田立勇 唐瑞 于寧 楊秀宇 秦文光

摘要：

針對帶式輸送機托輥更換頻繁、人工更換工具笨重、作業(yè)勞動強度大、停機更換效率低等問題，以王家?guī)X煤礦主平硐帶式輸送機為研究對象，根據(jù)巷道參數(shù)和更換托輥流程，研究不停機更換托輥機器人，制定機器人總體研究方案?；诠δ芊治龇ㄅc不停機更換托輥理論研究，利用SolidWorks軟件建立機器人三維實體模型，并對行走機構(gòu)、姿態(tài)調(diào)整平臺、伸縮支撐平臺、拆裝機械手參數(shù)進行優(yōu)化。通過ANSYS Workbench軟件對支撐平臺和皮帶舉升機構(gòu)進行有限元分析，伸縮支撐平臺采用滑軌式結(jié)構(gòu)，滑軌在懸臂和舉升額定載荷下應(yīng)力分別為15.647 MPa和66.395 MPa，最大變形位移出現(xiàn)在額定載荷條件下，位移為1.0742 mm。皮帶舉升機構(gòu)選用剪叉式結(jié)構(gòu)，額定舉升時最大應(yīng)力為152.82 MPa，最大位移為0.7331 mm。依據(jù)設(shè)計參數(shù)加工機器人樣機，以功率為64 kW的柴油發(fā)動機為動力，通過液壓馬達(dá)驅(qū)動履帶行走，速度范圍在3～8 km/h，姿態(tài)調(diào)整平臺可實現(xiàn)升降高度0～357 mm、俯仰角度±15°、側(cè)傾角度-4°～7°、旋轉(zhuǎn)角度-10°～20°、橫移范圍0～400 mm、縱移范圍0～350 mm，多級伸縮機構(gòu)采用組合滑軌方式實現(xiàn)平臺0～2.1 m伸縮，采用五自由度機械手可實現(xiàn)對不同位置托輥進行拆裝。通過地面及井下試驗測試對機器人樣機的行走、姿態(tài)調(diào)整、舉升皮帶、拆裝托輥功能進行試驗驗證，結(jié)果表明：機器人在主平硐狹窄巷道行駛通過性良好，伸縮支撐平臺在輸送機不停機狀態(tài)下舉升皮帶最大高度為241 mm，為機械手拆裝不同位置托輥提供足夠操作空間以達(dá)到設(shè)計性能要求，研究帶式輸送機不停機更換托輥機器人可為煤礦帶式輸送機維修提供新途徑。

關(guān)鍵詞：帶式輸送機；維修機器人；更換托輥；不停機舉升皮帶

中圖分類號：TH112

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.05.019

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Study and Application of Roller Replacement Robots with Non-stopping

for Belt Conveyors

TIAN Liyong1? TANG Rui1? YU Ning1? YANG Xiuyu1，2? QIN Wenguang3

1.School of Mechanical Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin，Liaoning，123000

2.China Coal Tianjin Design Engineering Co.，Ltd.，Tianjin，300120

3.China Coal Huajin Group Co.，Ltd.，Hejin，Shanxi，043300

Abstract：In view of the problems of frequent replacement of belt conveyor rollers， heavy manual replacement tools， high labor intensity and low shutdown replacement efficiency， taking the belt conveyor in the main adit of Wangjialing Coal Mine as the research object， the roller replacement robots with non-stopping were studied according to roadway parameters and roller replacement processes， and the overall research plan of the robots was formulated. Based on the functional analysis method and the theory of roller replacement with non-stopping， the 3D solid model of the robots was established by using SolidWorks software， and the parameters of the walking mechanism， attitude adjustment platform， telescopic support platform and disassembling manipulator were optimized. The finite element analysis of the support platforms and belt lifting mechanisms was carried out by ANSYS Workbench software. The telescopic support platform adopted a sliding rail structure， and the stresses of the sliding rail under the cantilever and lifting rated load are as 15.647 MPa and 66.395 MPa respectively. The maximum deformation and displacement occur under the rated load. The displacement is as 1.0742 mm. Belt lifting mechanism adopted shear fork structure， the rated lifting maximum stress is as 152.82 MPa， the maximum displacement is as 0.7331 mm. According to the design parameters， the robot prototype was processed with the power of 64 kW diesel engine as the power， and the crawler was

收稿日期：20231228

基金項目：國家自然科學(xué)基金（52174143）

driven by the hydraulic motor. The speed range is as 3～8 km/h. The attitude adjustment platform may realize the lifting height 0～357 mm， the pitch angle ±15°， the roll angle -4°～7°， the rotation angle -10°～20°， the transverse movement range 0～400 mm， the longitudinal movement range 0～ 350 mm， the multi-stage telescopic mechanism adopted the combined slide to achieve the platform 0～2.1 m telescopic. Using a five-degree-of-freedom manipulator may disassemble and assemble rollers in different positions. Through the ground and underground tests， the robot prototype walking， attitude adjustment， lifting belt， disassemble roller functions were verified experimentally. The results show that the robots may pass well in the narrow tunnel of the main tunnel， and the maximum height of the lifting belt of the telescopic support platform is as 241 mm when the conveyor is not stopped， which provides enough operating space for the robots to disassemble and assemble the rollers under different positions to meet the design performance requirements. The study of roller replacement robots with non-stopping for belt conveyor provides a new way for the maintenance of coal mine belt conveyor.

Key words：belt conveyor; maintenance robot; roller replacement; non-stop lifted belt

0? 引言

帶式輸送機是煤礦輔助運輸主要設(shè)備，運輸環(huán)境惡劣、線路長、運輸量不均勻、運行時間長等原因?qū)е峦休伖收项l發(fā)，托輥故障主要包括托輥嚴(yán)重磨損、托輥軸承損壞和托輥卡阻等［1］。托輥磨損嚴(yán)重時會造成托輥與輸送帶摩擦產(chǎn)生異響且容易造成輸送帶跑偏，甚至刮蹭皮帶導(dǎo)致皮帶損壞造成安全事故［2］，因此，為保障礦用帶式輸送機的連續(xù)運行和生產(chǎn)安全［3］，及時處理輸送機托輥故障問題是至關(guān)重要的。

傳統(tǒng)帶式輸送機托輥更換方式為人工更換，人工更換方式效率低、實時性差、更換時間長導(dǎo)致生產(chǎn)效率下降，且維修人員勞動強度大、安全風(fēng)險高。針對上述問題，美國俄亥俄動力公司的Cardinal發(fā)電廠提出一種快速、安全更換運煤輸送帶下槽型托輥組的方法［4］。我國學(xué)者對帶式輸送機托輥更換開展了相關(guān)研究，設(shè)計了一些輔助工具協(xié)助托輥更換。翟浩霆［5］提出了一種更換托輥專用工具，利用工具使膠帶脫離待更換托輥；沈鑫等［6］研制了一種皮帶機托輥更換工具，輔助更換上層和調(diào)心托輥；周靜等［7］研制了一種皮帶運輸機下托輥專用更換工具，能滿足下托輥更換需求；王冠宇等［8］研制了一種強力帶式輸送機更換托輥專用工具，采用小型液壓千斤頂輔助更換托輥；湯嶸［9］提出一種帶式輸送機托輥快速更換技術(shù)，設(shè)計了便攜式輔助托輥支架。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)存托輥更換方式主要采用輔助工具支撐皮帶，然后人工拆卸安裝托輥。支撐方式包括：液壓千斤頂支撐、電動葫蘆絲配合鏈條托舉、自制輔助工具等。傳統(tǒng)人工更換方式需要帶式輸送機停機后清理完皮帶上方物料，再舉升皮帶使其與待更換托輥分離，最后人工將托輥拆卸安裝。井下環(huán)境惡劣，作業(yè)空間有限，對維修人員而言勞動強度大、危險性高，更換時效性差，傳統(tǒng)更換托輥導(dǎo)致停機停產(chǎn)，嚴(yán)重制約了煤礦生產(chǎn)的連續(xù)性和高效性。針對上述問題，提出了一種不停機更換托輥機器人，以實現(xiàn)在帶式輸送機工作狀態(tài)下完成托輥更換，降低維修工人勞動強度，快速安全完成維修任務(wù)，減少輸送機在線故障，保障生產(chǎn)安全和高效。

1? 不停機更換托輥機器人功能分析

以王家?guī)X煤礦主平硐帶式輸送機為工程研究對象，運輸距離長達(dá)12.8 km，托輥損壞頻繁，每年更換托輥數(shù)量7000個左右［10］。根據(jù)帶式輸送機更換托輥研究現(xiàn)狀，為解決井下輸送機托輥更換問題，對不停機更換托輥機器人進行研究。

基于功能分析設(shè)計法的基本原理，將不停機更換托輥機器人作為系統(tǒng)整體，建立系統(tǒng)總功能和特定結(jié)構(gòu)子功能或功能元之間關(guān)系，將總功能合理分解為多個子功能，得到相互獨立的子功能，并對各子功能進行分析求解，找出實現(xiàn)功能的解決方案，進行排列組合得出最優(yōu)組合選擇，形成功能實現(xiàn)的最佳設(shè)計方案［11］。

1.1? 更換托輥機器人總功能定義

王家?guī)X礦主平硐帶式輸送機運輸距離長、運輸量大，輸送機上部槽型托輥可能在任何時間、位置發(fā)生故障，需及時處理托輥故障。不停機更換托輥機器人以托輥損壞位置為信號，機器人通過能量傳遞和控制信號輸入，在巷道內(nèi)行駛至托輥位置，根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整平臺姿態(tài)，在輸送機不停機狀態(tài)下舉升皮帶并對托輥進行拆卸與安裝，實現(xiàn)安全快速更換托輥，保證故障快速應(yīng)對處理，保障更換托輥安全和高效。借助黑箱法設(shè)計思維，確定不停機更換托輥機器人總功能為在帶式輸送機不停機狀態(tài)下更換托輥，其黑箱模型如圖1所示。

1.2? 不停機更換托輥機器人功能分解

不停機更換托輥機器人是一系列復(fù)雜機械系統(tǒng)組合，其總功能的定義較為抽象模糊，需將其與功能需求和作業(yè)環(huán)境空間狹小、距離長、坡度及輸送機高度等復(fù)雜因素結(jié)合，考慮機械零部件設(shè)計方法和制造加工現(xiàn)狀，基于更換托輥機器人總功能的基本設(shè)計原理，對總功能進行系統(tǒng)分解，并對各子功能進行求解，以達(dá)到總功能需求。

將不停機更換托輥機器人總功能分解為以下主要子功能，即行走、姿態(tài)調(diào)整、支撐、拆裝托輥、控制等功能，對以上子功能再次進行分解，形成圖2所示的不停機更換托輥機器人功能樹。

1.3? 功能單元求解

任何設(shè)備產(chǎn)品都是某種科學(xué)原理及其技術(shù)效

應(yīng)與功能載體相結(jié)合的產(chǎn)物，其功能原理是以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)各功能元物理作用［12］。同一功能元可能存在多樣解，需考慮實際加工條件及環(huán)境因素并根據(jù)其功能需求對各功能元進行求解［13］。利用功能分析法中形態(tài)學(xué)矩陣對子功能求解，對圖2所示的子功能進行分析，形成圖3所示的不停機更換托輥機器人子功能解決方案，得出功能元組合方案N=2×3×2×2×2×2×2×2×2×2=1536。

根據(jù)對不停機更換托輥機器人總功能分析和求解，結(jié)合巷道工作環(huán)境特點，機器人在工作過程中會存在上下坡、彎道和巷道變窄等地形特點以及帶式輸送機機架高度變化等因素。前期在王家?guī)X礦主平硐進行實地調(diào)研，對生產(chǎn)制造及配件采購進行考察，通過對比分析可知：履帶式底盤驅(qū)動力大、穩(wěn)定性能好、爬坡能力強、轉(zhuǎn)彎半徑小、靈活性好、地形適應(yīng)能力強，但存在運行速度低、功率消耗大等不足；輪式底盤速度快、噪聲低，但存在爬坡能力差、轉(zhuǎn)彎效率低、越障能力和地形適應(yīng)能力差等不足［14］?？紤]到井下作業(yè)壞境，需具備長時間工作能力和充足動力源，根據(jù)防爆要求，井下作業(yè)基本是柴油動力，若采用電驅(qū)動則需要配備電纜，井下遠(yuǎn)距離作業(yè)拖拽電纜不方便，因此采用柴油動力模式，配合液壓泵站作為動力來源；由于井下電氣設(shè)備需要防爆處理以及井下環(huán)境因素對機器人整機尺寸要求嚴(yán)格，故將功能實現(xiàn)為主、節(jié)約空間為輔作為設(shè)計基礎(chǔ)，各功能驅(qū)動盡可能采用液壓驅(qū)動，驅(qū)動力大且運行穩(wěn)定。為方便維修人員對更換托輥機器人進行控制，以手動式控制方式為主，操作方式采用遙控/機載按鈕，并配有點動功能以實現(xiàn)微小調(diào)整。以上述分析為基礎(chǔ)，設(shè)定不停機更換托輥機器人功能解決方案為A2+B1+C1+D2+E1+F2+G1+H2+I1+J2（圖3中方案組合）。

2? 不停機更換托輥機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1? 總體結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)上述功能分析法選定相對最佳解決方案，設(shè)計一種不停機更換托輥機器人，機械結(jié)構(gòu)實際要求包括：結(jié)構(gòu)對稱防止側(cè)翻；轉(zhuǎn)向靈活，爬坡穩(wěn)定；密封性好，能夠在惡劣礦井巷道環(huán)境中防塵防水；輕量化和緊湊化設(shè)計。不停機更換托輥機器人主要包括行走驅(qū)動系統(tǒng)、姿態(tài)調(diào)整平臺、伸縮支撐平臺、托輥拆裝機械手等，對各部分進行系統(tǒng)設(shè)計，采用SolidWorks軟件對不停機更換托輥機器人進行三維實體建模，如圖4所示。當(dāng)帶式輸送機出現(xiàn)托輥故障時，整機能攜帶新托輥快速到達(dá)故障位置處，在輸送機不停機狀態(tài)下完成托輥更換，減少設(shè)備在線故障，提高托輥更換效率。

2.2? 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

驅(qū)動系統(tǒng)主要包括行走機構(gòu)、柴油發(fā)動機、液壓泵、液壓馬達(dá)、瓦斯檢測器、減速器、電源箱等。柴油發(fā)動機和液壓泵是提供驅(qū)動力的核心，采用防爆柴油發(fā)動機，對各執(zhí)行機構(gòu)功率需求進行計算，確定發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩和最高轉(zhuǎn)速，已知發(fā)動機功率，根據(jù)液壓泵選型要求，通過轉(zhuǎn)矩、功率匹配情況選定液壓泵型號（A11V）。

行走機構(gòu)采用履帶式底盤，驅(qū)動力大、轉(zhuǎn)彎半徑小、適應(yīng)性強，較輪式底盤更符合巷道行駛條件，主要包括張緊導(dǎo)向輪、履帶、驅(qū)動輪、橫梁、縱梁等［15］。液壓馬達(dá)依靠液壓泵傳來的液壓油旋轉(zhuǎn)，液壓馬達(dá)通過與其連接的減速機構(gòu)得到低轉(zhuǎn)速、大扭矩。將液壓馬達(dá)、減速機構(gòu)和驅(qū)動輪作為傳動整體，液壓馬達(dá)帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，驅(qū)動輪輪齒和履帶鏈軌銷咬合帶動履帶運行，以實現(xiàn)整個機器人前進、后退等動作［16］。同時張緊導(dǎo)向輪起導(dǎo)向作用，與張緊油缸配合調(diào)節(jié)履帶松緊，上托板作用是支撐履帶。

根據(jù)空間限制要求，設(shè)定履帶帶寬200 mm，底盤尺寸（長×寬×高）為2000 mm×1000 mm×380 mm，如圖5所示。為提高牽引力與爬坡能力，選定型號LTM04液壓馬達(dá)，確定整車質(zhì)量及質(zhì)心位置進行穩(wěn)定性校核，縱向35°翻傾臨界值0.70，實際值1.03（大于臨界值），35°爬坡不會翻傾；履帶接地長度1700 mm，履帶寬度200 mm，履帶結(jié)構(gòu)附著系數(shù)0.75，接地比壓73.1 kPa，履帶附著力37 kN，大于總阻力18 kN。綜上，驅(qū)動系統(tǒng)各部件均滿足設(shè)計要求。

2.3? 姿態(tài)調(diào)整平臺設(shè)計

不停機更換托輥機器人姿態(tài)調(diào)整平臺結(jié)構(gòu)如圖6所示。 姿態(tài)調(diào)整平臺主要包括升降俯仰平臺、旋轉(zhuǎn)平臺、橫移平臺、側(cè)傾平臺和縱移平臺五個機構(gòu)，可實現(xiàn)在不同作業(yè)條件下進行多自由度姿態(tài)調(diào)整，確保機器人與輸送機合適的相對位置。

由于巷道地勢不平，帶式輸送機與地面高度各處不同，故機器人到達(dá)工作位置需要通過升降俯仰機構(gòu)調(diào)整平臺俯仰角度及升降高度，使平臺與縱梁保持水平高度一致。如圖7所示，升降俯仰機構(gòu)包括履帶底盤縱梁、升降俯仰油缸、折葉、升降平臺、銷軸等部件，折葉與底盤縱梁通過銷軸連接，液壓油缸缸筒與底盤橫梁鉸接，活塞桿與折葉用銷軸連接，

兩個折葉與升降平臺分別采用固定鉸接和滑動鉸接，通過控制油缸伸縮實現(xiàn)升降平臺高度調(diào)整與俯仰角度調(diào)整。

如圖8所示，平臺縱移機構(gòu)調(diào)節(jié)平臺縱向位置，縱移油缸分別與升降平臺、縱移平臺通過銷軸鉸接，在液壓油缸驅(qū)動下實現(xiàn)縱向移動，滑軌由T形導(dǎo)軌和燕尾槽滑軌組成，可減少滑動過程中偏載和滑軌滑傷現(xiàn)象；旋轉(zhuǎn)平臺與縱移平臺間采用XRU21040X交叉滾子軸承連接，通過旋轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動平臺實現(xiàn)順時針（逆時針）旋轉(zhuǎn)；側(cè)傾油缸帶動側(cè)傾平臺以固定在旋轉(zhuǎn)平臺上的鉸支座為支點轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)平臺側(cè)傾角度，伸縮支撐平臺作業(yè)時重心發(fā)生變化，需通過側(cè)傾調(diào)節(jié)平臺姿態(tài)，以確保平臺伸縮過程的安全；橫移平臺通過油缸控制橫向調(diào)節(jié)平臺位置，靠緊帶式輸送機。姿態(tài)調(diào)整平臺通過各機構(gòu)配合，可實現(xiàn)六自由度調(diào)節(jié)，使機器人適應(yīng)井下復(fù)雜多變的工作環(huán)境。

2.4? 伸縮支撐平臺設(shè)計

不停機更換托輥機器人伸縮支撐平臺是整個機器人的關(guān)鍵部件，負(fù)責(zé)不停機舉升皮帶，如圖9所示，主要包括三級伸縮機構(gòu)和皮帶舉升機構(gòu)。由于皮帶下方空間狹窄，結(jié)構(gòu)尺寸要求嚴(yán)格，故采用三級伸縮方式將平臺伸入輸送機內(nèi)，從巷道行人側(cè)以懸臂形式伸出，平臺搭接在輸送機兩側(cè)縱梁上，形成穩(wěn)定可靠的工作平臺。

考慮到多級液壓油缸尺寸過大，因此用三個液壓油缸獨立控制三級伸縮，便于位置調(diào)節(jié)和控制，避免多級油缸伸縮量過大造成力不平衡。平臺采用組合式滑軌，以方形滑軌和燕尾型滑軌組合，可提高滑動性能與承載能力，工作平臺底板與二級滑軌通過螺栓連接固定。

如圖10所示，皮帶舉升機構(gòu)主要包括舉升油缸、主剪叉臂、副剪叉臂、托輥架、托輥、滑塊組件、底座等。該機構(gòu)通過螺栓與平臺底板連接，采用剪叉結(jié)構(gòu)為主體，依靠舉升油缸提供驅(qū)動力，帶動叉臂運動，實現(xiàn)托輥架升降。考慮到皮帶下方空間有限，側(cè)托輥架初始位置需與中間托輥架保持高度相近，將側(cè)托輥與主剪叉臂相結(jié)合，側(cè)托輥架與中間托輥架的夾角隨剪叉臂角度逐漸增大而變化，最終形成35°夾角的新托輥架組，且與輸送機原槽形托輥架組構(gòu)型相近，避免舉升過程和輸送機運行過程中煤料從皮帶兩側(cè)掉落。

2.5? 托輥拆裝機械手設(shè)計

王家?guī)X礦主平硐帶式輸送機上部槽型托輥型號為1Dc1-bk10-634-22，規(guī)格為外徑159 mm、長度634 mm、軸徑30 mm，根據(jù)托輥結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合更換托輥機器人功能需求，如圖11所示，確定機械手由橫移機構(gòu)、縱移機構(gòu)、偏轉(zhuǎn)機構(gòu)、升降機構(gòu)、夾持機構(gòu)組成。由于輸送機非行人側(cè)托輥距離較遠(yuǎn)，

1.夾持油缸? 2.升降油缸? 3.偏轉(zhuǎn)油缸

4.橫移油缸? 5.縱移油缸

機械手橫向移動范圍需要足夠大，故采用液壓油缸、滑軌滑塊、鏈輪鏈條配合，通過鏈輪鏈條機構(gòu)將油缸行程增加一倍，保證橫向移動行程；機械手縱向移動采用擺動油缸、齒輪齒條、滑軌滑塊配合，擺動油缸帶動齒輪與齒條嚙合，使機械手在縱向移動；采用夾爪式手爪，上手爪為圓形便于固定托輥。拆裝托輥機械手可對上部三個不同位置槽型托輥進行抓取拆裝作業(yè)。

3? 控制系統(tǒng)設(shè)計

為提高托輥更換作業(yè)效率，減少托輥在線故障，維修人員可操作不停機更換托輥機器人在輸送機不停機狀態(tài)下及時、快速、安全地更換受損托輥，需配備精準(zhǔn)可靠并且操作方便的控制系統(tǒng)。整機采用電液控制，柴油發(fā)動機與液壓泵配合為機器人提供動力源，液壓油通過各液壓元器件和液壓管路驅(qū)動各機構(gòu)動作，其主要硬件選型如表1所示。

不停機更換托輥機器人控制方式主要為遙控

控制和就地手動控制兩種方式，采用礦用電控箱與遙控器無線連接，通過操作遙控器控制面板按鈕觸發(fā)開關(guān)指令，無線發(fā)射器對電控箱發(fā)送指令，當(dāng)電控箱無線模塊接收到指令時，通過PLC控制系統(tǒng)接通繼電器控制電磁閥實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的控制；還可以就地操控電控箱按鈕進行控制。不同指令操作不同電磁閥，以實現(xiàn)對機器人各執(zhí)行機構(gòu)動作的控制，各動作靠液壓缸行程進行限位控制而無需傳感器，通過液壓系統(tǒng)壓力來判斷動作是否到位，圖12為機器人更換托輥流程圖。

4? 關(guān)鍵承載零部件有限元分析

4.1? 滑軌有限元分析及優(yōu)化

4.1.1? 滑軌有限元分析

根據(jù)有限元簡化原則，利用SolidWorks簡化滑軌三維模型，在SolidWorks中設(shè)置接口與ANSYS Workbench實現(xiàn)數(shù)據(jù)連接，采用自動劃分網(wǎng)格法進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)為10 mm，共劃分20 656個節(jié)點，11 046個單元［17］?；壊牧蠟?2CrMo，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.29。

根據(jù)滑軌工作特性，將滑軌作用力按約束條件處理，以懸臂和額定載荷支撐兩種工況對滑軌進行分析，得到滑軌在兩種工況條件下的等效應(yīng)力云圖和位移云圖。

平臺伸縮過程懸臂工況下滑軌有限元分析結(jié)果如圖13、圖14所示。由圖13等效應(yīng)力云圖可以看出應(yīng)力集中區(qū)主要分布在左側(cè)上方，最大應(yīng)力值為15.647 MPa。由圖14位移云圖得出最大位移在右側(cè)端部，最大位移量為1.035 mm。

平臺額定載荷支撐工況下滑軌有限元分析結(jié)果如圖15、圖16所示。由圖15等效應(yīng)力云圖可以看到應(yīng)力集中區(qū)在中部偏左，最大應(yīng)力值為66.395 MPa。由圖16位移云圖得出最大位移在右側(cè)端部，最大位移量為1.0742 mm。

對兩種不同工況下滑軌應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果分析可知，在重載情況下滑軌受載情況明顯，應(yīng)力相對較大，因此以額定載荷工況下滑軌的力學(xué)特性為主要研究對象對滑軌結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化。

4.1.2? 滑軌結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析

根據(jù)滑軌分析結(jié)果，以滑軌高度D1、滑軌寬度D2、中間筋板厚度D3、燕尾槽厚度D4為優(yōu)化參數(shù)，以質(zhì)量、應(yīng)力及最大位移量為優(yōu)化目標(biāo)。采用ANSYS Workbench軟件中Design Explorer優(yōu)化設(shè)計模塊（GDO）對滑軌進行優(yōu)化求解，可完成對多目標(biāo)同時優(yōu)化，并得出最優(yōu)解［18］。輸入?yún)?shù)區(qū)間數(shù)值，優(yōu)化時系統(tǒng)會自行在參數(shù)約束范圍內(nèi)選取目標(biāo)點，通過計算可得到大量目標(biāo)點數(shù)值結(jié)果。

根據(jù)對目標(biāo)點的分析，D1、D2、D3、D4參數(shù)對質(zhì)量、應(yīng)力及最大變形量的影響較大，目標(biāo)參數(shù)對質(zhì)量、應(yīng)力和位移的響應(yīng)面分析如下。

從圖17中可以看出，4個變量對滑軌的最大應(yīng)力影響規(guī)律復(fù)雜，且不為簡單的線性關(guān)系，滑軌的最大應(yīng)力隨著滑軌高度D1、滑軌寬度D2、燕尾槽厚度D4的增大而減小，而中間筋板厚度D3對其影響不是很大。

通過圖18可看出，隨著滑軌高度D1、滑軌寬度D2、中間筋板厚度D3、燕尾槽厚度D4的增大，滑軌變形越來越小，符合變形規(guī)律。當(dāng)滑軌厚度增大時，強度增大，同時也提高了自身抵抗變形的能力，但是厚度不能無限增大，否則將導(dǎo)致滑軌的質(zhì)量過大，因此在滿足滑軌變形要求的前提下，應(yīng)盡量減小其厚度，以減小滑軌的質(zhì)量，如圖19所示。

通過對各結(jié)構(gòu)參數(shù)與應(yīng)力、位移、質(zhì)量的響應(yīng)面分析，最終確定優(yōu)化后參數(shù)值如表2所示。

優(yōu)化前后的結(jié)果對比如表3所示，經(jīng)分析對比可得滑軌主要應(yīng)力集中區(qū)的最大等效應(yīng)力值增大，但小于材料42CrMo的許用應(yīng)力，位移變化較小，通過優(yōu)化后滑軌質(zhì)量由29.241 kg減小到18.268 kg，減小了10.973 kg，實現(xiàn)了滑軌輕量化設(shè)計。根據(jù)此類方法可對其他部件進行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化［19］。

4.2? 剪叉臂有限元分析

根據(jù)有限元分析方法對皮帶舉升機構(gòu)剪叉臂進行仿真分析，剪叉臂在工作時主要受銷軸約束，因此對剪叉臂銷軸孔進行載荷施加，載荷以自由度（degree of freedom，DOF）約束和面載荷形式設(shè)置，對其平動方向進行約束，轉(zhuǎn)動方向為自由，銷軸接觸表面受到壓力［20］。邊界條件設(shè)置完成，采用直接求解法得到剪叉等效應(yīng)力與位移云圖，見圖22、圖23。

由圖22、圖23可知，最大位移為0.7331 mm，位于叉臂頂端位置；應(yīng)力較大位置在彎臂處，應(yīng)力值最大為152.82 MPa，剪叉臂強度滿足要求。

5? 樣機試驗研究

基于理論設(shè)計與優(yōu)化分析結(jié)果制作了帶式輸送機不停機更換托輥機器人樣機，如圖24所示，分別進行了地面性能測試和井下應(yīng)用測試。并對該機器人各功能進行性能試驗測試。

5.1? 地面試驗

地面試驗在中煤華晉集團王家?guī)X煤礦進行，在地面搭建帶式輸送機機架，開展更換托輥測試。圖25為不停機更換托輥機器人地面試驗現(xiàn)場圖，機器人樣機測試前進后退及轉(zhuǎn)向等功能，能根據(jù)作業(yè)需求對行駛速度和轉(zhuǎn)向進行準(zhǔn)確控制；姿態(tài)調(diào)整平臺各機構(gòu)調(diào)整參數(shù)與設(shè)計要求相符，可將不同狀態(tài)下的平臺調(diào)整到最佳工作姿態(tài)；伸縮支撐平臺可在皮帶最低水平高度下完成平臺伸縮，一級和三級伸縮機構(gòu)搭在輸送機縱梁上，皮帶舉升機構(gòu)升降高度和托輥舉升姿態(tài)與設(shè)計相符， 但皮帶舉升后實際情況需進行井下現(xiàn)場試驗；機械手可對不同位置的托輥進行拆卸并完成安裝。地面試驗結(jié)果表明機器人各部分功能可達(dá)到預(yù)期設(shè)計要求。

5.2? 井下試驗

通過地面試驗對不停機更換托輥機器人各功能完成初步測試，為進一步驗證機器人實際應(yīng)用情況，在王家?guī)X礦主平硐巷道進行應(yīng)用性試驗。

5.2.1? 行走試驗

更換托輥機器人井下行走試驗在王家?guī)X礦主平硐巷道進行，選取1號聯(lián)絡(luò)巷、2號聯(lián)絡(luò)巷、4號聯(lián)絡(luò)巷位置前后1 km作為試驗路段，圖26為井下行走試驗現(xiàn)場圖。經(jīng)過多路段多次試驗，機器人在巷道內(nèi)最高行駛速度可達(dá)到3 ～8 km/h，由于巷道寬度不同，個別位置需低速慢行通過，爬坡角度滿足20°左右，在泥濘、沙礫等路段行駛通暢，能適應(yīng)不同路段地面環(huán)境，可在各聯(lián)絡(luò)巷完成轉(zhuǎn)向，機器人行走與續(xù)航功能滿足設(shè)計要求。

5.2.2? 姿態(tài)調(diào)整試驗

如圖27所示，機器人姿態(tài)調(diào)整平臺試驗在主平硐巷道行人側(cè)進行，在輸送機不同位置和機器人不同?？拷嵌冗M行姿態(tài)調(diào)整測試，分別多次進行隨機和特定的位置與?？拷嵌葴y試。巷道內(nèi)輸送機縱梁頂部距離地面高度在0.82～0.99 m，姿態(tài)調(diào)整平臺可在巷道內(nèi)調(diào)整機器人各種姿態(tài)，修正平臺與輸送機之間相對位置，升降高度范圍（平臺頂部與地面距離）在706～1063 mm，俯仰角度最大為15°，側(cè)傾角度為-4°～7°，旋轉(zhuǎn)角度范圍為-10°～20°，縱移與橫移距離分別為350 mm和400 mm。

5.2.3? 伸縮支撐試驗

圖28為伸縮支撐試驗現(xiàn)場圖，考慮到在輸送機內(nèi)部進行測試，首先在輸送機停機狀態(tài)下進行試驗，以保證操作流程和機器人運行的安全性和流暢性，然后分別進行輸送帶在速度1.5～3.5 m/s和空載、帶載運行狀態(tài)下的舉升皮帶測試，試驗過程中舉升皮帶平穩(wěn)，物料無劇烈抖動和灑落情況，皮帶舉升后輸送機運行正常。

伸縮支撐試驗分別在1號～5號聯(lián)絡(luò)巷附近進行試驗，并測得舉升皮帶高度如圖29所示，其中0點為舉升位置，橫軸各點為托輥架位置，縱軸表示輸送帶與托輥分離后的距離，可以得到皮帶舉升最大高度為241 mm。

5.2.4? 拆裝托輥試驗

如圖30所示，機械手拆裝托輥試驗分別進行了拆裝托輥集中試驗和整機聯(lián)合試驗，在主平硐1號～5號聯(lián)絡(luò)巷附近隨機選取托輥架位置進行試驗，與聯(lián)合試驗相比，集中試驗的拆裝托輥速度較快，通過試驗對比得到拆裝行人側(cè)托輥、中間托輥、非行人側(cè)托輥所需時間分別為4～5 min、3～4 min、5～6 min，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和操作差異，機械手拆裝托輥時間有波動。

不停機更換托輥機器人在王家?guī)X礦完成了地面試驗和井下試驗，現(xiàn)場應(yīng)用情況表明機器人可在主平硐巷道遠(yuǎn)距離行駛，在帶式輸送機不停機狀態(tài)下對上部槽型托輥完成更換，總體效果較好，符合煤礦應(yīng)用需求，減少了作業(yè)人員數(shù)量，減輕了檢修人員勞動強度，提高了檢修效率和安全性，保證了煤礦生產(chǎn)連續(xù)性。不停機更換托輥機器人主要性能及參數(shù)如表4所示。

6? 結(jié)論

針對傳統(tǒng)更換帶式輸送機托輥存在維修人員多、勞動強度大、更換效率低、影響生產(chǎn)等問題，提出了不停機更換托輥技術(shù)，基于功能分析方法與托輥更換理論研究制作了不停機更換托輥機器人樣機，并進行現(xiàn)場試驗。所得結(jié)論如下：

（1）研究了履帶式底盤，可在巷道內(nèi)不同硬度路面上行走，以柴油發(fā)動機為動力可實現(xiàn)在狹窄巷道遠(yuǎn)距離行駛，行駛速度范圍為0～8 km/h，最大爬坡角度為20°。

（2）研究了六自由度姿態(tài)調(diào)整平臺，實現(xiàn)機器人在更換托輥時，根據(jù)機器人與帶式輸送機位置關(guān)系調(diào)節(jié)更換平臺姿態(tài)，保證了機器人正常進行托輥更換作業(yè)。

（3）研究了組合式滑軌伸縮機構(gòu)和剪叉式舉升機構(gòu)，實現(xiàn)輸送機不停機狀態(tài)下舉升皮帶最大高度241 mm，舉升處相鄰?fù)休伣M高度滿足更換托輥空間要求，輸送帶舉升過程平穩(wěn)，舉升后平臺支撐穩(wěn)定，物料無劇烈抖動和灑落現(xiàn)象，輸送機運行正常。

（4）研究了五自由度更換托輥機械手，實現(xiàn)了機械手在更換托輥過程中能夠可靠地抓取、拆卸、安裝，達(dá)到了設(shè)計要求。

不停機更換托輥機器人的研究克服了狹窄空間遠(yuǎn)距離行走復(fù)雜作業(yè)、平臺姿態(tài)調(diào)整、不停機舉升皮帶等技術(shù)難題，但該機器人還處于人工輔助控制，智能化水平不高，可通過后續(xù)研究提高帶式輸送機更換托輥的自動化和智能化水平。

不停機更換托輥機器人的成功應(yīng)用填補了在煤礦輔助運輸維修機器人的空白，結(jié)束了我國煤礦輔助運輸沒有維修機器人的歷史，為煤礦帶式輸送機維修提供了新方法。

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（編輯? 胡佳慧）

作者簡介：

田立勇，男，1979年生，副教授。研究方向為煤礦裝備自動化與智能化。E-mail：tianliyong@lntu.edu.cn。

于? 寧（通信作者），女，1979年生，講師。研究方向為礦用設(shè)備故障診斷。E-mail：40411287@qq.com。