一種膠帶機防爆巡檢機器人的研究與應用

牛得草

（甘肅華亭煤業集團有限責任公司，甘肅平涼 744100）

0.引言

華亭煤礦煤流運輸主要采用采區膠帶機+采區煤倉+2501 膠帶機+石門膠帶+集中煤倉+主井提升+地面設施組成，2501 膠帶機為礦井主要煤流運輸設備，運輸長度達2000m。

2501 膠帶機安全正常運行是礦井正常生產的保障。然而許多煤礦膠帶機在運行過程中，由于巡檢不到位，發生過托輥損壞、滾筒打滑、煤倉堆煤、膠帶跑偏、驅動滾筒超溫、膠帶縱撕、膠帶接頭斷帶、火災等多種事故，對巡檢員和機電設備的安全造成很大的隱患和問題，并且膠帶機工作巷道內環境惡劣，粉塵大照明不好，不利于巡檢工及時發現問題，同時，受人員生理、心理素質、技能水平等因素的限制，人工巡檢的過程風險、漏檢風險較大。因此，礦井研發應用膠帶機防爆巡檢機器人，不僅能將巡查人員從煤塵噪音大的惡劣工作環境中替換出來，保障了巡檢工的生命和健康，而且能及時發現膠帶機運輸過程中出現的各種隱患問題，避免事故繼續擴大，極大降低了膠帶機的非正常故障停機時間，實現膠帶機保護全流程全面的監護，實現了膠帶機由零散的點巡檢到機器人360 度面巡檢，對煤礦長周期安全高效生產具有特別重大的意義。

結合華亭煤礦生產系統現狀，在2501 膠運大巷皮帶機采用巡檢機器人代替皮帶巡檢工，提升礦井生產自動化程度，實現減人提效，保障礦井運輸系統安全高效生產。

1.煤礦防爆巡檢機器人發展狀況

近年來，機器人技術在國內礦山生產中已有應用，其中山西陽煤集團一礦應用智能巡檢機器人，400 多個數據通過現場工作的傳感器兩小時采集傳回到監控室，替代了兩名巡檢運維人員攜測量設備徒步兩天多才能完成的工作量；陜煤集團神南產業檸條塔礦從2015 年、內蒙古龍王溝礦從2017年均使用巡檢機器人，實現大巷膠帶巡檢等。

目前，各種巡檢機器人已在多個領域中應用，隨著機器人智能化水平提高，推動著它在多個惡劣的環境中嶄露頭角，推動它在應用領域的市場前景越來越廣。它在多種場合發揮著作用，如礦山的輔助運輸系統、交通運輸系統、排水系統、變電所等。機器人需要沿著固定的軌道進行巡視，機器人巡檢最大的特點是可以在沒有人看管的情況下能自動自覺出色地完成工作，尤其是替換掉惡劣環境場所的工作人員，優秀地完成日常巡視所要求的規定內容[1]。這樣一來，機器人不但減輕了技術員工作量，而且經濟效益明顯。

2.技術方案和建設內容

如果在皮帶巷道安裝巡檢機器人不是連續爬坡，我們使用固定軌道巡檢機器人。固定軌道自行走型機械傳動系統主要包括工型鋼軌道、驅動電機、減速器、驅動輪、支撐輪、張緊機構、萬向節、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 機器人功能

移動圖像采集功能：在低照度、高濕度和粉塵環境下，通過機器人本體上搭載的多個攝像頭實現對整個巷道內全景的圖像采集，包括皮帶機、纜線、管路、機電設備等，圖像在防爆控制顯示箱顯示并存儲，通過對圖像的解析，確定膠帶機帶機是否存在隱患問題、損壞程度、隱患位置、是否需要停機檢修、以及有無違章操作等情況。

聲音采集功能：實時采集巷道內的聲音，經網絡實時傳輸至機頭的防爆控制顯示箱播放并存儲。皮帶機在運行過程中，故障部位往往產生較明顯的聲音異常，通過對采集的聲音進行分析，判斷皮帶機是否異常，從而達到及時發現故障、避免故障擴大的目的。

煙霧檢測功能：機器人本體上搭載有煙霧傳感器，有煙霧時，會產生報警。

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

防爆控制顯示箱上留有與皮帶機控制系統的通訊接口，出現故障時可以緊急停止皮帶機的運行。

巡檢機器人身上留有快速通訊接口，快捷地集成多種具有標準通訊接口的檢測儀器，以實現對膠帶機巷道機電設備部位數據的特定檢測和傳輸。

機器人控制系統接入工業以太網環網，可以實現調度監控中心對膠帶機設備各項數據的遠程監視和傳輸。

2.2 裝置的特點

卓越的空間和環境適應性：根據所用場所的不同選擇合適的傳動機構，大傾角使用鋼絲繩牽引式，平巷及小傾角使用軌道式，不影響膠帶機沿線的正常行人和設備的維護等工作。采用先進的本安型無線移動通訊技術，通過設置基站，構建了皮帶機巷道內的無線移動通訊網絡，該網絡可以接入到礦井的整個網絡，實現互聯互通，機器人本體在基站間移動時，可以自動、透明地從一個接入點移動到下一個接入點，實現數據的無縫移動切換，既具有一定的帶寬保證圖像、數據等的實時傳輸，又符合防爆要求。

解決了防爆環境下移動設備的能源供應及井下快速能源補充的技術難題，閉鎖功能設計齊全，有效防止不安全的誤操作或者違規行為，機器人系統實現了工作能源的安全、快捷供給，不需在井下現場更換電池或者拿到地面充電[2]。

解決了膠帶機巷道內設備監護位置信息采集、異常聲音采集、圖像數據的采集、傳輸與存儲，尤其是在移動過程中采集聲音和圖像，并且是在高粉塵、低照度、高溫、高濕等極端惡劣環境下，保證了圖像和聲音的準確和有效性。

機器人控制、顯示、操作系統集中于一體，多種運行方式，人機界面科學合理，操控簡單，系統保護齊全，控制系統選用PLC 和大屏幕工控機，界面顯示形象逼真內容豐富，實時顯示膠帶機圖像、巷道內圖像、機器人本體運行位置和速度、電量、電流、溫度等數據。系統整機功耗低，傳動效率高，符合節能減排的要求。

2.3 系統組成

巡檢機器人裝置構造主要由不銹鋼本體、傳動系統、無線通訊系統、防爆充電器、防爆控制顯示箱等。機器人采用大容量動力鋰電池組供電，滿足工作期間的用電量，采用防爆充電器實現井下快速充電。在調度室監控界面實時顯示整個膠帶機運行工況，機器人沿著鋪設的固定軌道往復移動，膠帶機運行時采集膠帶機沿線各項監控數據，并通過搭建的基站無線網絡傳輸到防爆控制顯示箱，準確可靠地實現報警或者停機，保證膠帶機安全高效的運轉。

2.3.1 無線通訊系統

無線通訊系統主要包括防爆電源、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絡平臺（允許國際標準的無線設備接入網絡），保證系統中防爆控制顯示箱和機器人之間的信息數據傳輸。由于巷道內依據情況安裝一定數量防爆基站，保證了通訊系統通暢、穩定可靠。務必要保證通訊系統穩定可靠的運行，無線帶寬達到140M 以上，既要高清視頻流暢清晰，也要支持別的無線設備的聯網訪問的需求。無線通訊系統因無旋轉部件接觸設計，避免了磨損，相比有線連接的網絡視頻系統，可以支持系統更長久地穩定運行，降低成本。

2.3.2 機器人本體

機器人采用流線型設計，不銹鋼結構體積小重量適中，既保持長期美觀性，也能在惡劣的煤礦井下環境中工作。它是完成各種巡檢任務進行數據采集與上傳的主角，搭載有攝像機、拾音頭、補光燈、紅外溫度傳感器、煙霧傳感器等探測裝置，膠帶機運行時在傳動系統的驅動下，沿著固定軌道往復移動進行全面的監護。膠帶機設備部位異常時，故障部位通常會產生明顯的異常聲音，通過音頻采集，分析研判是否需要報警或者停機；低照度寬動態攝像機具有防塵、防水、抗振等功能，采集的圖像及相關數據能實時反映膠帶機運行的真實工況，及時發現隱患和故障；搭載的紅外溫度探測儀，可以準確地測量出設備表面溫度，快速檢測膠帶機部件的溫度變化，提前預防事故發生；煙霧傳感器實時動態監測膠帶機巷道內的煙霧濃度，達到報警值時及時有效地向防爆控制顯示箱發出報警指令[3]。機器人內部電路采用大容量動力鋰電池組供電，工作期間節能降耗解決移動設備拖動電纜供電不便的問題，確保機器人一次充電后能連續工作16h 以上，保證安全生產的巡檢時間。

2.3.3 防爆充電器

防爆充電器用于機器人本體內部高能量動力鋰電池組充電，充電時間大約4h，采用防爆設計，整機有如下優點：實現了機器人自動的快速充電，不需在井下工作現場更換電池并拿到地面充電；結構緊湊體積小重量輕，采用快速插接頭，操作安全快捷；防止誤操作設計了充電閉鎖功能，具有寬電壓輸入范圍功能，發熱量小充電效率高，防止溫升導致設備高溫失效失控等問題。

2.4 安裝方案

軌道自行走裝置對安裝空間的要求：

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

礦用皮帶機巡檢機器人裝置的安裝主要分為電氣安裝和傳動系統的安裝，電氣安裝非常簡便，傳動系統的安裝相對復雜一些，從理論上來說傳動系統可以安裝在非行人巷道側和皮帶機支撐架上等位置，具體安裝位置需要依據現場情況而定，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備正常安全的運轉，務必要有利于機器人能夠采集盡可能多的現場數據，如圖3 所示。

2.5 針對順槽皮帶的處理方式

針對順槽皮帶機越采越短的問題，我們建議皮帶機尾的工字鋼軌道保留，每次縮短距離，移動它的前一根，因為在末端最后一根軌道上固定了充電樁以及限位開關，安裝充電樁及限位開關較為麻煩，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.結語

3.1 安全效益

防爆巡檢機器人既能將巡檢工從煤塵大、噪音大、濕度大的惡劣工作環境中替換出來減輕了巡檢工的的勞動強度，保證了巡檢工安全和健康，又能提高巡檢工作質量和降低了設備的事故率；實現了膠帶機保護全流程監護，實現了膠帶機由零散點巡檢到機器人360 度面巡檢，對礦井長周期安全高效生產具有特別重大的意義。

3.2 經濟效益

通過防爆巡檢機器人系統的巡檢，不但對機電設備故障進行超前研判預控，減少了機電設備非正常停機故障時間，提高了機電設備的安全生產效率，而且降低了機電設備事故造成的經濟損失，并且延長了設備使用壽命。巡檢機器人可以在不同類型的場景大力推廣使用，減少巡檢工達到減員增效的目的，降低人員成本及安全成本，創造可觀的經濟效益。