金建成

（中國華能華亭煤業(yè)集團(tuán)華亭煤礦，甘肅 華亭 744100）

0 引言

近年來，國家極力推進(jìn)煤礦企業(yè)向“數(shù)字化、無人化”的方向發(fā)展，為響應(yīng)國家政策，各地煤礦積極地開展井下“無人化”改造工作[1]。在煤炭生產(chǎn)過程中，具有運量大、運力強等一系列優(yōu)點的皮帶運輸機是煤炭開采的關(guān)鍵運輸設(shè)備，其一旦發(fā)生故障，會對生產(chǎn)以及人員產(chǎn)生極大威脅，因此，對皮帶機巡檢工作的無人化改造是改造工作中極為重要的一環(huán)[2]。目前，普遍采用的方法是由巡檢機器人來完成無人化的巡檢工作，盡管許多專業(yè)人員對巡檢機器人的能源供給問題進(jìn)行了深入研究，但其一直是困擾巡檢技術(shù)發(fā)展的重大阻礙。

1 巡檢機器人供電裝置設(shè)計研究

巡檢機器人的供電裝置主要由充電插座、充電插頭以及充電箱組成。其中，插頭固定于軌道，通過電纜與充電箱連接，充電插座集成于機器人本體，可以隨機器人進(jìn)行移動。插座和插頭均設(shè)計有遮塵機構(gòu)，可以實現(xiàn)防塵、防水保護(hù)。防爆充電裝置采用電氣閉鎖技術(shù)，當(dāng)不充電或處于故障狀態(tài)時，繼電器打開，機器人無法接觸到電壓信號，觸點嚴(yán)禁帶電，以保障運行安全；當(dāng)機器人接收到充電指令且機器人運行到預(yù)定充電位置后，繼電器閉合，充電樁與機器人之間構(gòu)成閉環(huán)回路即可正常充電。

初始狀態(tài)：插座、插頭各有一套隔爆閥執(zhí)行機構(gòu)，初始狀態(tài)下隔爆閥處于關(guān)閉狀態(tài)，形成隔爆腔；插頭、插座的隔爆閥腔體中各有4個接線柱，初始狀態(tài)下，接線柱均不帶電。

充電狀態(tài)：當(dāng)執(zhí)行充電命令后，機器人本體帶著插座向插頭移動，通過導(dǎo)向桿、導(dǎo)向套導(dǎo)正后保證插座的前端與插頭前端的圓形臺階對正插入，觸發(fā)機械閉鎖機構(gòu)后，形成隔爆腔，滿足圓筒隔爆要求；同時觸發(fā)到位開關(guān)，延時5 s后，插座和插頭的隔爆閥均開始動作，執(zhí)行打開命令。當(dāng)隔爆閥完全打開后，插頭1的隔爆導(dǎo)柱向前移動，使插頭和插座的4個接線柱接觸，檢測到位后，開始充電。

分離狀態(tài)：當(dāng)檢測到蓄電池已經(jīng)充滿電后，插頭和插座的4個接線柱斷電，插頭的隔爆導(dǎo)柱開始反向移動，遠(yuǎn)離插座。當(dāng)檢測隔爆導(dǎo)柱到達(dá)初始位置時，插頭與插座的隔爆閥開始旋轉(zhuǎn)關(guān)閉，形成隔爆腔。檢測隔爆閥關(guān)閉到位后，卸扣執(zhí)行機構(gòu)動作，機械閉鎖機構(gòu)釋放，插座與插頭分離，同時插座遮塵罩機構(gòu)和插頭遮塵罩機構(gòu)開始動作，插座遮塵罩和插頭遮塵罩關(guān)閉，發(fā)揮防塵、防水的作用，充電動作結(jié)束。

機器人具備防爆充電功能后，就不需要在現(xiàn)場更換電池并拿到其他地點充電了，且充電閉鎖設(shè)計完備，可以防止不安全操作，保障了充電的安全性。其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕且電壓輸入范圍寬，適用于電壓波動大的情況，充電效率高，發(fā)熱量小，不存在溫升導(dǎo)致設(shè)備高溫失效的問題，同時還有防爆設(shè)計，可以在易燃、易爆環(huán)境中使用。

2 巡檢機器人供電系統(tǒng)設(shè)計

2.1 供電電池設(shè)計與實驗

對煤礦巡檢機器人供電電池的首要要求是電池的續(xù)航能力。而目前，我國煤礦巡檢機器人大多采用鉛酸蓄電池，鉛酸蓄電池具有較多的弊端：使用壽命短、維護(hù)量大、充電時間長以及安全性能較低。而鋰電池是一種使用新型環(huán)保材料的電池，具有體積小、重量輕、密度高、壽命長、耐溫差大以及安全性能好等優(yōu)點。2種電池性能對比見表1。

表1 鋰電池與鉛酸蓄電池性能對比

通過對比發(fā)現(xiàn)：在重量能量密度、體積能量密度以及使用壽命等方面，鋰電池具有較大優(yōu)勢，約為鉛酸蓄電池的2～3倍，這使鋰電池更輕、更小；另外，鋰電池充電速度較快，環(huán)保性能較好。

為保證巡檢機器人在煤礦井下依然能夠穩(wěn)定、高效地工作，選用高性能的鋰離子低溫電池作為工作狀態(tài)下的供電電源。低溫鋰電池是一種采用特殊材料及工藝制成的電池，其放電容量及工作性能表現(xiàn)優(yōu)異。低溫鋰電池具有常規(guī)鋰電池的安全性能和存儲功能，可以有效提高電池的放電性能，降低電池內(nèi)阻，達(dá)到高倍率放電的效果[3]。

在滿足煤礦井下巡檢機器人續(xù)航要求的前提下，設(shè)計了一種容量為23 Ah、電壓為3.79 V的低溫鋰電池，其具體的單體性能參數(shù)見表2。

表2 低溫鋰電池單體性能參數(shù)

實驗結(jié)果表明：電池在模擬環(huán)境以及無外部加熱條件的情況下，以0.8 C放電，截至電壓為2.5 V時，放電容量大于80%，同時初始最低電壓大于3.2 V。兩電池實驗組均滿足性能要求，其中，C02-008實驗組表現(xiàn)更優(yōu)。實驗表明，所設(shè)計的鋰電池符合《礦用鋰離子蓄電池電源安全技術(shù)要求》的相關(guān)要求且滿足煤礦巡檢機器人的續(xù)航要求。

所研制的供電電源系統(tǒng)由28個鋰電池單體電芯組成，另配有電池箱體、含模塊化電氣輔件以及1套電源管理系統(tǒng)。該電源系統(tǒng)的鋰電池組整體性能參數(shù)見表3。

表3 鋰電池組性能參數(shù)

所設(shè)計的電源系統(tǒng)整體電壓為48V、容量為20Ah且其外殼防護(hù)達(dá)到了IP65級別。

2.2 電源管理系統(tǒng)設(shè)計

由于供電電源由28個鋰電池單體電芯組合而成，因此，為使鋰電池組能夠穩(wěn)定、安全地工作，必須為其設(shè)置1套可靠的電源管理系統(tǒng)。巡檢機器人上設(shè)置有雙目相機、激光避障傳感器、溫濕度傳感器以及紅外熱成像儀等多種傳感器，各傳感器所要求的額定電壓、額定電流各不相同，可靠的電源管理系統(tǒng)能夠為各用電元器件分配準(zhǔn)確的電壓與電流，在延長各元器件壽命的同時也保證系統(tǒng)可以安全、高效地運行。

所設(shè)計的鋰電池組電源管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：1）實時精準(zhǔn)地采集并分析電源的充電電壓信號、放電狀態(tài)下的電壓信號、電流信號以及電源溫度。2）檢測電池組的剩余電量。3）與上位機進(jìn)行實時通信。4）電池保護(hù)。5）故障分析與報警[3]。

鋰電池組電源管理系統(tǒng)的工作過程如下：電源系統(tǒng)控制開關(guān)接通后，電源管理系統(tǒng)上線，管理系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化自檢，閉合電源系統(tǒng)動力輸出回路；如果檢測到電池組剩余電量不足，則信號與外部充電機電壓信號進(jìn)入充電模式，為巡檢機器人充電，否則進(jìn)入放電模式；實時采集電流、電壓以及溫度等信號，判斷電池保護(hù)模塊的啟停，監(jiān)測分析與故障報警；電源系統(tǒng)控制開關(guān)斷開后，電源系統(tǒng)下線。其工作流程如圖1所示。

圖1 電源管理系統(tǒng)工作流程圖

該電池管理系統(tǒng)采用充、放異口方案，支持加熱控制、外部開關(guān)控制以及485通信，具有過充保護(hù)、過放保護(hù)、過流保護(hù)以及溫度保護(hù)等功能，滿足自行走軌道式巡檢機器人在礦下巡檢應(yīng)用項目中的使用需求。

3 巡檢機器人充電系統(tǒng)設(shè)計

3.1 充電系統(tǒng)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計

為保證巡檢機器人系統(tǒng)的高度無人化運行，該文還設(shè)計了分布式全自動充電站，以實現(xiàn)全自動充電的功能。正常情況下，機器人運行不需要人員參與，即可實現(xiàn)無人化巡檢與值守。長距離巡檢路徑中設(shè)置有多個充電站，分布式充電站可自動為巡檢機器人充電，當(dāng)機器人剩余電量低于設(shè)定閾值時，機器人在控制系統(tǒng)的操控下，自主前往距離最近的充電站進(jìn)行充電，電量充滿后自動開始巡檢作業(yè)，不需要額外的人為干預(yù)，極大地減少了人工充電的勞動強度[4]。

分布式充電站的核心裝置為充電機構(gòu)與充電箱體，采用接觸式防打火充電技術(shù)，既安全又可靠。

充電機構(gòu)可以在機器人接入時通過導(dǎo)電板為機器人充電，機器人則通過充電觸頭獲取電能，將電能儲存在鋰電池組中。巡檢機器人的充電過程如下：當(dāng)機器人駛?cè)霗C庫的指定位置時，位于巡檢機器人本體上的限位傳感器檢測到安裝在機庫側(cè)壁上的到位檢測板，限位傳感器給上位機發(fā)送信號，上位機則下達(dá)“到達(dá)充電位置”控制命令，并控制機器人停車制動。巡檢機器人根據(jù)自身電量判斷是否需要充電，如果此時機器人剩余電量低于預(yù)設(shè)閾值，則會停留在充電站并等待充電器供電，否則駛離充電站；充電站控制系統(tǒng)檢測到機器人停留時長達(dá)到預(yù)設(shè)“充電延時”的時長閾值后，便會給充電機構(gòu)通電，并通過充電觸頭與機器人鋰電池組建立充電回路，開始充電。

為了確保充電機構(gòu)與巡檢機器人充電觸頭的可靠接觸，導(dǎo)電板被設(shè)計為滑觸式，這是一種可升降彈性自適應(yīng)的機械結(jié)構(gòu)，主要包括導(dǎo)電板與彈性柱塞。在機器人到達(dá)充電位置時，導(dǎo)電板會被充電觸頭頂起，受彈性柱塞的作用，會對導(dǎo)電板施加一定的正壓力，使導(dǎo)電板壓緊充電觸頭，確保充電時導(dǎo)電裝置的可靠接觸。

此外，巡檢機器人本體上設(shè)置有應(yīng)急充電接口。當(dāng)巡檢機器人因特殊情況不能正常使用自動充電功能時，可以使用應(yīng)急充電線將充電箱與機器人本體上的應(yīng)急充電接口連接起來，手動為巡檢機器人進(jìn)行應(yīng)急充電操作。避免了機器人在充電站因故障而發(fā)生卡死的現(xiàn)象。

3.2 充電輔熱系統(tǒng)設(shè)計

充電輔熱系統(tǒng)主要的作用是為鋰電池提供合適的充電溫度。在進(jìn)行自動充電作業(yè)時，電池組的隔熱保溫設(shè)計與電池組內(nèi)部配備的輔助加熱模塊相互配合，確保電池在充電之前達(dá)到充電所要求的溫度范圍，實現(xiàn)充電效率最大化的同時，保障充電的安全性。

電池組可以輔助加熱系統(tǒng)電路。在某些特殊情況下，機器人自身的保溫加熱系統(tǒng)無法滿足充電所要求的條件，為滿足煤礦井下的使用需求，保證設(shè)備的可靠運行，在充電站增加外部加熱設(shè)備，對電池進(jìn)行加熱保護(hù)。外部加熱設(shè)備是在充電箱內(nèi)設(shè)置硅膠加熱片及溫度傳感器。在充電前先為機器人加熱，滿足充電溫度條件后，再為機器人充電。溫度傳感器檢測到充電箱內(nèi)的溫度低于設(shè)定的溫度閾值時，控制系統(tǒng)便會給硅膠加熱片通電加熱，當(dāng)溫度傳感器檢測到溫度適當(dāng)時，控制系統(tǒng)便會自動斷開加熱電路，停止對硅膠加熱片通電，從而控制溫度。

4 充電機庫設(shè)計與現(xiàn)場安裝實驗

4.1 機庫設(shè)計與強度校核

為避免巡檢機器人充電裝置在煤礦井下受到滲水的影響，也為了避免機器人充電時因?qū)щ姲辶芩鴮?dǎo)致供電箱漏電，在充電站及軌道的外側(cè)設(shè)置有充電站機庫。除上述作用外，機庫也可在機器人待機檢修時為機器人提供保護(hù)，為了便于檢修操作，機庫頂蓋設(shè)計為可開合式，頂蓋關(guān)閉時用彈簧卡進(jìn)行鎖緊，需要檢修時可以快速開蓋進(jìn)行檢修。

在充電站機庫整體結(jié)構(gòu)中，鉸鏈與安裝架作為主要受力部件，其設(shè)計合理度與強度極為重要?，F(xiàn)對鉸鏈進(jìn)行校核計算。選用高負(fù)載鉸鏈的負(fù)載力可達(dá)450 N，單側(cè)配置數(shù)量為3個，總負(fù)載能力為1 350 N，頂蓋重量約為300 N，所選鉸鏈安全系數(shù)為4.5，強度滿足要求。

為保證內(nèi)部安裝架的強度滿足要求，安裝架的材質(zhì)選用合金鋼材質(zhì)。對安裝架進(jìn)行ANSYS靜力學(xué)受力分析，建立幾何模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，添加約束與載荷，直觀展示其受力規(guī)律。分析表明，在正常受力狀態(tài)下，其產(chǎn)生的最大應(yīng)力為87.26 MPa，而所選合金鋼的屈服強度為620.42 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大應(yīng)力，安全系數(shù)達(dá)到7.11，設(shè)計滿足強度要求。

4.2 現(xiàn)場安裝與實驗

為保證實驗結(jié)果的精確性，電源現(xiàn)場試驗所使用的樣機包括巡檢機器人的所有系統(tǒng)，例如供電系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)以及傳感系統(tǒng)等。為模擬真實工況，實驗選擇的軌道具有小于25°的斜坡，水平大于1.5 m、垂直大于4 m的轉(zhuǎn)向半徑，行走速度調(diào)整為0.1 m/s～0.5 m/s自適應(yīng)，雙目相機、激光避障傳感器、溫濕度傳感器以及紅外熱成像儀等多種傳感器全部開機處于工作狀態(tài)，實驗環(huán)境溫度0 ℃。

巡檢機器人滿載60 kg，所有用電元器件滿負(fù)荷運行，在上述實驗條件下，充電時間小于2 h，每次充電可不間斷運行大于8 h，雙機交替充電工作即可實現(xiàn)24 h不間斷巡檢，實現(xiàn)無人值守的巡檢要求。

5 結(jié)語

該文所研制的應(yīng)用于煤礦井下的礦用巡檢機器人充電供電系統(tǒng)應(yīng)用大容量、耐低溫鋰電池，保證了驅(qū)動系統(tǒng)和檢測設(shè)備的穩(wěn)定工作，該系統(tǒng)具有以下5個優(yōu)點：1）供電充電系統(tǒng)具備低溫適應(yīng)能力，在煤礦井下能夠維持系統(tǒng)正常工作狀態(tài)。2）鋰電池組電源管理系統(tǒng)具有自主判斷充放電模式、監(jiān)測故障與電池保護(hù)的功能。3）長距離巡檢路徑中分布的多個充電站使巡檢機器人真正實現(xiàn)了24 h不間斷巡檢，達(dá)到了自動充電、無人值守的目的。4）充電輔熱系統(tǒng)能夠使機器人充電效率最大化，同時保障充電的安全性。5）IP65級別的防水機庫為巡檢機器人的安全充電提供了保護(hù)，同時也為機器人提供了快速檢修的平臺。