礦用帶式輸送機巡檢機器人驅動系統設計

梁占澤

(國家能源集團神東煤炭集團有限責任公司， 陜西 神木 719315)

0 引言

帶式輸送機作為煤礦重要的運輸設備，具有運輸距離長、運輸量大、效率高等優點[1-2]。然而帶式輸送機故障時有發生，對帶式輸送機狀態進行監測是實現其安全高效運行的重要保障[3]。目前帶式輸送機狀態監測仍以現場人工巡檢為主，存在勞動強度大、巡檢效率低等問題，難以適應智能礦山生產需要[4]。因此，研發自動化程度高、功能齊全、可靠性高的巡檢機器人以代替人工巡檢已經成為未來發展趨勢[5]。

陸文濤等[6]設計了一種礦用帶式輸送機巡檢機器人系統，介紹了系統的組成和功能，論述了巡檢機器人裝置的結構設計和數據采集方法。崔融融[7]提出了一種帶式輸送機故障自動巡檢機器人系統，給出了故障檢測算法及流程。宣鵬程等[8]結合軌道式巡檢和鋼絲繩牽引的優點，設計了一套軌道式帶式輸送機巡檢機器人系統，該系統不僅能實時采集、存儲巷道環境數據，還能智能識別異常情況。張濤等[9]針對不同帶式輸送機故障選定了相應的傳感器并提出了故障檢測算法，設計了一種集傳感、控制及通信功能于一體的帶式輸送機故障巡檢機器人系統。上述研究主要針對帶式輸送機巡檢機器人故障識別與診斷等方面，忽視了巡檢機器人運動問題[10]。由于井下巷道設備較多，作業空間狹小且地形復雜，巡檢機器人運動時會遇到爬坡、煤泥障礙等極端路面情況[11-12]。鑒于此，筆者設計了一種帶式輸送機巡檢機器人驅動系統，可確保巡檢機器人在軌工作時的穩定性和可靠性。

1 巡檢機器人驅動系統設計

1.1 巡檢機器人行走方式

目前應用于巡檢機器人的行走方式主要有輪式傳動、履帶式傳動、懸線式傳動和軌道式傳動，其優缺點對比見表1。軌道式傳動相較于輪式傳動和履帶式傳動，能適應各種不同的路面環境，傳動平穩且噪聲小。與懸線式傳動相比，軌道式傳動更容易搭建機架，且消耗功率較小，更適合遠距離巡檢[13-15]。

表1 巡檢機器人行走方式優缺點對比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of walking modes of inspection robot

鑒于煤礦帶式輸送機巡檢距離較長、巡檢目標相對單一且巡檢路線固定，本文采用軌道式傳動作為巡檢機器人的行走方式。但該方式在軌道面附著煤泥的情況下驅動輪會卡死，且面對坡度較大的軌道時可能發生打滑現象，因此需要進行優化設計。

1.2 巡檢機器人驅動系統結構

為了使巡檢機器人驅動系統獲得更大的驅動力，設計了一種四輪支撐、兩輪驅動的新型軌道式驅動系統，該系統主要由驅動輪、支撐輪、夾緊機構、驅動電動機、減速機、傳動軸和工字鋼軌道等組成，如圖1所示。2個驅動輪與夾緊機構連接，4個支撐輪與巡檢機器人本體連接，驅動輪和支撐輪分別置于軌道兩側呈對稱布置。2個驅動輪通過夾緊機構的夾緊力緊貼在軌道面內側，驅動電動機輸出轉矩經減速機增大后傳遞給傳動軸，最終作用在驅動輪上，整個巡檢機器人依靠驅動輪與軌道之間的摩擦向前運動，支撐輪則承載整個巡檢機器人的質量并起到輔助行走的作用。

圖1 軌道式驅動系統組成Fig.1 Composition of rail type driving system

1.2.1 驅動輪

驅動輪是驅動系統的執行機構，其提供的驅動力直接影響巡檢機器人的運動性能。驅動輪主要包括驅動輪本體和特制防滑紋路2個部分，如圖2所示。在夾緊機構的正壓力作用下，驅動輪通過防滑紋路與工字鋼軌道翼板摩擦產生前進的動力。當軌道鋪設在坡度較大的地面時，特制防滑紋路的高摩擦因數能夠確保驅動輪不發生打滑。

圖2 驅動輪Fig.2 Driving wheel

1.2.2 夾緊機構

夾緊機構的主要作用是調節驅動輪與軌道之間正壓力大小，由擺臂、壓縮彈簧、螺母及夾緊螺桿等組成，如圖3所示。驅動輪與擺臂剛性連接，擺臂的一端為固定端并鉸接于驅動支架上，另一端為擺動端并通過螺母安裝于夾緊螺桿上，調節螺母，擠壓壓縮彈簧，使得對稱布置的驅動輪相互夾緊。巡檢機器人在水平軌道和有坡度軌道上運行時所需驅動力不同。在水平軌道上運行時，驅動力矩只需要克服滾動阻力即可；但在有坡度軌道上運行時，不僅需要克服滾動阻力，還要克服機器人本體重力產生的分力。此時夾緊機構可根據驅動輪與軌道之間的壓力自動調整驅動輪與軌道的夾緊力，避免巡檢機器人打滑。

圖3 夾緊機構Fig.3 Clamping mechanism

1.2.3 驅動電動機和減速機

巡檢機器人行走時需要經歷加速、勻速、爬坡等過程，驅動電動機用于驅動巡檢機器人行走。結合現場實際情況，巡檢機器人驅動系統技術要求見表2。

表2 巡檢機器人驅動系統技術要求Table 2 Technical requirements of driving system of inspection robot

在極限情況下，當巡檢機器人以最大行走加速度0.5 m/s2在25°斜坡上運動時，驅動系統所需牽引力最大，最大牽引力為

FT=Ff+Fr+Fj=

15.98 N+248.5 N+300 N≈564.5 N

(1)

式中：Ff為巡檢機器人運動所需克服的滾動阻力和空氣阻力；Fr為巡檢機器人重力沿斜坡向下的分力；Fj為巡檢機器人加速運動時的驅動力。

每個驅動電動機額定輸出功率為

(2)

式中：Vmax為巡檢機器人最大行走速度；n為驅動電動機數量；η為驅動系統總效率。

查閱機械設計手冊，選取安全系數為1.2，最終選用的驅動電動機功率為200 W。驅動電動機主要參數：額定電壓為DC24 V；額定轉速為3 000 r/min；輸出功率為200 W；額定轉矩為0.64 N·m；電動機質量為2.7 kg。

驅動輪工作轉速為

(3)

式中d為驅動輪直徑。

減速機減速比為

(4)

式中nd為驅動電動機額定轉速。

2 主要零件的強度校核

在巡檢機器人驅動系統中，傳動軸為關鍵傳動件，主要傳遞轉矩，是動力輸出的關鍵環節;擺臂為夾緊機構中的關鍵結構件，用于連接驅動系統和巡檢機器人本體。為準確、直觀地得到傳動軸和擺臂受載時的應力、應變及其分布規律，對傳動軸和擺臂2個主要零件進行有限元仿真分析。

2.1 幾何模型建立

傳動軸屬于簡單的回轉體零件，結構簡單對稱，但擺臂屬于結構復雜的零件。為了后續分析的一致性，傳動軸和擺臂的幾何模型統一采用三維建模軟件Pro/E建立，分別如圖4、圖5所示。

圖4 傳動軸幾何模型Fig.4 Geometric model of driving shaft

圖5 擺臂幾何模型Fig.5 Geometric model of swing arm

2.2 網格劃分

采用HyperMesh軟件對傳動軸和擺臂幾何模型劃分網格。傳動軸和擺臂的材料均選用45號鋼，相關材料屬性配置：屈服強度為185 MPa；泊松比為0.31；彈性模量為2.1×105MPa；密度為7.85×103kg/m3。

2.3 有限元計算

將傳動軸和擺臂幾何模型導入ANSYS軟件后，根據零件的實際工況在對應位置添加約束和載荷，得到應力分布情況，分別如圖6、圖7所示。

圖6 傳動軸應力分布Fig.6 Stress distribution of driving shaft

圖7 擺臂應力分布Fig.7 Stress distribution of swing arm

在受力600 N的情況下，傳動軸和擺臂的危險截面位于圖中紅色區域，此時傳動軸最大應力為59.4 MPa，擺臂最大應力為47 MPa。查閱機械設計手冊，選取安全系數為1.4，傳動軸和擺臂的極限應力分別為83.2，65.8 MPa，遠低于材料的屈服強度，滿足高可靠性要求。

3 試驗驗證

為了更接近煤礦帶式輸送機巡檢機器人實際應用環境，測試巡檢機器人的爬坡和越障性能，試驗平臺為具有一定角度的斜坡軌道和煤泥障礙軌道，如圖8所示。軌道長度為20 m，通過改變特制摩擦紋路的工字鋼導軌在立柱上的連接位置來調節軌道坡度。

(a) 斜坡軌道

(b) 煤泥障礙軌道

巡檢機器人以0.5 m/s的運行速度從軌道一端運動到另一端，記錄巡檢機器人整個運動時間，并觀察巡檢機器人在運動過程中是否發生打滑及卡死現象。為避免坡度過大導致機器人出現驅動力不足的情況，軌道初始坡度設置為10°，并以5°遞增，直至達到驅動系統技術要求的最大坡度25°。

巡檢機器人運行情況見表3。在斜坡軌道測試中，巡檢機器人經歷了加速、勻速和減速過程，在25°斜坡軌道上機器人仍可完成加速運動，且在上下坡過程中機器人運行平穩，并未出現因驅動力不足而不能運動的現象。在煤泥障礙軌道測試中，巡檢機器人運行情況良好，每次測試的運動時間大致相同，驅動輪上的特制防滑紋路大大加強了驅動輪與軌道之間的摩擦力，沒有發生打滑現象。

表3 巡檢機器人運行情況Table 3 Running conditions of inspection robot

4 結論

(1) 綜合考慮帶式輸送機巡檢工作環境要求和不同巡檢機器人行走方式的優缺點，確定了軌道式傳動作為巡檢機器人的行走方式；設計了一種四輪支撐、兩輪驅動的軌道式驅動系統，巡檢機器人依靠驅動輪與軌道之間的摩擦向前運動，支撐輪則承載巡檢機器人的質量并起到輔助行走的作用。

(2) 對巡檢機器人驅動系統的關鍵零件——傳動軸和擺臂進行了有限元仿真分析，得到傳動軸和擺臂的極限應力分別為83.2，65.8 MPa，遠低于材料的屈服強度，保證了巡檢機器人的可靠性。

(3) 在斜坡和煤泥障礙軌道上對巡檢機器人驅動系統的爬坡和越障性能進行了測試，結果表明，在25°斜坡軌道上巡檢機器人仍可完成加速運動，且遇到煤泥障礙時沒有發生打滑和卡死現象。