1、耐低温智能巡检机器人在霍林河北露天煤矿的应用刘敬玉，李忠飞，刘树栋（国家电投内蒙古公司 北露天煤矿，内蒙古 通辽）摘 要：本文分析了耐低温智能巡检机器人在霍林河露天煤矿的应用情况。通过实地考察法及实验探究法，分析耐低温智能巡检机器人在露天煤矿应用的可行性与策略。关键词：露天煤矿；耐低温；机器人；智能巡检；无人值守中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）目前，我国已建设了很多规模较大的露天矿，我国五大露天煤矿有伊敏、霍林河、元宝山、平朔和准格尔露天煤矿，其中四个在内蒙古境内。统计资料显示，国内大部分露天煤矿分布在内蒙古、新疆等北方地区。随着煤炭需求量的不断增长，大型露天煤矿的改扩建不断增加，露天
2、矿煤炭的运输主要依靠皮带，皮带运输设备在露天矿的应用越来越广，皮带巡检给工人带来了很大的工作量。新疆、内蒙古夏季与冬季温差较大，最低气温以下，最高气温 以上，全年高低温差在 以上，大多运输皮带依山而建，最大坡度可达，有些甚至更大。露天矿没有防护，冬季下雪结冰，夏季高温暴晒，普通巡检机器人不能适应如此恶劣的环境。对耐低温智能巡检机器人进行研究分析显得极有必要。项目基本情况“内蒙古能源有限公司北露天煤矿胶带系统智能巡检机器人技术开发与应用”项目是基于以上背景，对露天超低温环境下机器人代替人员巡检的一项创新应用，是在响应国家号召的前提下对“减员提效”的一次勇敢实践，同时也是实现矿山“数字化、无人化”
3、的一大步。本项目的主要研究内容是在坑口输煤系统 机头转载位置，中转站上安装智能巡检机器人，模拟并替代现有胶带系统巡视人员的巡检工作。在廊道内顶部设置轨道，将基于标准定型机器人产品技术开发而成的动态巡检机器人吊挂于轨道，并在胶带机传动部位往复运行巡检，替代现有的巡视人员巡检。在关键部位设置基于标准定型机器人产品技术开发而成的固定值守机器人，用视频采集系统进行图像分析，完成对胶带机上大块矸石、锚杆、道木、铁管等威胁胶带安全的物料的识别，发现异常后机器人及时报警，并联动 系统控制胶带机停止运行。在现场采用智能摄像机和传感器（对输煤系统设备的温度、振动等参数进行在线实时监测），采集的图像或信号均传输至
4、胶带 输 煤 系 统 中 心 控 制 室 进 行 图 像 分 析 辅 助决策。耐低温智能巡检机器人设计优势特点分析 可靠的安全设计开发应用耐低温器件，加强设备的耐低温性能，选用大容量、耐低温的电池，保证检测设备、传感器的稳定工作和续航里程。从选材和结构设计上尽可能实现全系统达到，通过优化驱动方式，尽可能使机器人可在结冰轨道稳定运行。机器人具有自主控制“大脑”的功能，可以根据机器人检测数据实时处理机器人巡检中发现的问题，如自主避障、遇到障碍物或者入侵人员等，无需外围控制干预，机器人能第一时间报警并自主停车，保证设备和人员安全。超强的空间适用性巡检机器人的发明得益于全新的驱动结构设计和最先进的 无
5、线技术，能广泛适用于各种环境复杂、空间狭窄的皮带廊道和生产站区进行智能巡检。巡检机器人水平拐弯半径仅，垂直拐弯半径，最大爬坡倾角可达，能在大倾角、长距离的应用现场代替巡检工长时间进行往复巡检。在设备密集、管路布置错综复杂、巡检通道狭小的场站区，或在有毒有害、有腐蚀性气体等不适宜人工作业的危险环境中，巡检机器人可以代替人工巡检，将轨道凌空架越，不占用地面空间，减少对设备运行和管路布局的影响，高质量完成巡检工作。DOI:10.13487/ki.imce.022886 机器人状态反馈巡检机器人状态实时检测，如位置、姿态、加速度等，既能辅助巡检机器人进行巡检识别，又方便用于巡检机器人运行安全控制和自检
6、。耐低温智能巡检机器人功能概述及功能需求分析 巡检机器人功能巡检机器人本体由以下几部分组成：能源供给系统、驱动系统、图像采集系统、语音对讲及应急广播系统、环境检测系统、智能防撞与避障系统、精准定位系统。其具体功能如下：一是具备低温适应能力，能在露天低温环境维持系统正常工作状态；具备稳定、安全吊挂式轨道行走方式，占用空间小，不影响人员通过，环境适应性好；具有独立的音频、视频、红外热成像分析手段，运行过程中可对巡检对象进行全方位监控；具有音频异常分析功能，如判断托辊、滚筒、电机等异常音频；具有设备表面温度检测功能，判断托辊、皮带面、线路可视部分、滚筒、电机等温度是否存在异常。二是采用多种定位检测方
7、法相结合，里程计算和 定位技术相配合，精度可达厘米级；具备姿态分析功能，实现自动调速，保证机器人在各种复杂路况下平稳运行；具备可靠的避障保护，能在运行过程中遇到障碍物时自动停车，可实现自动巡检或手动巡检，检测到异常状况时主动报警；能和现有的监控平台连接，实现数据交换共享；可实现远程控制系统与巡检现场的交互式对话，满足应急通信要求，声音清晰；采用自动充电技术，长距离巡检路径中可分布多个充电站，电量低时可自动寻找最近充电站，自主充电。三是系统自带自动清扫装置，保证传感器及各类模块设备表面无积灰、无积尘；具备与矿方设备对接融合功能，便于智慧矿山一体化系统整体性集成；机器人视频、监测数据信息可视化，机
8、器人远程控制站可实现机器人所监测信息显示、机器人自身状态显示以及对机器人的远程控制；具备手机就地控制功能，方便现场操作。机器人功能需求该机器人在露天煤矿应用时应当有以下功能需求：一是具有本体温度自检、自动防寒、自动充电功能；具有环境检测分析功能，重点检测输煤系统粉尘是否超限；具有声音采集和双向对讲功能，可实现实时对讲，声音可调节；具有音频异常分析功能，自动采集并自动分析判断托辊、滚筒、电机等胶带系统主要设备的异常音频，实现异常情况自动预警，能自动回传至输煤系统中心控制室；具有胶带系统设备表面温度检测功能，自动测定并分析判断托辊、输煤胶带表面、可视部分线路、滚筒、电机等温度异常情况，实现异常情况
9、自动预警，自动回传至输煤系统中心控制室；搭载云台高清摄像仪，实时采集沿巡检方向的胶带机传动部现场运行工况，实现胶带机传动部的全方位可视化监控，如胶带机滚筒、带面、电机、减速机、启动器、张紧部位、电缆和管路、仪表等。二是具有手动控制和远程控制功能，方便中心控制室远程控制和操作；采用开放性、标准化通信协议，方便与现有系统进行对接集成；传输现场实况和监测数据等，既可以通过工业网络实现远程控制，也可以通过办公网络进行访问；搭载高灵敏度拾音器和信号处理器，对现场环境进行检测；实时上传自身位置信息，自带自动清扫装置，保证传感器及各类模块设备表面无积灰、无冻霜；实现危险环境的充电，快速插接头，操作简单、快捷
10、、安全，充电闭锁设计完备，在技术上保证在易燃易爆情况下的充电安全。耐低温智能巡检机器人轨道系统运行试验分析 工字钢链条轨道运行试验该机器人在工字钢链条轨道运行优势如下：该方案的复合轨道由工字钢和链条组成，链条焊接在轨道翼板上，由两侧驱动链轮驱动，属于啮合运动，链条和链轮之间产生极大的挤压力，不容易受到冰雪的影响，能够解决冰雪覆盖的轨道面打滑问题。其缺点为：该驱动结构在单节平直轨道没有问题，但在轨道分节和提前预制时，链条节距和轨道连接处会产生问题。在试验时发现，双驱链轮对固定的链条轨道产生干涉，会积累同步干涉问题，产生跳齿现象。另外，该方案成本高、制造难度大、安装困难、维护不便，不适合长距离铺设
11、。工字钢冲孔板轨道运行试验该方案的复合轨道由工字钢和冲孔板组成，冲孔板焊接在轨道翼板上，驱动轮为聚氨酯材质，由双侧电机减速机驱动。通过试验发现，聚氨酯轮不能通过挤压的方式完全破除冰雪对轨道的影响，运行效果与冲孔板的孔径、间距有较大相关性。最主要的问题是，聚氨酯轮和金属冲孔边缘产生切割滑移会导致驱动轮的快速磨损。工字钢草纹带组合轨道运行试验该复合轨道由工字钢和特制橡胶草纹带组成，橡胶草纹带由特种胶水黏贴在轨道翼板上，驱动轮同为聚氨酯材质，由双侧电机减速机驱动。通过试验发现，冬季自然落雪在翼板草纹带不易凝结，通过人工喷水使轨道结冰，机器人在结冰轨道上行走，由于草纹带表面橡胶绒毛的存在，聚氨酯轮通过
12、时挤压草纹带，草纹带表面附着的冰层很容易破碎，在的斜坡轨道测试发现，运行效果良好，不会产生溜车、飞车的问题。经过 个月、两千多千米 连续往复的爬坡试验，经历了风霜雨雪天气，该方案的驱动轮组与轨道的配合始终能保证机器人的稳定运行，证明了该方案的可行性。胶带系统智能巡检机器人系统研发要求分析基于招标人员需求和现场工况，研发胶带系统智能巡检机器人系统，实现输煤系统设备各类状态监测、图像采集、远程回传控制、数据统计和决策分析等功能。具体情况如下：一是胶带系统智能巡检机器人系统的研发，应至少包括输煤系统设备在线状态监测子模块、自动预警和远程控制子模块和中心数据分析决策支持模块。设备在线状态监测子模块在现
13、场位置分布部署，子模块数据支持现场存储，同时经网络实时传送至中心服务器进行集中统计分析和决策支持报表开发，满足招标方管理要求。二是胶带系统智能巡检机器人系统的设备在线状态监测子模块，主要位于落煤点或重要监测位置，用于采集快速运转的皮带图像和设备在线状态信息。三是设备在线状态监测子模块研发，内容至少应包括：通过现场影像和实时状态信息分析，能够识别大块矸石、锚杆、道木、铁管等大块物料和长杆利器等胶带系统运行时的异物，将图像信息与图像识别结果实时上传到子模块工控机和中心数据服务器。发现异常巡检机器人系统及时发出警报，结合从控制系统获取的胶带速度，记录异物位置，同时与胶带机集中控制系统实现互锁，使胶带
14、机停止运行。四是设备在线状态监测子模块能对胶带机硫化接头进行重点取样分析，实现对比数据分析并实时显示在主机界面，降低胶带机纵撕、断带事故发生的概率。设备在线状态监测子模块研发，内容至少应包括现场控制分站、各类振动传感器、红外温度传感器、监控设备及预警控制软件系统。五是设备振动监测，内容应包括多路振动监测通道，通过加速度传感器采集被监测设备的振动参数，经过系统分析、处理，将被监测设备的振动参数上传到控制分站界面，并直观显示数据和现场操作。可根据现场监测到的振动参数与基准设定值进行比较，超出基准值以后，能在分站界面和中心控制界面显示故障预警，并在防爆箱中输出故障报警接口，供现场电控设备采集。六是设
15、备温度监测，内容应包括多路温度监测通道，通过红外温度传感器采集被监测设备的温度参数，经过 的分析、处理，将被监测设备的温度参数上传到控制分站界面，并直观显示数据和现场操作；可根据现场监测到的温度参数与基准设定值进行比较，超出基准值以后，能在分站界面和中心控制界面显示故障预警，并在防爆箱中输出故障报警接口，供现场电控设备采集。通过分站界面和中心控制界面实时输出振动监测曲线和温度监测曲线。实时参数应至少包括振动参数、温度参数、视频画面等及实时报警和历史报警功能，当运行参数超出设定范围时，以声（蜂鸣器）、光（红色指示灯）和计算机屏幕提示的形式发出报警信息，并自动记录。联网功能应至少包括系统提供网络接
16、口，可与招标方的工业网和办公网实现互联互通。各类数据采集设备选型和集成应采用开放性、标准化通信协议，方便扩展。总之，露天煤矿开采是我国煤矿开采重要组成部分。耐低温智能巡检机器人的研发应用具有多方面优势，通过有效巡检可以帮助煤矿管理人员动态了解煤矿各项工作现状，在煤矿开采出现异常情况时，在第一时间采取措施予以应对，这样可以保证开采的安全性与可靠性。参考文献：杨学军，王然风，王怀法，等基于运动过程还原法的液压支架巡检机器人位姿检测 太原理工大学学报，（）：潘祥生矿用悬线式巡检机器人的设计及动力学分析煤矿机械，（）：李学民矿用巡检机器人关键技术分析煤矿机械，（）：裴文良，张树生，李军伟矿用巡检机器人设计及其应用制造业自动化，（）：马静雅，岑强，李军伟矿用带式输送机巡检机器人系统设计煤炭技术，（）：蒋亚奇智能化巡检机器人在煤矿变电站的应用能源科技，（）：杨曹，杨春辉煤矿变电站巡检机器人关键技术的研究与应用科技风，（）：作者简介：刘敬玉（），男，内蒙古通辽人，硕士研究生，高级工程师，从事煤矿安全生产管理工作。
