一种刚性罐道巡检装置及巡检方法与流程

文档序号：11121448阅读：985来源：国知局

本发明属于矿井提升系统设备检测领域，具体涉及一种刚性罐道巡检装置及巡检方法。

背景技术：

目前我国对矿井刚性罐道的检测主要依靠检修人员，且无独立驱动自主检测设备，对刚性罐道缺陷检测精度较低。当刚性罐道的倾斜变形达到一定程度时，会造成提升容器的运行平稳度下降，给提升系统带来安全隐患，其严重时，甚至会造成提升容器的脱轨、卡罐、坠罐等事故。

随着煤矿开采深度的增加，其圆形井筒横截面形状是否是最优方案受到国内外广大学者的关注，部分学者提出井筒横截面形状应根据不同的开采深度及开采压力，设计椭圆、多边形柱状井筒，以保证井筒壁面所受压力最小。已该种建井方式进行作业时，刚罐道安装位置不能保证其到固定位置等距，该种情况下的刚罐道更容易由于外部因素导致变形，如何实时、准确地将刚罐道缺陷检测出来并及时解决是煤矿安全检测研究方向的一大难点。

技术实现要素：

发明目的：本发明针对深井提升系统中冷弯轧制方管刚性罐道的错位、倾斜缺陷，提供一种刚性罐道巡检装置及巡检方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种刚性罐道巡检装置，包括主体底板以及设置在主体底板上的移动部件、传动部件、驱动部件、导向部件、外壳；

外壳设置在主体底板的中部，驱动部件设置在外壳内部，驱动部件包括倾角传感器，倾角传感器连接单片机，单片机连接驱动器，驱动器连接直流无刷电机，直流无刷电机输出轴设有光电编码器，光电编码器连接驱动器；

移动部件包括前轮主动输出轴、前轮从动输出轴、后轮主动输出轴、后轮从动输出轴，前轮主动输出轴、前轮从动输出轴位于主体底板前端，后轮主动输出轴、后轮从动输出轴位于主体底板后端，前轮主动输出轴、前轮从动输出轴、后轮主动输出轴、后轮从动输出轴上均设有车轮法兰，车轮法兰与轮毂相连，轮毂内设有永磁体，轮毂外部设有橡胶皮层；

传动部件包括与直流无刷电机输出轴相连的蜗杆、设置在前轮主动输出轴、后轮主动输出轴上的与蜗杆相啮合的蜗轮、设置在前轮主动输出轴、前轮从动输出轴、后轮主动输出轴、后轮从动输出轴的同步带轮，在前轮主动输出轴和后轮从动输出轴的同步带轮上缠绕一个同步带，在前轮从动输出轴和后轮主动输出轴的同步带轮上缠绕一个同步带；

导向部件包括前轮导向轮和后轮导向轮，前轮导向轮和后轮导向轮均设置在轮毂外侧。

进一步的，所述前导向轮、后轮导向轮均通过铰接孔与导向轮架一端铰接，导向轮架另一端通过铰接孔与导向支架铰接，导向支架与主体底板固定，弹簧连杆一端通过铰接孔与导向支架铰接，弹簧连杆另一端穿过导向轮架中部的椭圆孔并设有调整螺母，在调整螺母与导向轮架之间的弹簧连杆上套有弹簧；所述驱动部件的压力传感器设置于调整螺母和弹簧之间。

进一步的，所述前轮导向轮轴、前轮主动输出轴、前轮从动输出轴位于同一平面内，后轮导向轮、后轮主动输出轴、后轮从动输出轴位于同一平面内。

进一步的，所述车轮法兰上的螺栓与前轮主动输出轴、前轮从动输出轴、后轮主动输出轴、后轮从动输出轴上的螺栓孔相互配合，蜗轮上的键与前轮主动输出轴、后轮主动输出轴上的键槽相互配合，同步带轮通过凸端顶丝与前轮主动输出轴、前轮从动输出轴、后轮主动输出轴、后轮从动输出轴相对固定。

进一步的，所述前轮主动输出轴、前轮从动输出轴、后轮主动输出轴、后轮从动输出轴一端均设有螺纹，螺纹与防松螺母相互配合，前轮主动输出轴、前轮从动输出轴、后轮主动输出轴、后轮从动输出轴另一端均与轴承A配合，轴承A固定于与卧式轴承座A上，前轮主动输出轴、前轮从动输出轴、后轮主动输出轴、后轮从动输出轴中部均与轴承B配合，轴承B固定于卧式轴承座B上，卧式轴承座A、卧式轴承座B均固定于主体底板上。

进一步的，所述前轮主动输出轴、前轮从动输出轴、后轮主动输出轴、后轮从动输出轴均设有用于安装定位同步带轮的轴上台阶A、用于安装定位轴承B的轴上台阶B、用于安装定位车轮法兰的轴上台阶C，前轮主动输出轴、后轮主动输出轴还设有用于安装定位蜗轮的轴上台阶D。

进一步的，所述蜗杆一端通过刚性联轴器与直流无刷电机输出轴相连，刚性联轴器固定与立式轴承座A上的轴承配合，蜗杆另一端与轴承C配合，轴承C固定于立式轴承座B上。

进一步的，所述单片机输出端通过PWM模块连接驱动器输入端，驱动器输出端通过UART接口连接单片机输入端。

进一步的，所述永磁体包括8对按照Halbach阵列排布的稀土钕铁硼材料子磁体，相邻两块子磁体的充磁方向夹角为67.5度。

根据上所述巡检装置的刚性罐道巡检方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

第一步，数据统计及周期性调速巡检：将倾角传感器、光电编码器和压力传感器在巡检装置整个运行过程中采集到的数据作为原始数据进行处理并根据处理结果实现巡检装置调速巡检控制，具体处理过程如下：

a、根据倾角传感器、光电编码器和压力传感器的数据采集频率，将倾角传感器、光电编码器和压力传感器各数据采集时刻作为数据排布的时间序列，将各数据采集时刻的倾角传感器检测数据倾角值θ_z和θ_x、光电编码器检测数据速度值v、压力传感器检测数据压力值P1和P2一一对应并作为原始数据读入至上位机，其中，倾角值θ_z为y轴与x-y平面夹角，倾角值θ_x为y轴与y-z平面夹角，y轴平行于刚性罐道并且垂直于前轮主动输出轴，x轴垂直于前轮主动输出轴并且垂直于刚性罐道,z轴垂直于刚性罐道并平行于前轮主动输出轴，速度值v为巡检装置运行速度，压力值P1为前轮导向轮对刚性罐道施加的压力，P2为后轮导向轮对刚性罐道施加的压力；

c、将上一个巡检周期的最后一个数据采集时刻作为开始点；

d、返回步骤b，直至完成对整个检测目标的周期性调速检测，并将所有检测到的数据进行存储；

第二步，计算：将统计后的数据进行处理，其具体处理过程如下：

a、提取每一个数据采集时刻的倾角值θ_z和θ_x，并计算该时刻下压力值P1和P2的差值，判断差值是否为0，若差值为零，则倾角值θ_z有效，若差值不为零，则倾角值θ_z无效并取0；

b、计算每一个数据采集时刻下前轮主动输出轴相对后轮从动输出轴在x方向相对位移尺寸、y方向的相对位移尺寸和z方向的相对位移尺寸，其x方向相对位移尺寸计算方式为前后轮距乘以倾角值θ_z的余弦值，再乘以倾角值θ_x正弦值，其y方向的相对位移尺寸计算方式为前后轮距乘以倾角值θ_z的余弦值，再乘以倾角值θ_x余弦值，其z方向的相对位移尺寸计算方式为前后轮距乘以倾角值θ_x的余弦值，再乘以倾角值θ_z的正弦值，其中前后轮距为前轮主动输出轴和后轮从动输出轴间距尺寸；

c、将计算后的结果进行数据存储，完成所有数据的计算；

第三步，累加对比，其具体处理过程如下：

a、假设巡检装置在第一个巡检周期内，每一个数据采集时刻下前轮主动输出轴各的绝对坐标值已知：x方向为0，y方向为速度值v乘以巡检装置巡检时间的累加值，z方向为0，该假设符合对刚性罐道检测初始的工况判断，即第一个行驶周期内内刚性罐道没有缺陷；

b、选择第一个巡检周期内的第一个数据采集时刻作为起始参考点；

c、逐次累加起始参考点以后各数据采集时刻速度值v与检测时间Δt乘积，得到行驶路程后与步骤a得到的前后轮距进行比对，寻找行驶路程与前后轮距的差值的绝对值最小时所对应的检测时刻，将该数据采集时刻作为相对于起始参考点的目标检测点；

d、计算目标检测点绝对坐标值，其方法为提取起始参考点的x绝对坐标值、y绝对坐标值、z绝对坐标值，将其与第二步步骤b中计算得到目标检测点的x方向的相对位移尺寸、y方向的相对位移尺寸、z方向的相对位移尺寸一一对应加和，继而得到目标检测点x方向的绝对坐标，y方向绝对坐标、z方向绝对坐标值；

e、将步骤c中起始参考点的下一数据采集时刻变更为起始参考点；

f、重复步骤b，直至完成各个目标检测点绝对坐标值的计算；

第四步，描绘显示：将各目标检测点绝对坐标在上位机中进行描绘，完成可视化检测。

有益效果：本发明刚性罐道巡检装装置能够实现矿井提升系统中安全可靠吸附，其吸附方式不会对煤矿企业工作环境造成安全隐患；其提高了刚性罐道检测速度，节省了设备检测的时间，间接提高了煤矿企业的生产效率；其巡检方法大幅度提高刚性罐道检测精度，避免了人工作业误差，保证了提升系统安全可靠工作。

附图说明

图1为本发明巡检装置结构示意图；

图2为本发明巡检装置底板零件示意图；

图3为本发明巡检装置驱动部件的结构框图；

图4为本发明巡检装置装配示意图；

图5为本发明巡检装置剖视示意图；

图6为本发明巡检装置主动输出轴零件示意图；

图7为本发明巡检装置从动输出轴零件示意图；

图8为本发明巡检装置导向轮架零件示意图；

图9为本发明巡检装置永磁体结构示意图；

图10为本发明巡检装置在刚性罐道上的安装示意图；

图11为本发明巡检装置巡检数据处理方法流程图。

图中：1-主体底板；2-移动部件，2-1-防松螺母，2-2-橡胶皮层，2-3-卧式轴承座B，2-4-前轮主动输出轴，2-4-1-键槽，2-4-2-轴上台阶D，2-4-3-轴上台阶A，2-4-4-轴上台阶B，2-4-5-轴上台阶C，2-4-6-螺栓孔，2-4-7-螺纹，2-5-卧式轴承座A，2-6-轴承A，2-7-前轮从动输出轴，2-8-轴承B，2-9-车轮法兰，2-10-轮毂，2-11-永磁体，2-11-1子磁体，2-12-后轮主动输出轴，2-13-后轮从动输出轴；3-传动部件包括，3-1-立式轴承座B，3-2-蜗杆，3-3-刚性联轴器，3-4-立式轴承座A，3-5-同步带轮，3-6-同步带，3-7-蜗轮，3-8-轴承C；4-驱动部件，4-1-电机支架，4-2-直流无刷电机，4-3-驱动器；5-导向部件，5-1-前轮导向轮，5-2-导向轮架，5-3-弹簧连杆，5-4-弹簧，5-5-调整螺母，5-6-导向支架；5-7-后轮导向轮；6-外壳；7-刚性罐道。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，本发明的一种刚性罐道巡检装置，包括主体底板1以及设置在主体底板1上的移动部件2、传动部件3、驱动部件4、导向部件5、外壳6。

如图2所示，主体底板1上开设有若干装配孔，用于实现各部件之间的螺栓连接。

如图3和4所示，外壳6设置在主体底板1的中部，驱动部件4设置在外壳6内部，驱动部件4包括倾角传感器、压力传感器，倾角传感器、压力传感器连接单片机，单片机连接驱动器4-3，驱动器4-3连接直流无刷电机4-2，直流无刷电机4-2输出轴设有光电编码器，光电编码器连接驱动器4-3。直流无刷电机4-2固定于电机支架4-1上，电机支架4-1、驱动器4-3均固定于1底板上的凸台上。

外部电源通过驱动器4-3为直流无刷电机4-2提供能量；倾角传感器保证电机转速的精度调整；单片机输出PWM实现对驱动器4-3-的转速控制，并通过驱动器UART接口读取电机的速度信息作为计算检测目标缺陷的重要参数。

如图4-7所示，移动部件2包括前轮主动输出轴2-4、前轮从动输出轴2-7、后轮主动输出轴2-12、后轮从动输出轴2-13。前轮主动输出轴2-4、前轮从动输出轴2-7位于主体底板1前端，后轮主动输出轴2-12、后轮从动输出轴2-13位于主体底板1后端，前轮主动输出轴2-4、前轮从动输出轴2-7、后轮主动输出轴2-12、后轮从动输出轴2-13上均设有车轮法兰2-9，车轮法兰2-9与轮毂2-10相连，轮毂2-10内设有永磁体2-11，轮毂外部设有橡胶皮层2-2。

所述车轮法兰2-9上的螺栓与前轮主动输出轴2-4、前轮从动输出轴2-7、后轮主动输出轴2-12、后轮从动输出轴2-13上的螺栓孔2-4-6相互配合，轴向定位车轮法兰2-9；蜗轮3-7上的键与前轮主动输出轴2-4、后轮主动输出轴2-12上的键槽2-4-1相互配合，实现蜗轮3-7周向定位；同步带轮3-5通过凸端顶丝与前轮主动输出轴2-4、前轮从动输出轴2-7、后轮主动输出轴2-12、后轮从动输出轴2-13相对固定，实现同步带轮3-5周向定位。

所述前轮主动输出轴2-4、前轮从动输出轴2-7、后轮主动输出轴2-12、后轮从动输出轴2-13一端均设有螺纹2-4-7，螺纹2-4-7与防松螺母2-1相互配合，进一步轴向定位车轮法兰2-9。前轮主动输出轴2-4、前轮从动输出轴2-7、后轮主动输出轴2-12、后轮从动输出轴2-13另一端均与轴承A2-6配合，轴承A2-6固定于与卧式轴承座A2-5上，前轮主动输出轴2-4、前轮从动输出轴2-7、后轮主动输出轴2-12、后轮从动输出轴2-13中部均与轴承B2-8配合，轴承B2-8固定于卧式轴承座B2-3上，卧式轴承座A2-5、卧式轴承座B2-3均固定于主体底板1上。

所述前轮主动输出轴2-4、前轮从动输出轴2-7、后轮主动输出轴2-12、后轮从动输出轴2-13均设有用于安装定位同步带轮3-5的轴上台阶A2-4-3、用于安装定位轴承B2-8的轴上台阶B2-4-4、用于安装定位车轮法兰2-9的轴上台阶C2-4-5，前轮主动输出轴2-4、后轮主动输出轴2-12还设有用于安装定位蜗轮3-7的轴上台阶D2-4-2。

如图4和5所示，传动部件3包括与直流无刷电机4-2输出轴相连的蜗杆3-2、设置在前轮主动输出轴2-4、后轮主动输出轴2-12上的与蜗杆3-2相啮合的蜗轮3-7、设置在前轮主动输出轴2-4、前轮从动输出轴2-7、后轮主动输出轴2-12、后轮从动输出轴2-13的同步带轮3-5，在前轮主动输出轴2-4和后轮从动输出轴2-13的同步带轮3-5上缠绕一个同步带3-6，在前轮从动输出轴2-7和后轮主动输出轴2-12的同步带轮3-5上缠绕一个同步带3-6。其中，所述蜗杆3-2一端通过刚性联轴器3-3与直流无刷电机4-2输出轴相连，刚性联轴器3-3固定与立式轴承座A3-4上的轴承配合，蜗杆3-2另一端与轴承C3-8配合，轴承C3-8固定于立式轴承座B3-1上，立式轴承座A3-4、立式轴承座B3-1均固定于主体底板1上。

前轮主动输出轴2-4和后轮从动输出轴2-13上的同步带轮3-5通过一个同步带3-6进行动力传递，将动力从驱动部件传递到移动部件，前轮从动输出轴2-7和后轮主动输出轴2-12的同步带轮3-5通过一个同步带3-6进行动力传递，实现动力的方向转换传递及巡检设备的两侧驱动。

如图4、5、8所示，导向部件5包括前轮导向轮5-1和后轮导向轮5-7，前轮导向轮5-1和后轮导向轮5-7均设置在轮毂2-10外侧的导向轮5-1。

所述前导向轮5-1、后轮导向轮5-7均通过可调铰接孔与导向轮架5-2一端铰接，可调铰接孔包括一级孔铰接5-2-3、二级孔铰接5-2-4，导向轮架5-2另一端通过铰接孔5-2-1与导向支架5-6铰接，导向支架5-6与主体底板1固定，弹簧连杆5-3一端通过铰接孔与导向支架5-6铰接，弹簧连杆5-3另一端穿过导向轮架5-2中部的椭圆孔5-2-2并设有调整螺母5-5，在调整螺母5-5与导向轮架5-2之间的弹簧连杆5-3上套有弹簧5-4。所述驱动部件4的压力传感器设置于调整螺母5-5和弹簧5-4之间。

前导向轮5-1、后轮导向轮5-7通过一级孔铰接5-2-3与导向轮架5-2铰接，实现大宽度检测；前导向轮5-1、后轮导向轮5-7通过二级孔铰接5-2-4与导向轮架5-2铰接，实现小宽度检测；通过调整调整螺母5-5的位置，实现对弹簧5-4压缩量的改变，进而改变前导向轮5-1、后轮导向轮5-7与被测目标间的初始压力值，进而实现检测过程中导向轮的导向功能。

本实施例中，所述前轮导向轮5-1轴、前轮主动输出轴2-4、前轮从动输出轴2-7位于同一平面内，后轮导向轮5-7、后轮主动输出轴2-12、后轮从动输出轴2-13位于同一平面内。

如图9所示，所述永磁体2-11包括8对按照Halbach阵列排布的稀土钕铁硼材料子磁体2-11-1，相邻两块子磁体2-11-1的充磁方向夹角为67.5度。

如图10和11所述，将本发明安装于刚性罐道7上，驱动部件4通过传动部件3将动力传到移动部件2上，移动部件2通过自身永磁体2-11吸附特性实现巡检装置的安全吸附及运行，导向部件5依靠可调节弹簧5-4实现前轮导向轮5-1和后轮导向轮5-7紧贴刚性罐道，检测装置通过光电编码器实现巡检装置行驶速度的检测，通过倾角传感器实现巡检装置位姿的检测，并通过检测算法实现被测目标状态的实时检测。

如图11所示，根据上述巡检装置的刚性罐道巡检方法，该检测方法包括以下步骤：

b、逐次累加每一数据采集时刻速度值v与检测时间Δt，得到行驶路程后与(L1-L2)进行比对，当结果小于(L1-L2)时，巡检装置自动实现高速巡检，当结果大于(L1-L2)时，继续累加并对其结果与L1进行大小比较，若大于(L1-L2)并小于L1，则巡检装置实现低速巡检，当结果大于L1时，对累加结果进行清零，完成一个周期的调速巡检过程，其中，Δt为相邻两次数据采集时刻的时间差，刚性罐道一般由多节刚罐道串接而成，刚罐道缺陷主要集中于接头处，故在刚罐道中间区域实现高速巡检，以节省检测时间，而在接近其端部的接头区域内实现低速巡检，以保证检测精度，所以设定L1为单节刚罐道总长度，L2为人为定义的单节刚罐道端部的接头高速巡检长度；