王 崢，商守海，高利強(qiáng)，孫 磊，盧建寧，薛道榮，張國峰,魯杰為，黃 智，何正勇 ，劉建平，袁廣忠，張海福，丁 紅，朱宴南，陳 闖，齊連軍，褚立慶，趙 強(qiáng)，于永昌，董陸軍，張 雷

(1.北京奧普科星技術(shù)有限公司，北京 102208；2. 國家電力投資集團(tuán)有限公司，北京 100029；3. 國家電投集團(tuán)內(nèi)蒙古能源有限公司，內(nèi)蒙古 通遼 028011；4.內(nèi)蒙古霍林河露天煤業(yè)股份有限公司 南露天煤礦，內(nèi)蒙古 通遼 029200)

0 引 言

煤炭是我國的主要能源，煤礦和電廠等相關(guān)企業(yè)都離不開煤炭的儲運[1-2]。儲煤筒倉具有煤炭流失率小、占地面小、利于細(xì)分等優(yōu)點，被煤炭和發(fā)電企業(yè)廣泛應(yīng)用。儲煤筒倉的儲存和吞吐是煤礦生產(chǎn)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，是煤礦生產(chǎn)運輸中不可缺少的關(guān)鍵部位[3]。儲煤筒倉作為原煤的中間儲存環(huán)節(jié)，會有原煤不斷流入和流出，儲煤筒倉結(jié)構(gòu)上部呈圓柱體，下部呈方錐形，原煤自上而下靠自重下落，煤倉的側(cè)壁上因凸起或凹陷形成傾角平臺，會阻止煤粉下落并為煤粉提供容留場地，同時也增大了煤倉壁面的摩擦系數(shù)，從而增大煤倉壁面與煤料之間的摩擦力，容易形成堵塞[4-5]。在運行過程中受氣候和環(huán)境影響，普遍存在不同程度的蓬煤、粘壁、凍煤現(xiàn)象[6]。落煤不暢往往導(dǎo)致機(jī)組降出力運行乃至非計劃停運，影響正常生產(chǎn)，并易引發(fā)安全事故[7-8]。現(xiàn)有的振動器[9]、疏松機(jī)[10-11]等機(jī)械化技術(shù)手段僅針對特定條件下的輕微堵煤情況具有一定的效果，但對嚴(yán)重堵塞的情況，效果欠佳。學(xué)術(shù)領(lǐng)域也有疏堵裝置[12]、清堵機(jī)器人[13-14]、清倉機(jī)器人[15]等方面的探討和研究，但未見實際生產(chǎn)中的應(yīng)用和推廣。目前煤倉清堵方式主要是由人工疏通或是炸藥疏通，勞動強(qiáng)度大、效率低下且存在較大安全隱患。儲煤筒倉(以下簡稱“煤倉”)在具有大量原煤存量的情況下，人工清理煤倉存在極大安全風(fēng)險，即便大力宣貫各項安全操作規(guī)程，人身傷亡故事仍然時有發(fā)生。在安全生產(chǎn)重于泰山的今天，如何從源頭上有效防范或消除安全事故隱患成為各煤炭和發(fā)電企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。

本項煤倉清理技術(shù)的研發(fā)，目標(biāo)是以成體系的技術(shù)化手段安全有效地替代人工解決煤倉粘壁、蓬煤、凍煤等落煤不暢和煤倉阻塞情況。

1 煤倉堵塞原因分析

以內(nèi)蒙古霍林河南露天煤礦為例，其煤種主要為褐煤，主要出產(chǎn)高熱值煤、中熱值煤、普熱值煤(電煤)，其中普熱值煤(電煤)周轉(zhuǎn)量最大，時常伴有熱煤、濕煤、煤泥一同進(jìn)入煤倉，最容易導(dǎo)致煤倉粘堵。

堵煤的特點和成因，具體如下：

1)粘壁。煤倉內(nèi)壁垂直面為模板水泥澆筑面。因為煤倉建設(shè)年代久遠(yuǎn)，早期建筑工藝落后，煤倉圓周內(nèi)壁面很不平整，且表面較為粗糙。煤料容易積存形成煤料粘壁。粘壁煤料較多時，容易影響煤炭下落。

在煤倉溜煤口位置，因為煤層出口收縮、壓力累積，雖有鑄石板，但在溜煤口斜面上也會出現(xiàn)粘壁情形，導(dǎo)致出煤口變窄，影響煤炭下落。

2)蓬煤。煤料在倉內(nèi)從上到下移動過程中，靠近煤倉中心的煤料移動的快，靠近倉壁的煤料移動得慢。由于煤倉漏斗在結(jié)構(gòu)上寬下窄，在漏斗最下部的出口處尺寸小，四周倉壁上粘煤的相互蓬架作用，使能夠下煤的通道截面積越來越小，以致最后完全堵塞[16]。如果煤質(zhì)濕度大、煤粉多時，煤料的顆粒間的作用力大，內(nèi)力強(qiáng)，其宏觀表現(xiàn)即為煤料的黏結(jié)性強(qiáng)[17]。在重力的擠壓、收縮作用下，容易在溜煤口處形成蓬煤。

3)凍堵。如果煤料濕度大、煤粉多，煤粉、煤泥易在溜煤口處粘結(jié)，并逐漸增厚。當(dāng)氣溫較低時，會從溜煤口區(qū)域、從下往上逐漸在內(nèi)壁凍結(jié)，并越凍越厚；此時由于溜煤口內(nèi)壁變?yōu)榇植诘膬雒簩樱由下涿和ǖ雷儶M窄，使煤料下落更慢，堵煤蓬煤會更嚴(yán)重, 最終落煤口上部煤料完全堵塞凍結(jié)為一體。即使采用捅、砸、炸等手段，通常也只會在落煤口下方形成錐形空洞，其上部的煤落不下來，形成凍堵。

在內(nèi)蒙古霍林河地區(qū)，冬季寒冷，室外氣溫甚至低達(dá)-40 ℃，加之煤質(zhì)濕度大，并伴有煤粉、煤泥，極其形成凍堵。

2 煤倉建筑結(jié)構(gòu)分析

煤倉建筑時間1989—1990年，基礎(chǔ)采用鋼筋砼梁板，局部采用漿砌塊石，水泥砂漿砌筑；筒壁采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土，筒壁外側(cè)與筒壁一次滑模施工；沿環(huán)向布置8個內(nèi)柱、附壁柱及空心圓柱支撐倉底板結(jié)構(gòu)；鋼筋混凝土倉底板，由周圈斜板和中間平板組成，沿環(huán)向吊掛8個漏斗。溜煤口上方圓錐面鋪襯鑄石板。如圖1、圖2所示，煤倉內(nèi)部直徑22 m，煤倉高43 m，地下部分約8 m。煤倉倉底呈圓錐漏斗形，圓錐漏斗底部平均分布8個溜煤口出口，每個出煤口尺寸1.2 m正方形。

圖1 煤倉溜煤口立面截面Fig.1 Elevation section of coalbunker outlet

圖2 煤倉溜煤口俯視截面Fig.2 Overlooking section of coalbunker outlet

煤倉由頂部注入煤料后，靠煤料重力作用由溜煤口流出，經(jīng)過振動給煤機(jī)落入輸煤皮帶上，運輸至倉外。由前述可知，溜煤口斜面處最易篷煤、堵煤、凍煤。本項目的煤倉清理機(jī)器人，在每個溜煤口斜面安裝一套，煤倉清理機(jī)器人的協(xié)調(diào)運行，以破壞溜煤口篷煤、堵煤、凍煤的根基，同時增加溜煤口的輸煤動力，從而改善和解決煤倉落煤不暢、溜煤口阻塞的情況。

3 煤倉清理機(jī)器人的研制

煤倉清理機(jī)器人需要在-40 ℃～60 ℃的環(huán)境溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定可靠工作，是極端環(huán)境下的機(jī)器人技術(shù)，同時具有防粉塵、防爆、防水、防結(jié)冰、抗高空落石擊砸、耐磨損、抗煤堆擠壓性能，為特種機(jī)器人的應(yīng)用。

如圖3所示，煤倉倉底的每個溜煤口斜面安裝一套清理機(jī)器人。每套機(jī)器人具有兩套煤料刮板，上層煤料刮板完全覆蓋溜煤口斜面，下層煤料刮板完全覆蓋出煤口垂直面，煤料刮板可沿固定軌道上下運行。機(jī)器人底座與煤倉溜煤口、出煤口完全契合安裝，4套機(jī)器人底座邊線焊接固定，機(jī)器人底座內(nèi)部空腔利用灌漿料澆筑，使其與煤倉溜煤口斜面一體化固定。

圖3 煤倉清理機(jī)器人布局Fig.3 Coalbunker blocks clearing robot layout

如圖4所示，機(jī)器人底座內(nèi)部配置煤料刮板執(zhí)行單元。執(zhí)行單元分上、下兩層，上層執(zhí)行單元包括復(fù)位機(jī)構(gòu)、高頻捶打連接塊、高頻捶打缸、捶打缸氣囊、往復(fù)推拉油缸等機(jī)構(gòu)，高壓捶打缸在液壓油的動力下結(jié)合復(fù)位機(jī)構(gòu)和高壓氮氣氣囊作用，可控制錘頭高頻捶打煤料刮板，以驅(qū)動煤料刮板高頻振動，推動堵煤位置煤料，使其疏松，往復(fù)推拉油缸在液壓油動力下可推動執(zhí)行單元整體向上移動，讓捶打缸繼續(xù)驅(qū)動煤料刮板向上移動、繼續(xù)高頻振動，從而將堵煤位置完全疏松，破壞篷煤、凍煤、堵煤基礎(chǔ)，下層執(zhí)行單元包括一套往復(fù)推拉油缸機(jī)構(gòu)，帶動下層煤料刮板與上層協(xié)同運動，以達(dá)到疏堵目的。往復(fù)推拉油缸在非堵煤期間的常規(guī)往復(fù)移動，也可驅(qū)動煤料刮板定時運行，可有效預(yù)防煤料黏凍。

圖4 煤倉清理機(jī)器人原理Fig.4 Schematic of coalbunker blocks clearing robot

高頻捶打缸的原理參考液壓破碎錘而設(shè)計，液壓破碎錘大多都是在主機(jī)(如挖掘機(jī)等)液壓系統(tǒng)的驅(qū)動下，通身閥控系統(tǒng)與缸體活塞系統(tǒng)的相互反饋控制，完成活塞在缸體中的快速往復(fù)運動，將液壓能轉(zhuǎn)化為活塞的沖擊能打擊釬桿[18]。

高頻捶打缸動能主要克服煤料刮板與耐磨滑板之間的凍黏阻力。由于高頻捶打缸與煤料刮板的碰撞過程非常復(fù)雜，本方案按照能量法對高頻捶打缸所需功率進(jìn)行估算。

如圖5所示，煤倉清理機(jī)器人通過出煤口溜槽外壁安裝的堵塞判斷傳感器來檢測此處煤倉溜煤口是否堵塞，并實時把判斷信號發(fā)給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)通過上位機(jī)界面進(jìn)行監(jiān)測和控制，實時監(jiān)測煤倉內(nèi)部溫度情況、煤倉出口堵塞情況、機(jī)器人運行狀態(tài)情況。

圖5 煤倉清理機(jī)器人控制流程Fig.5 Control flow of coalbunker blocks clearing robot

當(dāng)堵塞判斷傳感器判斷此處出煤口堵塞后，將判斷信號傳給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)煤倉內(nèi)部溫度和機(jī)器人運行狀態(tài)情況，實時控制煤倉清理機(jī)器人運行?？刂葡到y(tǒng)通過控制液壓站相應(yīng)電磁閥驅(qū)動機(jī)器人高頻捶打缸和往復(fù)運行油缸按相應(yīng)控制策略運行，協(xié)調(diào)控制各個斜面上的煤倉清理機(jī)器人協(xié)同動作，以有效疏通此處出煤口堵塞情況，使其暢通。

圖6 煤倉清理機(jī)器人控制界面及狀態(tài)監(jiān)測Fig.6 Control interface and monitoring interface ofclearingrobot in coalbunker

如圖6所示，控制系統(tǒng)由PLC系統(tǒng)、上位軟件系統(tǒng)、智能控制算法等構(gòu)成，具備溫度、狀態(tài)監(jiān)測，操作簡潔、圖形提示說明，危險操作警示提醒，各功能、動作互鎖保護(hù)，超出安全值報警提示；具備自動智能清理模式與手動控制清理模式，還具備預(yù)防蓬堵模式與凍堵預(yù)警功能；系統(tǒng)可根據(jù)當(dāng)前煤倉堵塞情況、溫度環(huán)境、煤倉儲煤量情況、給煤機(jī)開啟數(shù)量、自然年日歷、日工作時段等自主判斷運行模式，并實時保存運行數(shù)據(jù)，自主更新運行模式。

可針對各落煤口蓬堵情況，有針對性地啟動相應(yīng)機(jī)器人設(shè)備疏堵，未堵塞的落煤口則設(shè)備不啟動，具有定點清理、按需清理能力。

如圖7所示，以單組煤倉清理機(jī)器人為單元制作樣機(jī)，對樣機(jī)進(jìn)行低溫性能測試。設(shè)計特定的低溫測試保溫箱體，將樣機(jī)安裝在保溫箱內(nèi)，使用煤倉內(nèi)煤料樣本，煤料樣本包含有煤泥、煤粉。將煤料放入保溫箱體內(nèi)覆蓋機(jī)器人樣機(jī)各處縫隙，并滿整個保溫箱，充分噴灑水分，使煤料足夠潮濕。使用液氮給保溫箱內(nèi)降溫至-40～-20 ℃，保溫足夠時間，使樣機(jī)各處運動縫隙被完全凍結(jié)。

圖7 煤倉清理機(jī)器人功能測試Fig.7 Function test of coalbunker blocks clearing robot

將保溫箱體角度調(diào)節(jié)至煤倉溜煤口斜面正常使用時的角度。啟動樣機(jī)，觀察樣機(jī)是否能夠破開凍堵煤料并正常工作，運動機(jī)構(gòu)是否保證長時間無故障運行。

表1 煤倉清理機(jī)器人低溫性能測試

經(jīng)過上述性能測試，可知煤倉清理機(jī)器人能夠在模擬煤倉內(nèi)部的極端環(huán)境下正常運行，在機(jī)器人的額定工況下機(jī)器人具備破凍堵功能，運動機(jī)構(gòu)無卡頓、異響、損壞，可長時間無故障運行。

單臺煤倉清理機(jī)器人可清理和破壞溜煤口安裝面的粘煤、凍堵情況。溜煤口4個安裝面的煤倉清理機(jī)器人的協(xié)調(diào)運行，可破壞溜煤口篷煤、堵煤、凍煤的根基，從而改善和解決煤倉落煤不暢、溜煤口阻塞的情況。

4 煤倉清理機(jī)器人的應(yīng)用

所述煤倉清理機(jī)器人是在儲煤筒倉現(xiàn)有結(jié)構(gòu)情況下，研究開發(fā)的一套煤倉全方位智能清理機(jī)器人系統(tǒng)，應(yīng)用此系統(tǒng)能有效地解決煤倉中蓬煤、粘壁、凍煤等落煤不暢情況，完全替代人工疏堵高危工作。

煤倉清理機(jī)器人經(jīng)過樣機(jī)測試后開始在內(nèi)蒙古霍林河南露天煤礦成品煤倉內(nèi)進(jìn)行安裝和使用，進(jìn)一步驗證煤倉清理機(jī)器人的性能和效果。如圖8所示，煤倉清理機(jī)器人在霍林河南露天煤礦冬季煤炭生產(chǎn)高峰期投入運營。

圖8 煤倉清理機(jī)器人安裝完照片F(xiàn)ig.8 Picture of coalbunker blocks clearing robotafter installation

為測試煤倉清理機(jī)器人運行效果，試運行期間，啟動自動運行模式、切換手動及就地控制模式，系統(tǒng)各功能均工作正常。同時開展了各種疏堵測試。

經(jīng)過現(xiàn)場多次試驗，系統(tǒng)可及時準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)落煤口的堵塞，并自動啟動疏堵動作，普通蓬煤堵塞的疏通，設(shè)備動作10 s內(nèi)即疏通成功。在冬季將澆過水的濕煤加入煤倉制造凍堵，設(shè)備動作1 min內(nèi)即疏通成功。

自動運行模式下的防凍模式，可有效清理凍粘壁并防止凍堵發(fā)生。

系統(tǒng)持續(xù)運行經(jīng)過了一個完整冬季，最冷氣溫達(dá)到-36 ℃，各功能均工作正常。為了測試設(shè)備的極限能力，在1月份最冷的時間段，進(jìn)行了超常規(guī)的凍結(jié)試驗，人為向煤倉內(nèi)大量灌水，使倉內(nèi)10 m厚煤層成為濕煤并出現(xiàn)凍結(jié)，倉內(nèi)機(jī)器人設(shè)備亦進(jìn)水結(jié)冰。經(jīng)試驗，全部8個落煤口的設(shè)備均工作正常，設(shè)備將自身的結(jié)冰破除并繼續(xù)正常運行，將倉內(nèi)的凍粘壁及大塊凍結(jié)煤料破碎，使煤倉未形成凍堵。

表2為煤倉清理機(jī)器人運行測試記錄表，圖9為煤倉疏堵成功瞬間的記錄照片。

表2 煤倉清理機(jī)器人生產(chǎn)運行性能測試

圖9 煤倉清理機(jī)器人疏堵成功照片F(xiàn)ig.9 Picture of coalbunker blocks clearing robotfunction test

5 結(jié) 論

1)煤倉在特定煤質(zhì)、特定環(huán)境下，容易形成篷煤、堵煤、凍煤等情況，影響煤礦企業(yè)正常生產(chǎn)。煤倉清理機(jī)器人是預(yù)防和解決煤倉堵塞的一個有效手段。

2)煤倉清理機(jī)器人通過液壓驅(qū)動可在煤倉內(nèi)部極端的低溫、高濕、粉塵、擠壓等環(huán)境下正常運行，并不斷破壞煤倉底部溜煤槽平面上的煤料堵塞根基，持續(xù)疏通煤料下落。

3)通過試驗樣機(jī)測試、煤礦生產(chǎn)運營測試，煤倉清理機(jī)器人執(zhí)行單元的高頻捶打加往復(fù)推拉動作，能夠有效破除極寒環(huán)境下的煤倉凍堵問題。

4)煤倉清理機(jī)器人可推廣至煤礦、電廠、礦石、冶煉等其他使用筒倉環(huán)境疏堵應(yīng)用。