煤矿机器人智能安全充电系统设计

胡而已1,吕东翰1,王春涛2,孙益壮1,李梦雅1

(1.中国矿业大学 机电工程学院,江苏徐州 221116;2.中国石油天然气管道第二工程有限公司,江苏徐州 221116)

摘 要:煤矿机器人工作在井下危险气体环境下,特别是对于井下移动式巡检机器人,其动力系统的能源供给方式主要以锂电池供电为主,目前《煤矿安全规程》对锂电池的井下使用有着严格的限制条件,其充电必须要求在专用的充电硐室中进行。 为提高煤矿机器人的续航能力和实用性,研究一种煤矿机器人智能安全充电系统,提出煤矿机器人专用充电硐室构想,设计煤矿机器人井下智能岔轨及硐室内充电技术,系统由煤矿机器人、煤矿机器人移动轨道、煤矿机器人转向用智能岔轨以及硐室内充电桩组成,通过井下巡检机器人专用充电硐室和智能岔轨技术的设计,可实现巡检类机器人井下在轨充电,有利于煤矿机器人井下不间断智能巡检作业。

关键词:煤矿机器人;锂电池;井下充电;充电硐室

0 引 言

煤炭一直在我国一次能源消耗中占据举足轻重的地位,并且在未来很长一段时间内这一比例仍将维持在50%以上。 国外主要产煤国家开采条件好[1],开采装备水平先进[2];而国内煤炭开采以井工开采为主,整体来看开采条件复杂多样,煤矿井下作业危险性高,是迫切需要开展机器人换人的高危行业之一。 煤矿机器人的研发一直以来都是矿山装备研究的热点问题之一[3],国内各煤矿高校、科研院所较早提出煤矿救援机器人[4-5]的概念,并开展了广泛的研究,随着智能机器人在工业生产其他领域的大规模应用[6-7],为煤矿机器人的若干技术突破提供了部分解决方案[8-9]

然而,受制于煤矿井下高爆炸性气体和粉尘环境的影响[10],煤矿机器人大规模推广应用仍然遇到诸多亟待解决的问题[11-12],例如机器人的井下动力[13]、驱动[14]问题显得尤为突出,是需要突破的关键问题之一。 目前,各类煤矿机器人的能源供给方式包括电动、无极绳拖曳、柴油、气动等[15-16]。 特别是针对煤矿井下移动式机器人对机动性能的高要求,其最合适的动力方式依然是电池驱动[17]。 经过多年发展,电池技术已经能初步满足矿用产品安全设计的要求,目前比较成熟的煤矿机器人为带式输送机巡检、井下变电所及水泵房值守机器人,其动力电源采用磷酸铁锂电池。 目前,国内外煤矿动力电池充电一般采用有线充电和无线充电相结合,煤矿井下有线充电具有充电功率大、充电速度快以及安全的优点,但需要专门的充电硐室或机器人充电舱[18]。 有线充电一般采用隔爆型充电装置,隔爆型充电装置和隔爆型电池在对接状态、充电状态和分离状态均应保证封闭的隔爆腔,对接状态、充电状态和分离状态应保证有独立的安全闭锁机构[19]。 确保充电接口未可靠连接和充电隔爆腔未形成前,机器人及其充电装置的充电接口不带电,避免产生电弧、电火花和危险温度,引爆瓦斯,造成安全事故[20]。 煤矿井下无线充电具有不需要专用充电硐室和机器人充电舱等优点,但不能大电流快速充电,充电功率小,充电时间长[21]。 而且单点小功率、多点分散无线充电,不但要考核单一充电点的本质安全防爆性能,还要考核邻近多点的功率和能量叠加[22]。 但煤矿机器人锂电池的井下充电方案问题还未得到根本的解决[19-20],不能保障矿井下的充电安全。

为推动煤矿机器人的技术进步,煤矿机器人动力电源的井下充电技术及其安全性认证是关键。 笔者通过分析目前移动机器人领域广泛采用的锂电池存在的技术问题和安全隐患,特别是磷酸铁锂电池井下充电过程中存在的安全风险,提出通过现有技术手段和充电装置的设计规避此类风险,以满足煤炭行业政策法规的要求,为下一步煤矿机器人实现大批量下井替人作业,提供更高效、安全的能源动力解决方案。

1 煤矿机器人井下充电安全性要求

依据现有的2016 版《煤矿安全规程》关于煤矿井下充电的规定:“机车等移动设备需要在专用充电硐室或地面充电”。 因此,目前煤矿机器人作为一种广义上的井下移动设备,也必须满足规程的相关要求,为其建设专用的充电硐室。 煤矿机器人在使用过程中遇到电力不足时,需要自主移动至相应的充电硐室进行电能的补充。 例如现阶段比较成熟的煤矿巡检类机器人产品主要为带式输送机、巷道及井下变电所、水泵房巡检机器人,这类巡检区域在煤矿建设初期并未考虑加装巡检机器人的需求,故一般不具备二次建设井下专用充电硐室的地下空间和支护条件,极限情况下只能将巡检机器人人工搬运至地面进行充电,使得煤矿机器人的实用性降低。

目前在矿用锂电池[21]的安全标注申请过程中有严格的设计和参数限制要求,如:对电池容量、内部串联方式等均有具体的要求。 防爆矿用锂电池的安全标注在申请过程中严格意义上要提供“电池不爆炸证明”,只有在确认电池本质安全不会发生爆炸的情况下,才能参照普通的防爆电气检测标准去做有关过压试验,然而目前的研究数据只能支撑电池在不充电工况下的相对安全性,锂电池的爆炸事故大多是出现在充电过程中。 另外,目前的防爆电气设计准则(GB 3836)中的有关规定,实际上主要是针对电气设备的故障导致的电火花避免二次引燃瓦斯的问题,所以一方面电气设备本身不产生电火花,另一方面设计隔爆壳把火花引燃的保障区域限定在隔爆体内部,隔爆体要求局部一定的强度和接缝不传爆特性。 但研究表面锂电池的爆炸往往不符合以上的火花引燃模型,锂电池的自燃和爆炸可以在不需要外部氧气和其他危险气体的环境下自发进行,且爆炸的自身威力巨大,上述的隔爆壳设计理论和标准原则上来说均不适用。 因此只能在矿用锂电池的充电环节[22]给予更高的安全要求,即井下充电必须在专用硐室中进行。

2 煤矿机器人充电硐室设计构想

煤矿机器人作为一种全新智能化程度较高的矿用电气设备,目前安标对井下移动设备的充电有严格要求,井下充电必须在专用硐室中进行,因此煤矿机器人作为一种井下移动电气设备也必须满足此项规定。 煤矿机器人充电硐室的设计除了需要考虑机器人充电过程中的安全性外,还需要研究解决井下作业机器人充电过程的便捷性问题,最大限度地提升机器人的续航能力,从而提高煤矿机器人的实用性。 煤矿机器人专用充电硐室的设计参考井下电机车专用充电硐室的设计思路,煤矿机器人专用充电硐室在井下巷道中的布置位置如图1 所示。 按照《煤矿安全规程》的有关规定:煤矿机器人充电硐室必须形成独立的通风系统,回风风流必须引入回风巷,充电间硐室内积聚的氢气体积分数不得大于0.5%,充电室装设向外开的防火门,防火门全部敞开时不得妨碍机器人的正常通过,防火门上应装设便于关严的通风孔,保护好各类通防设备、设施,严禁破坏损伤。

图1 机器人专用充电硐室设计
Fig.1 Design of special charging chamber for robots

只有实现煤矿机器人充放电过程无人操作,才能使得煤矿机器人在井下巡航和续航畅通无阻。 因此煤矿机器人充电硐室的关键是要实现巡检机器人自身电源检测、位置识别、与硐室门的信息交互、岔轨的智能变轨与对准以及机器人与充电桩正确连接等功能。 首先,充电硐室应根据矿井生产布局,且机器人专用充电硐室最好建立在机器人工作区域内,以提高工作效率。 其次充电硐室应与矿井回风大巷联通,即充电硐室应具有排气系统,以便于使充电室内产生的有害气体进入矿井排风系统,降低充电硐室内有害气体含量。 另外充电硐室装有充电智能控制系统,实时监测充电电压、充电电流以及电源温度,并汇总传输至矿用隔爆兼本安型PLC 控制箱,对充电过程进行检测与控制。 同时,充电硐室内必须设置足够数量的扑灭电气火灾的灭火器材;必须设置甲烷传感器,当甲烷体积分数大于0.5%时,停电并闭锁,大幅提升了安全性。 如图2 所示,通过一种煤矿机器人轨道系统的设计,可实现机器人自主安全充电。 煤矿机器人通过自身的电池管理系统感知储备电量的大小,当储备电量不足时,机器人离开正常巡检工位,通过井下定位系统移动至固定的专用充电硐室附近,通过无线发射模块,给轨道系统上的智能岔轨发出动作信号,智能岔轨接收到动作信号后,执行并轨动作,煤矿机器人从巡检轨道移动至充电轨道,并通过和井下硐室防护门联动进入充电硐室内部,依靠接触时位置开关和硐室内的充电装置碰触,通过机械或电磁吸合装置紧密接触,形成安全可靠的防爆腔以保护充电触头的正常拔插,机器人自动判断充电量,完成充电过程后,按照顺序执行出硐室动作,通过智能岔轨进入正常巡检轨道,重新投入到巡检工作中。

图2 煤矿机器人智能安全充电系统设计
Fig.2 Design of intelligent safe charging system for coal mine robot

3 充电硐室智能岔轨系统设计

为实现煤矿机器人的自动进出硐室及智能充电,需要设计一种煤矿机器人智能道岔,提供硐室自动充电技术。 笔者提出一种煤矿机器人井下智能岔轨及硐室内充电技术,系统由煤矿机器人、用于煤矿机器人移动的轨道、用于使煤矿机器人转向硐室的岔轨以及硐室内的充电桩组成。 此类煤矿机器人主要用于巡检,其通过摩擦轮和导向轮方式连接在悬挂于巷道顶部的轨道上。 煤矿机器人上设有控制装置、用于电池电量检测的电池检测装置、超声波位移传感器、用于连接外部电源的电源连接装置。 由于煤矿机器人工作在爆炸性气体环境中,电源连接装置不能裸露在外部,在煤矿机器人内设充电腔室且具有充电腔室门板,该充电腔室门板下端安装在煤矿机器人充电腔室下壁上,并可绕安装点转动,机器人电源连接装置安装在充电腔室后壁上。

煤矿机器人井下智能岔轨结构如图3 所示,固定框架1 为长方形,吊耳5 固定在固定框架1 四角及中间位置的外部,整个岔轨通过吊耳5 悬挂于井下巷道顶板上,短节4 固定在框架1 两侧的下方,轮组滑轨3 为2 根,安装在固定框架1 内部对称放置,移动直轨2、移动弯轨7 与气缸8 的连接部分焊接在移动直轨2 和移动弯轨7 上,导向轮组6 设置2组,每组设有2 个滑轮,通过垫块连接在移动直轨2和移动弯轨7 机架上,导向轮组6 中的滑轮设置在轮组滑轨3 的轨道中,从而将移动直轨2 和移动弯轨7 与固定框架1 连接在一起,气缸8 一端穿过固定框架1,另一端与移动直轨2 和移动弯轨7 连接在一起。 轮组滑轨3 的轨道内部的上下两极限位置,根据移动直轨2 或移动弯轨7 与短节4 准确对接时导向轮组6 的极限位置设置,防止导向轮组6移动时位置发生错误,避免巡检机器人发生脱离轨道等危险,从而确保整个岔轨变轨的准确性和稳定性。 其工作过程如下:当煤矿机器人行驶到岔轨前方时,如不需转向,则继续保持运行方向,当需要改变运行方向时,煤矿机器人发出变轨命令,控制器控制气缸8 伸缩,气缸8 的活塞杆带动移动直轨2 和移动弯轨7 平移到极限位置,从而实现变轨。

图3 煤矿机器人井下智能岔轨结构示意
Fig.3 Structure of underground intelligent bifurcation rail of coal mine robot

1—固定框架;2—移动直轨;3—轮组滑轨;4—短节;5—吊耳;6—导向轮组;7—移动弯轨;8—气缸

4 煤矿机器人井下充电工作流程

图4 煤矿机器人充电流程
Fig.4 Charging flow of coal mine robot

为保障煤矿机器人安全充电,充电工作流程如图4 所示:首先煤矿机器人电池检测装置检测当前电量T,并将检测到的电量T 发送到控制装置处,然后控制装置将当前电量T 与预设最低阀值A1比较,当电量低于预设最低阀值A1时,煤矿机器人向智能岔轨发出变轨的命令。 智能岔轨接收到命令后,控制气缸推动轨道移动实现变轨,煤矿机器人沿轨道向硐室移动。 当煤矿机器人通过自主定位系统移动到适当位置时,充电桩伸出的电源插座与煤矿机器人充电腔室门板接触,煤矿机器人继续向前移动使充电腔室门板受电源插座反作用力打开,煤矿机器人继续向前移动,直至煤矿机器人的电源连接装置与充电桩电源插座连接。 当煤矿机器人电量T 超过预设最高阀值A2或收到离开充电桩的命令时,煤矿机器人沿轨道反向移动,充电桩电源插座离开煤矿机器人充电腔室,充电腔室门板自动关闭。 待煤矿机器人返回工作轨道后,向智能岔轨控制发出变轨命令,工作轨道恢复。

5 结 论

1)通过总结煤矿井下爆炸性气体环境下动力技术的解决方案,得出了煤矿机器人充电技术的设计要求。

2)参考井下电机车充电规范,提出了煤矿井下机器人专用充电硐室的设计思路,可根据矿井巷道具体的通风系统布置情况,将机器人充电硐室设计在联络巷中,通过智能岔轨的巧妙设计,实现煤矿机器人智能感知电量储备、自主进出充电硐室、自动完成充电过程。

3)该机械装置设计简单可靠、易于维护,特别适用于基于单轨吊式吊装轨道的巡检类机器人的井下自动充电,只需在硐室内铺设轨道并沿轨道线设置充电桩,即可完成煤矿机器人的快速对接,实现机器人安全充电,提高机器人的巡航里程和井下作业范围。

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Design of intelligent safety charging system for coal mining robot

HU Eryi1,LYU Donghan1,WANG Chuntao2,SUN Yizhuan1,LI Mengya1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China;2.CNPC Pipeline Bureau No.2 Engineering Company Limited,Xuzhou 221116,China)

Abstract:Coal mine robots work in underground hazardous gas environment, especially for underground mobile inspection robots.The power supply mode of power system is mainly based on lithium battery power supply.At present, Coal Mine Safety Regulations have strict restrictions on the use of lithium batteries, and its charging must be carried out in a dedicated charging chamber.In order to improve the cruising ability and practicability of coal mine robots, a kind of intelligent and safe charging system for coal mine robots is studied in this paper, and a special charging chamber for coal mine robots is proposed.The underground intelligent rails and indoor charging technology for coal mine robots are designed.It consists of coal mine robots, robots moving rails, intelligentrails for steering of coal mine robots, and indoor charging piles.Through the design of special charging shafts and intelligent rail technologies for underground inspection robots, the patrol robot is charged in the orbit of the mine, which is beneficial to the uninterrupted intelligent inspection of the inspection robot.

Key words:coal mine robot; lithium battery; underground charging; charging chamber

中图分类号:TD67

文献标志码:A

文章编号:0253-2336(2020)02-0171-05

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胡而已,吕东翰,王春涛,等.煤矿机器人智能安全充电系统设计[J].煤炭科学技术,2020,48(2):171-175.doi:10.13199/j.cnki.cst.2020.02.022

HU Eryi,LYU Donghan,WANG Chuntao,et al.Design of intelligent safety charging system for coal mining robot[J].Coal Science and Technology,2020,48(2):171-175.doi:10.13199/j.cnki.cst.2020.02.022

收稿日期:2019-08-11;

责任编辑:赵 瑞

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51875568);国家重点研发计划资助项目(2018YFC0604503);中国矿业大学大学生创新资助项目(DCXM201933);国家煤矿安全监察局委托资助项目(2019-行管司-022-2)

作者简介:胡而已(1982—),男,安徽桐城人,副教授。 E-mail:hu@cumt.edu.cn