山生產(chǎn)中已有應(yīng)用，其中山西陽煤集團(tuán)一礦應(yīng)用智能巡檢機(jī)器人，400 多個(gè)數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場(chǎng)工作的傳感器兩小時(shí)采集傳回到監(jiān)控室，替代了兩名巡檢運(yùn)維人員攜測(cè)量設(shè)備徒步兩天多才能完成的工作量；陜煤集團(tuán)神南產(chǎn)業(yè)檸條塔礦從2015 年、內(nèi)蒙古龍王溝礦從2017年均使用巡檢機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)大巷膠帶巡檢等。

目前，各種巡檢機(jī)器人已在多個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用，隨著機(jī)器人智能化水平提高，推動(dòng)著它在多個(gè)惡劣的環(huán)境中嶄露頭角，推動(dòng)它在應(yīng)用領(lǐng)域的市場(chǎng)前景越來越廣。它在多種場(chǎng)合發(fā)揮著作用，如礦山的輔助運(yùn)輸系統(tǒng)、交通運(yùn)輸系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、變電所等。機(jī)器人需要沿著固定的軌道進(jìn)行巡視，機(jī)器人巡檢最大的特點(diǎn)是可以在沒有人看管的情況下能自動(dòng)自覺出色地完成工作，尤其是替換掉惡劣環(huán)境場(chǎng)所的工作人員，優(yōu)秀地完成日常巡視所要求的規(guī)定內(nèi)容[1]。這樣一來，機(jī)器人不但減輕了技術(shù)員工作量，而且經(jīng)濟(jì)效益明顯。

2.技術(shù)方案和建設(shè)內(nèi)容

如果在皮帶巷道安裝巡檢機(jī)器人不是連續(xù)爬坡，我們使用固定軌道巡檢機(jī)器人。固定軌道自行走型機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括工型鋼軌道、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、驅(qū)動(dòng)輪、支撐輪、張緊機(jī)構(gòu)、萬向節(jié)、柔性吊掛鎖、軌道連接部件等組成，如圖1 和圖2 所示。

圖1 爬坡圖

圖2 安裝效果圖

2.1 機(jī)器人功能

移動(dòng)圖像采集功能：在低照度、高濕度和粉塵環(huán)境下，通過機(jī)器人本體上搭載的多個(gè)攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)巷道內(nèi)全景的圖像采集，包括皮帶機(jī)、纜線、管路、機(jī)電設(shè)備等，圖像在防爆控制顯示箱顯示并存儲(chǔ)，通過對(duì)圖像的解析，確定膠帶機(jī)帶機(jī)是否存在隱患問題、損壞程度、隱患位置、是否需要停機(jī)檢修、以及有無違章操作等情況。

聲音采集功能：實(shí)時(shí)采集巷道內(nèi)的聲音，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至機(jī)頭的防爆控制顯示箱播放并存儲(chǔ)。皮帶機(jī)在運(yùn)行過程中，故障部位往往產(chǎn)生較明顯的聲音異常，通過對(duì)采集的聲音進(jìn)行分析，判斷皮帶機(jī)是否異常，從而達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障、避免故障擴(kuò)大的目的。

煙霧檢測(cè)功能：機(jī)器人本體上搭載有煙霧傳感器，有煙霧時(shí)，會(huì)產(chǎn)生報(bào)警。

溫度探測(cè)：托輥等部位磨擦或膠帶打滑等故障引起膠帶機(jī)摩擦部位溫度升高，本產(chǎn)品采用紅外溫度探測(cè)儀，快速檢測(cè)皮帶機(jī)溫度，無接觸、無磨損。

防爆控制顯示箱上留有與皮帶機(jī)控制系統(tǒng)的通訊接口，出現(xiàn)故障時(shí)可以緊急停止皮帶機(jī)的運(yùn)行。

巡檢機(jī)器人身上留有快速通訊接口，快捷地集成多種具有標(biāo)準(zhǔn)通訊接口的檢測(cè)儀器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)膠帶機(jī)巷道機(jī)電設(shè)備部位數(shù)據(jù)的特定檢測(cè)和傳輸。

機(jī)器人控制系統(tǒng)接入工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)度監(jiān)控中心對(duì)膠帶機(jī)設(shè)備各項(xiàng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)視和傳輸。

2.2 裝置的特點(diǎn)

卓越的空間和環(huán)境適應(yīng)性：根據(jù)所用場(chǎng)所的不同選擇合適的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，大傾角使用鋼絲繩牽引式，平巷及小傾角使用軌道式，不影響膠帶機(jī)沿線的正常行人和設(shè)備的維護(hù)等工作。采用先進(jìn)的本安型無線移動(dòng)通訊技術(shù)，通過設(shè)置基站，構(gòu)建了皮帶機(jī)巷道內(nèi)的無線移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可以接入到礦井的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，機(jī)器人本體在基站間移動(dòng)時(shí)，可以自動(dòng)、透明地從一個(gè)接入點(diǎn)移動(dòng)到下一個(gè)接入點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫移動(dòng)切換，既具有一定的帶寬保證圖像、數(shù)據(jù)等的實(shí)時(shí)傳輸，又符合防爆要求。

解決了防爆環(huán)境下移動(dòng)設(shè)備的能源供應(yīng)及井下快速能源補(bǔ)充的技術(shù)難題，閉鎖功能設(shè)計(jì)齊全，有效防止不安全的誤操作或者違規(guī)行為，機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工作能源的安全、快捷供給，不需在井下現(xiàn)場(chǎng)更換電池或者拿到地面充電[2]。

解決了膠帶機(jī)巷道內(nèi)設(shè)備監(jiān)護(hù)位置信息采集、異常聲音采集、圖像數(shù)據(jù)的采集、傳輸與存儲(chǔ)，尤其是在移動(dòng)過程中采集聲音和圖像，并且是在高粉塵、低照度、高溫、高濕等極端惡劣環(huán)境下，保證了圖像和聲音的準(zhǔn)確和有效性。

機(jī)器人控制、顯示、操作系統(tǒng)集中于一體，多種運(yùn)行方式，人機(jī)界面科學(xué)合理，操控簡(jiǎn)單，系統(tǒng)保護(hù)齊全，控制系統(tǒng)選用PLC 和大屏幕工控機(jī)，界面顯示形象逼真內(nèi)容豐富，實(shí)時(shí)顯示膠帶機(jī)圖像、巷道內(nèi)圖像、機(jī)器人本體運(yùn)行位置和速度、電量、電流、溫度等數(shù)據(jù)。系統(tǒng)整機(jī)功耗低，傳動(dòng)效率高，符合節(jié)能減排的要求。

2.3 系統(tǒng)組成

巡檢機(jī)器人裝置構(gòu)造主要由不銹鋼本體、傳動(dòng)系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)、防爆充電器、防爆控制顯示箱等。機(jī)器人采用大容量動(dòng)力鋰電池組供電，滿足工作期間的用電量，采用防爆充電器實(shí)現(xiàn)井下快速充電。在調(diào)度室監(jiān)控界面實(shí)時(shí)顯示整個(gè)膠帶機(jī)運(yùn)行工況，機(jī)器人沿著鋪設(shè)的固定軌道往復(fù)移動(dòng)，膠帶機(jī)運(yùn)行時(shí)采集膠帶機(jī)沿線各項(xiàng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并通過搭建的基站無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒辣刂骑@示箱，準(zhǔn)確可靠地實(shí)現(xiàn)報(bào)警或者停機(jī)，保證膠帶機(jī)安全高效的運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3.1 無線通訊系統(tǒng)

無線通訊系統(tǒng)主要包括防爆電源、本安型基站、定向天線、分線盒、光纜等。本安型基站功能是搭建無線通訊網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)（允許國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的無線設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)），保證系統(tǒng)中防爆控制顯示箱和機(jī)器人之間的信息數(shù)據(jù)傳輸。由于巷道內(nèi)依據(jù)情況安裝一定數(shù)量防爆基站，保證了通訊系統(tǒng)通暢、穩(wěn)定可靠。務(wù)必要保證通訊系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，無線帶寬達(dá)到140M 以上，既要高清視頻流暢清晰，也要支持別的無線設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)訪問的需求。無線通訊系統(tǒng)因無旋轉(zhuǎn)部件接觸設(shè)計(jì)，避免了磨損，相比有線連接的網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)，可以支持系統(tǒng)更長(zhǎng)久地穩(wěn)定運(yùn)行，降低成本。

2.3.2 機(jī)器人本體

機(jī)器人采用流線型設(shè)計(jì)，不銹鋼結(jié)構(gòu)體積小重量適中，既保持長(zhǎng)期美觀性，也能在惡劣的煤礦井下環(huán)境中工作。它是完成各種巡檢任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與上傳的主角，搭載有攝像機(jī)、拾音頭、補(bǔ)光燈、紅外溫度傳感器、煙霧傳感器等探測(cè)裝置，膠帶機(jī)運(yùn)行時(shí)在傳動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，沿著固定軌道往復(fù)移動(dòng)進(jìn)行全面的監(jiān)護(hù)。膠帶機(jī)設(shè)備部位異常時(shí)，故障部位通常會(huì)產(chǎn)生明顯的異常聲音，通過音頻采集，分析研判是否需要報(bào)警或者停機(jī)；低照度寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)具有防塵、防水、抗振等功能，采集的圖像及相關(guān)數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)反映膠帶機(jī)運(yùn)行的真實(shí)工況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患和故障；搭載的紅外溫度探測(cè)儀，可以準(zhǔn)確地測(cè)量出設(shè)備表面溫度，快速檢測(cè)膠帶機(jī)部件的溫度變化，提前預(yù)防事故發(fā)生；煙霧傳感器實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)膠帶機(jī)巷道內(nèi)的煙霧濃度，達(dá)到報(bào)警值時(shí)及時(shí)有效地向防爆控制顯示箱發(fā)出報(bào)警指令[3]。機(jī)器人內(nèi)部電路采用大容量動(dòng)力鋰電池組供電，工作期間節(jié)能降耗解決移動(dòng)設(shè)備拖動(dòng)電纜供電不便的問題，確保機(jī)器人一次充電后能連續(xù)工作16h 以上，保證安全生產(chǎn)的巡檢時(shí)間。

2.3.3 防爆充電器

防爆充電器用于機(jī)器人本體內(nèi)部高能量動(dòng)力鋰電池組充電，充電時(shí)間大約4h，采用防爆設(shè)計(jì)，整機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人自動(dòng)的快速充電，不需在井下工作現(xiàn)場(chǎng)更換電池并拿到地面充電；結(jié)構(gòu)緊湊體積小重量輕，采用快速插接頭，操作安全快捷；防止誤操作設(shè)計(jì)了充電閉鎖功能，具有寬電壓輸入范圍功能，發(fā)熱量小充電效率高，防止溫升導(dǎo)致設(shè)備高溫失效失控等問題。

2.4 安裝方案

軌道自行走裝置對(duì)安裝空間的要求：

巡檢儀部分（軌道自行走型）：1000mm×315mm×556mm（長(zhǎng)×寬×高）。

礦用皮帶機(jī)巡檢機(jī)器人裝置的安裝主要分為電氣安裝和傳動(dòng)系統(tǒng)的安裝，電氣安裝非常簡(jiǎn)便，傳動(dòng)系統(tǒng)的安裝相對(duì)復(fù)雜一些，從理論上來說傳動(dòng)系統(tǒng)可以安裝在非行人巷道側(cè)和皮帶機(jī)支撐架上等位置，具體安裝位置需要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況而定，不管如何選安裝位置，原則上絕不能影響人員安全和其他設(shè)備正常安全的運(yùn)轉(zhuǎn)，務(wù)必要有利于機(jī)器人能夠采集盡可能多的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，如圖3 所示。

2.5 針對(duì)順槽皮帶的處理方式

針對(duì)順槽皮帶機(jī)越采越短的問題，我們建議皮帶機(jī)尾的工字鋼軌道保留，每次縮短距離，移動(dòng)它的前一根，因?yàn)樵谀┒俗詈笠桓壍郎瞎潭顺潆姌兑约跋尬婚_關(guān)，安裝充電樁及限位開關(guān)較為麻煩，但是更換這根軌道是較理想的方式，充電樁的線纜隨著皮帶的縮短，逐漸盤起，如圖4 所示。

圖4 順槽安裝圖

3.結(jié)語

3.1 安全效益

防爆巡檢機(jī)器人既能將巡檢工從煤塵大、噪音大、濕度大的惡劣工作環(huán)境中替換出來減輕了巡檢工的的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了巡檢工安全和健康，又能提高巡檢工作質(zhì)量和降低了設(shè)備的事故率；實(shí)現(xiàn)了膠帶機(jī)保護(hù)全流程監(jiān)護(hù)，實(shí)現(xiàn)了膠帶機(jī)由零散點(diǎn)巡檢到機(jī)器人360 度面巡檢，對(duì)礦井長(zhǎng)周期安全高效生產(chǎn)具有特別重大的意義。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

通過防爆巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的巡檢，不但對(duì)機(jī)電設(shè)備故障進(jìn)行超前研判預(yù)控，減少了機(jī)電設(shè)備非正常停機(jī)故障時(shí)間，提高了機(jī)電設(shè)備的安全生產(chǎn)效率，而且降低了機(jī)電設(shè)備事故造成的經(jīng)濟(jì)損失，并且延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命。巡檢機(jī)器人可以在不同類型的場(chǎng)景大力推廣使用，減少巡檢工達(dá)到減員增效的目的，降低人員成本及安全成本，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。