地面煤仓清堵机器人的设计研究

于汝

摘 要：地面煤仓作为储存煤炭的中间储存装置，会有原煤不断流入和流出，原煤仓结构上部呈圆柱体，下部呈双曲线圆锥。上口大，下口小，原煤自上而下靠自重下落，长时间会形成煤仓堵塞。传统的煤仓清理过程主要依靠人工清理，为提高工作效率和避免出现塌方，有毒气体危害清仓人员，故提出采用煤仓清堵机器人代替人工和放炸药的清仓技术，该清仓机器人采用伺服电机驱动，依靠PLC控制，将煤仓清堵机器人下放到工作位置后，煤仓清堵机器人开始工作。煤仓清堵机器人提高了工作效率，节省了工作时间，降低了清仓人员的人身危害。

关键词：地面煤仓;清堵机器人;自动化清仓

1 研究背景

地面煤仓作为储存煤炭的中间储存装置，会有原煤不断流入和流出，原煤仓结构上部呈圆柱体，下部呈双曲线圆锥，原煤自上而下靠自重下落，煤仓的侧壁上因凸起或凹陷形成倾角较小的平台，会阻止煤粉下落并为煤粉提供容留场地，同时也增大了煤仓壁面的摩擦系数，从而增大煤仓壁面与煤料之间的摩擦力，此外，煤仓堵塞还与煤料在煤仓内的存储时间有关，一般情况下，存储时间越长，煤的流动性越差，也就越容易形成堵塞[1-2]。当前我国煤矿煤仓普遍存在煤仓堵塞问题，故每隔一段时间就要停止生产进行人工清仓，否则严重影响采掘工作效率和煤炭开采成本。传统的清仓工艺存在工序复杂，使用施工人员多，劳动量大和存在安全隐患等问题，成了制约煤炭运输安全的瓶颈。人工入仓清仓，不仅效率低，而且各种有害气体毒害入仓施工人员。且煤仓一般深达20～35m，如果出现仓壁塌方等事故，那么人工清仓就存在着重大安全隐患[3-5]。为了实现安全生产，为了解决上述问题，实现煤矿的安全生产，有必要研制地面煤仓清堵机器人来解决煤仓堵塞问题，煤仓清堵机器人使人员不必进入煤仓内部，使用机器人进行自动化清理，减少施工时间、施工人员和劳动强度，增加清仓施工的安全性。

2 地面煤仓清堵机器人的设计

2.1 地面煤仓清堵机器人的设计思路

根据目前常用的人工清仓方式，设计煤仓清堵机器人，设计思路如下：（1）煤仓清堵机器人上端固定在煤仓进煤口处，操作人员通过煤仓内部摄像头能够看到煤仓内部煤炭板结情况，进行自动化清理。（2）煤仓清堵机器人的径向尺寸有所限制，破坏煤仓仓口及壁面的前提下，要小于煤仓进煤口2.5m的尺寸，使煤仓机器人能够放入煤仓内部。（3）采用模块化的结构，按照其功能分为回转驱动机构、蓄水箱、右工作臂、行走小车等，使其结构简单，便于安装拆卸。（4）煤仓清堵机器人所需设备必须满足防爆要求。（5）煤仓清堵机器人工作机构采用三自由度机械手清理，末段清理装置外布置着按一定规律布置的铣刀片，利用其高速回转使得板结的煤块松动掉落，达到清堵的目的。（6）煤仓内部设置有探灯，用来观察煤仓堵塞情况。

2.2 地面煤仓清堵机器人系统

地面煤仓清堵机器人是一种用于煤矿的特种机器人，使用地面煤仓清堵机器人代替工人进入煤仓进行清仓活动，其结构如右图所示，它包括：01.电控柜，02.回转驱动机构，03.蓄水箱，04.右工作臂，05.行走小车，06.清仓机械手，07.平衡装置，08.左工作臂，09.立柱结构，10.工作臂提升机构。

地面煤倉清堵机器人的立柱结构上端固定在煤仓进煤口处，回转驱动机构通过齿形带传动连接，立柱末节下端左侧连接支杆和左工作臂铰接相连，左工作臂和配重装置相连;右侧连接支杆和右工作臂铰接相连，右工作臂上装有行走小车，行走小车上装有卷扬机，清仓机械手通过滑轮与钢丝绳联接，钢丝绳一端和卷扬机相连，另一端和工作臂末端相连;立柱机构中间安装有工作臂提升机构，对称布置的两个卷筒分别通过钢丝绳和工作臂末端及配重装置末端的吊环螺钉相连;电控柜和平衡水箱置于煤仓外的顶板上。上述左工作臂和右工作臂起始位置相对于力主结构各偏移一定角度布置。当整机置于煤仓中心位置时，两工作臂在卷扬机的拉动下提升至和主机架垂直的位置。

2.3 煤仓清堵机器人清仓过程

煤仓清堵机器人清理煤仓时，煤仓机器人整体放入煤仓中心处，煤仓机器人上端固定在煤仓进煤口出，两工作臂在卷扬机的拉动下提升至和主机架垂直的位置。煤仓机器人通过回转驱动机构带动工作臂做旋转运动，煤仓工作臂上安装有行走小车沿工作臂做匀变速直线运动，使用橡胶水袋作为配重装置，采用水作为配重介质，通过对橡胶水袋中注水吸水，不断调整配重装置的重量，用于平衡工作臂作业的稳定性，通过调整行走小车和右工作臂之间位置，带动下方的机械手移动，机械手具有三个自由度，机械手末端的清理装置外布置着按一定规律布置的铣刀片，利用其高速回转使得板结的煤块松动掉落。通过行走小车的行走和卷扬机上下拉动来使机械手在工作面上进行作业，实现在工作面上的反复清理。

3 结语

综上所述，通过对煤仓清堵机器人的结构进行分析，地面煤仓清仓机器人在研制过程中吸收了国内外同类产品的优点并与国情相结合，做到了机、电之间的相互配合，借鉴了山东科技大学宋志安老师研制的井下清仓机器人，保证了地面煤仓清堵机器人的良好性能.它可以代替施工人员进入煤仓，提高了工作效率，降低了安全风险，将工人从危险的工作环境中解放出来，保障了煤炭运输的安全生产。

参考文献：

[1]宋志安.井下煤仓新型清仓技术[J].矿业工程研究，2010，25（01）：59-62.

[2]肖林京，李振华，肖洪彬.煤仓结拱现象的原因分析和解决方法[J].煤矿机电，2007（05）：16-18.

[3]罗宽.井下煤仓清仓机器人机械臂的设计与分析[J].煤炭技术，2013，32（08）：41-43.

[4]吴冰.井下料位图像采集方法研究[J].河南理工大学学报（自然科学版），2008（4）：34-36.

[5]国家煤炭安全监查局.煤炭安全规程[M].北京：煤炭工业出版社，2005.

[6]杨国华，王洪杰，宋玉明，王振方.新式清仓技术的应用[J].矿山机械，2010，38（12）：87-88.