CN111115037A

CN111115037A - 一种矿井煤仓智能清理装置及方法

Info

Publication number: CN111115037A
Application number: CN201911262502.0A
Authority: CN
Inventors: 陈军涛; 何帆; 张毅; 齐资源; 王旻烨; 刘斌
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2019-12-11
Filing date: 2019-12-11
Publication date: 2020-05-08

Abstract

本发明提供了一种矿井煤仓智能清理装置及方法，涉及煤仓辅助清理装置技术领域，包括上机架、下机架、回转主轴、升降装置、缓冲装置和清理装置，上机架上设置有升降装置并固定在煤仓内壁上，回转主轴连接上机架和下机架，回转主轴上还设置有三维激光扫描仪，下机架上设置有摄像头和清理装置，清理装置包括机械臂和清理头，缓冲装置和发电机设置在回转主轴的下端；利用三维激光扫描仪对筒壁煤泥的粘结情况进行实时扫描分析，升降装置控制清理装置的高度，对煤仓内壁进行清理，缓冲装置保护煤仓的底部防止大块煤泥砸落，同时缓冲装置将撞击的动能通过发电机转化为电能，发电机为三维激光扫描仪供电，实现了煤仓的智能清理。

Description

一种矿井煤仓智能清理装置及方法

技术领域

本发明涉及煤仓辅助清理装置技术领域，尤其是一种应用于矿井的煤仓智能清理装置及清理方法。

背景技术

煤仓堵煤现象是目前煤矿、火力发电厂的煤仓普遍存在的问题，煤矿洗煤厂的煤仓堵煤造成煤炭不能及时转运，同时还会影响输煤系统设备的使用寿命；火力发电厂煤仓堵煤也会影响正常的发电运营，降低输煤系统的安全保障系数等。但是在煤矿生产中，由于多水平的开采需要设置储煤仓，所以及时解决煤仓堵塞问题可以很大程度上提高煤矿生产效率。

煤仓堵塞现象，通常的处理方式是采用人工疏通、炸药爆破法、空气炮等疏通装置。人工疏通是用较长的金属管从下部放料口向上推，这种做法的劳动强度大，工作效率低，重要的是可能会对操作人员的安全造成威胁，严重堵塞时将无法运作。使用空气炮进行清理存在巨大安全隐患，且清理效果不佳。炸药爆破法在运用过程中，工作人员由于很难掌握仓内堵塞的具体位置、堵煤形状等，药包定位难，同时还要考虑煤尘的防爆等安全问题，所以实际应用较少。

对于煤仓的清理，首先需要掌握煤仓的堵塞情况，需对仓容进行较为准确的测量。传统的测量方法是料位计法，通过料位计测量仓内煤面高度，判断仓内贮存煤炭的容量。但是，采用此方法时常常会出现仓内的储煤粘在传感器上从而造成测量的没面高度不准确。所以煤仓中主要采用非触式测量装置，主要包括重锤式料位计、雷达式料位计、起声波料位计。此类料位计大多安装在仓顶，虽然避免了直接接触煤而产生的测量误差。但其测量范围小，无法满足精确测量仓容的需求。

为了精确的确定仓容，并且高效清理煤仓内粘煤，在清理煤仓的同时保护煤仓底部仓壁，需要对现有的煤仓清理装置做进一步的改进。

发明内容

为了实现煤仓的智能清理，精准确定仓容，高效清理仓内粘煤，同时保护煤仓底部的仓壁，本发明提供了一种矿井煤仓智能清理装置及方法，具体技术方案如下。

一种矿井煤仓智能清理装置，包括上机架、下机架、回转主轴、升降装置、缓冲装置和清理装置；所述上机架上设置有升降装置并固定在煤仓内壁上，回转主轴连接上机架和下机架，所述回转主轴上还设置有三维激光扫描仪，所述下机架上设置有摄像头和清理装置，所述清理装置包括机械臂和清理头，缓冲装置和发电机设置在回转主轴的下端；所述三维激光扫描仪将扫描信息传输至控制系统，控制系统的数据处理模块通过扫描信息确定粘煤区域，控制系统还控制升降装置和清理装置工作，摄像头将清理装置的清理图像传输至控制系统；所述缓冲装置和发电机相连，发电机为三维激光扫描仪供电。

优选的是，升降装置通过控制吊绳长度控制下机架的升降，所述下机架的一侧设置有清理装置，另一侧设置有配重。

优选的是，机械臂为拉杆结构，清理头固定在拉杆端部；所述清理装置和缓冲装置在竖直方向上相对布置。

优选的是，三维激光扫描仪提供煤仓内表面的三维点数据，控制系统的数据处理模块根据数据建立煤仓三维模型。

一种矿井煤仓智能清理方法，利用上述的一种矿井煤仓智能清理装置，步骤包括：

步骤A.三维激光扫描仪随回转主轴旋转和升降，通过三维激光扫描仪对原始煤仓内壁进行扫描，建立原始煤仓三维模型；

步骤B.煤仓投入使用后，三维激光扫描仪提供煤仓内表面的三维点数据，控制器的数据处理模块根据数据建立煤仓三维模型，控制系统对比原始煤仓三维模型和煤仓三维模型，得到粘结煤泥的厚度和位置；

步骤C.控制系统控制清理装置升降至粘结煤泥的位置，控制机械臂伸展，清理煤仓内壁，摄像头将清理装置的清理图像反馈至控制系统；

步骤D.煤泥掉落至缓冲装置，缓冲装置带动发电机发电，发电机为三维激光扫描仪供电。

还优选的是，三维激光扫描仪的发射器发出激光脉冲信号并传递至煤仓内壁表面，煤仓内壁表面反射后沿相同的路径传回接收器，确定煤仓内壁表面上任意点P与扫描仪的距离S，接收器同时记录每个激光脉冲信号的横向扫描角度观测值α和仰角观测值β，以扫描仪的位置为坐标原点建立三维坐标系，并确定P点的坐标(X_P,Y_P,Z_P),其中X_P＝S·cosβ·sinα；Y_P＝S·cosβ；Z_P＝S·sinβ。

还优选的是，控制系统对比原始煤仓三维模型和煤仓三维模型得到清理厚度h，根据清理厚度确定机械臂的伸展长度。

本发明的有益效果包括：

(1)本发明提供的一种矿井煤仓智能清理装置，利用三维激光扫描仪对仓容进行准确的测量，另外扫描对比具有实时性，实现了利用清理装置对煤层的实时精准清理，避免了煤仓堵塞扩大，降低了清仓难度；通过扫描测量可以准确判断煤仓壁堵塞的厚度及范围，从而可以精准控制机械臂的伸展长度，避免清理装置伤害煤仓内壁面，实现了煤仓清理的自动化。

(2)控制系统准确对比原始煤仓三维模型和煤仓三维模型，可以更好的把控煤仓堆积状态，摄像头的设置进一步的保证了清理装置的精准操作，并且可以实现人为干预，准确的掌握清理状况；和机械臂相对的位置设置缓冲装置，能够保证清理过程中煤仓底部的仓壁不会被大块煤砸坏。

(3)矿井煤仓智能清理方法通过三维激光扫描仪对仓内情况进行准确的测量，由控制系统对机械臂的施工位置和伸出的长度进行准确控制，大大提高了清理的效率；控制系统合理确定机械臂的伸出位置和伸展长度，避免了因为操作不当而破坏煤仓内壁；缓冲装置能够避免大块煤对煤仓底部的破坏。

该系统及方法提高了煤仓的有效仓容率，实现了煤仓清理的自动化和智能化，并且提高了煤仓的清理效率，有效的保护了煤仓结构，对矿井安全生产调度具有重要意义。

附图说明

图1是矿井煤仓智能清理装置结构示意图；

图2是矿井煤仓智能清理装置俯视结构示意图；

图3是机械臂的结构示意图；

图4是清理装置的结构示意图；

图5是缓冲装置结构示意图；

图6是三维激光扫描仪及坐标系示意图；

图中：1-上机架；2-升降装置；3-清理装置；31-机械臂；32-清理头；4-摄像头；5-发电机；6-缓冲装置；61-缓冲杆；62-复位齿轮；63-发电机；7-配重；8-三维激光扫描仪；9-回转主轴；10-控制系统。

具体实施方式

结合图1至图6所示，本发明提供的一种矿井煤仓智能清理装置及方法具体实施方式如下。

一种矿井煤仓智能清理装置，包括上机架、下机架、回转主轴、升降装置、三维激光扫描仪、缓冲装置和清理装置，矿井煤仓智能清理装置的上机架固定设置在矿井煤仓的上部；通过该智能清理装置上的三维扫描仪对煤仓的情况进行扫描后，将数据传输到控制系统，控制系统将扫描仪得到的数据进行分析、建模，判断煤仓是否需要清理以及清理的部位，并控制清理装置对需要清理的位置进行定位并实现自动清理；在煤仓下口漏斗的上方还设有缓冲装置和发电机，可对大块的煤进行缓冲，防止大块煤对下口漏斗进行冲击，并且可将大块煤下落的动能转化为电能，为三维激光扫描仪供电；清理装置设置有机械臂，机械臂的伸长长度由控制器控制以防机械臂伸出的长度过长而破坏煤仓壁。该装置利用了三维激光扫描仪对仓容进行准确的测量，另外扫描对比具有实时性，实现了利用清理装置对煤层的实时精准清理，避免了煤仓堵塞扩大，降低了清仓难度；通过扫描测量可以准确判断煤仓壁堵塞的厚度及范围，从而可以精准控制机械臂的伸展长度，避免清理装置伤害煤仓内壁面，实现了煤仓清理的自动化。

上机架1上设置有升降装置2并固定在煤仓内壁上，可以是通过上机架1的两端固定在煤仓上部。设置回转主轴9连接上机架1和下机架，回转主轴9上还设置有三维激光扫描仪8，回转主轴9可以自主的实现转动和伸缩，三维激光扫描仪8可拆卸的设置在回转主轴9上，并且三维激光扫描仪8还设置有保护外壳。下机架上还设置有摄像头4和清理装置3，清理装置3包括机械臂31和清理头32，缓冲装置6和发电机63设置在回转主轴9的下端，缓冲装置6在煤仓底部漏斗的上方。三维激光扫描仪8将扫描信息传输至控制系统，控制系统10的数据处理模块通过扫描信息确定粘煤区域，控制系统10还控制升降装置2和清理装置3工作，摄像头4将清理装置3的清理图像传输至控制系统。缓冲装置6和发电机63相连，缓冲装置受煤块冲击带动发电机发电，发电机为三维激光扫描仪8供电。

控制系统10设置有主控计算机和控制台，主控计算机接收到三维激光扫描仪8传输的数据后，对煤仓进行三维建模，将煤仓三维模型与原始煤仓三维模型进行比对后，确定粘结煤泥的厚度和位置，控制系统10还可以对机械臂31的伸长长度和作业位置进行定位，从而实现粘结煤泥的智能清理；在紧急情况下控制系统的控制台可直接对机械臂进行直接操控。

升降装置2通过控制吊绳长度控制下机架的升降，下机架的一侧设置有清理装置3，另一侧设置有配重7，配重7能够保证机械臂31工作时处于平衡状态。升降装置2通过外接电源或蓄电设备供电，控制吊绳伸展，控制系统10控制升降装置的升降调节。

机械臂31为拉杆结构，清理头32固定在拉杆端部；清理装置3和缓冲装置6在竖直方向上相对布置。控制系统10对机械臂31伸长长度进行控制，长度的数值来源于控制系统对比原始煤仓三维模型和煤仓三维模型得到的清理厚度，机械臂31上装有摄像头，因此也可由人为操控机械臂的运动；机械臂上设有用于清理煤仓堵塞的清理头。

缓冲装置6位于煤仓下口漏斗的上方，机械臂31的下方，可以根据需要设置缓冲杆61的数目、位置，以及杆与杆之间的间隔，以便控制拦截的煤的大小；当大块的粘结煤落到缓冲杆上时，杆向下运动，和缓冲杆61相连的发电机将杆运动的动能转化为电能，为扫描仪供电，当煤落下后，缓冲杆在弹簧部件的作用下又自动回弹至初始状态。其中缓冲装置6包括多个缓冲杆61，缓冲杆61和复位齿轮62相连，复位齿轮62和惯性发电机63通过齿轮连接，复位齿轮62随缓冲杆61的摆动而转动，转动后复位齿轮62再带动缓冲杆复位，这个过程中复位齿轮带动惯性发电机63转动发电；缓冲杆61的形状可以根据需要设置呈板状、杆状或枝状，惯性发电机63是将齿轮的转动转化为同向的转动发电，保证电流的稳定性，利用齿轮的转动带动发电机进行稳定的发电。

三维激光扫描仪8提供煤仓内表面的三维点数据，控制系统10的数据处理模块根据数据建立煤仓三维模型；三维激光扫描仪8可对煤仓仓壁煤泥的粘结情况进行三维建模，并将建模的结果传输至控制系统中进行分析，从而确定是否需要清理以及清理的部位。三维激光扫描仪8的测量速度大约在每秒10万个点以上，100万点以下，将测出的数据通过控制系统的计算机处理后可得到煤仓此时的实况模型。

控制系统10准确对比原始煤仓三维模型和煤仓三维模型，可以更好的把控煤仓堆积状态，摄像头的设置进一步的保证了清理装置的精准操作，并且可以实现人为干预，准确的掌握清理状况；和机械臂相对的位置设置缓冲装置，能够保证清理过程中煤仓底部的仓壁不会被大块煤砸坏。

一种矿井煤仓智能清理方法，采用基于三维激光扫描仪测量技术的传感器，对煤仓的实时情况进行监测，并通过控制系统进行建模；三维激光扫描仪开始先测量煤仓内壁的三维图形，控制系统根据建模情况，将堵塞状态建模后得到最佳的堵塞清理方案；启动清仓程序，升降装置调整机械臂的位置，机械臂上的清理头开始清仓，控制系统根据三维激光扫描仪和摄像头监测的数据判断是否清仓结束，清仓结束则控制升降装置返回原来的高度。

利用上述的一种矿井煤仓智能清理装置，步骤包括：

其中三维激光扫描仪的发射器发出激光脉冲信号并传递至煤仓内壁表面，煤仓内壁表面反射后沿相同的路径传回接收器，确定煤仓内壁表面上任意点P与扫描仪的距离S，接收器同时记录每个激光脉冲信号的横向扫描角度观测值α和仰角观测值β，以扫描仪的位置为坐标原点建立三维坐标系，并确定P点的坐标(XP,YP,ZP),其中XP＝S·cosβ·sinα；YP＝S·cosβ；ZP＝S·sinβ。

控制系统对比原始煤仓三维模型和煤仓三维模型得到清理厚度h，根据清理厚度确定机械臂的伸展长度。

矿井煤仓智能清理方法通过三维激光扫描仪对仓内情况进行准确的测量，由控制系统对机械臂的施工位置和伸出的长度进行准确控制，大大提高了清理的效率；控制系统合理确定机械臂的伸出位置和伸展长度，避免了因为操作不当而破坏煤仓内壁；缓冲装置能够避免大块煤对煤仓底部的破坏。该系统及方法提高了煤仓的有效仓容率，实现了煤仓清理的自动化和智能化，并且提高了煤仓的清理效率，有效的保护了煤仓结构，对矿井安全生产调度具有重要意义。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种矿井煤仓智能清理装置，其特征在于，包括上机架、下机架、回转主轴、升降装置、缓冲装置和清理装置；所述上机架上设置有升降装置并固定在煤仓内壁上，回转主轴连接上机架和下机架，所述回转主轴上还设置有三维激光扫描仪，所述下机架上设置有摄像头和清理装置，所述清理装置包括机械臂和清理头，缓冲装置和发电机设置在回转主轴的下端；

所述三维激光扫描仪将扫描信息传输至控制系统，控制系统的数据处理模块通过扫描信息确定粘煤区域，控制系统还控制升降装置和清理装置工作，摄像头将清理装置的清理图像传输至控制系统；所述缓冲装置和发电机相连，发电机为三维激光扫描仪供电。

2.根据权利要求1所述的一种矿井煤仓智能清理装置，其特征在于，所述升降装置通过控制吊绳长度控制下机架的升降，所述下机架的一侧设置有清理装置，另一侧设置有配重。

3.根据权利要求2所述的一种矿井煤仓智能清理装置，其特征在于，所述机械臂为拉杆结构，清理头固定在拉杆端部；所述清理装置和缓冲装置在竖直方向上相对布置。

4.根据权利要求1所述的一种矿井煤仓智能清理装置，其特征在于，所述三维激光扫描仪提供煤仓内表面的三维点数据，控制系统的数据处理模块根据数据建立煤仓三维模型。

5.一种矿井煤仓智能清理方法，其特征在于，利用权利要求1-4任一项所述的一种矿井煤仓智能清理装置，步骤包括：

6.根据权利要求5所述的一种矿井煤仓智能清理方法，其特征在于，所述三维激光扫描仪的发射器发出激光脉冲信号并传递至煤仓内壁表面，煤仓内壁表面反射后沿相同的路径传回接收器，确定煤仓内壁表面上任意点P与扫描仪的距离S，接收器同时记录每个激光脉冲信号的横向扫描角度观测值α和仰角观测值β，以扫描仪的位置为坐标原点建立三维坐标系，并确定P点的坐标(X_P,Y_P,Z_P),其中X_P＝S·cosβ·sinα；Y_P＝S·cosβ；Z_P＝S·sinβ。

7.根据权利要求5所述的一种矿井煤仓智能清理方法，其特征在于，所述控制系统对比原始煤仓三维模型和煤仓三维模型得到清理厚度h，根据清理厚度确定机械臂的伸展长度。