救援機(jī)器人防爆創(chuàng)新設(shè)計(jì)探討

1、救援機(jī)器人防爆創(chuàng)新設(shè)計(jì)探討 摘要：為了解決采用現(xiàn)行防爆技術(shù)給機(jī)器人帶來的重量大、功率不足等問題，提出了簡(jiǎn)化相關(guān)防爆結(jié)構(gòu)與短時(shí)防爆技術(shù)2種新的方法以適用于煤礦救援機(jī)器人的設(shè)計(jì)。以CUMT-V型煤礦救援機(jī)器人作為實(shí)例，給出了具體的防爆設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)結(jié)果顯示，采用所提出的方法可以大大減輕機(jī)器人的重量，簡(jiǎn)化機(jī)器人結(jié)構(gòu)。然而，雖然所提方法有利于機(jī)器人的設(shè)計(jì)，但只是進(jìn)行了理論分析，從安全的角度仍需進(jìn)行嚴(yán)格的試驗(yàn)才能真正應(yīng)用于煤礦救援機(jī)器人。 關(guān)鍵詞：煤礦；救援機(jī)器人；防爆設(shè)計(jì)；短時(shí)防爆 煤礦救援機(jī)器人用來替代或者協(xié)助救援隊(duì)員進(jìn)行煤礦事故后的救援工作，這對(duì)減少災(zāi)后二次事故對(duì)救援隊(duì)員的傷害具有重要意義。國(guó)外從

2、20世紀(jì)90年代開始對(duì)煤礦救援機(jī)器人進(jìn)行研究，國(guó)內(nèi)也于2006年開始了煤礦救援機(jī)器人的研究。國(guó)內(nèi)外相繼研發(fā)了Ralter、V2、Groundhog、CUMT-I、CUMT-II、KQR48等煤礦搜救機(jī)器人樣機(jī)，但是至今煤礦救援機(jī)器人的應(yīng)用仍不理想。而與之類似的，如消防機(jī)器人、地震搜救機(jī)器人等特種機(jī)器人均有成功應(yīng)用案例。探究煤礦救援機(jī)器人與其他特種機(jī)器人的差異，主要是煤礦災(zāi)后環(huán)境特殊，尤其是布滿著爆炸性氣體，機(jī)器人需要進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)。因此可以看出防爆影響了機(jī)器人的性能，進(jìn)而影響了機(jī)器人的應(yīng)用。本文將結(jié)合中國(guó)礦業(yè)大學(xué)按照現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在研制CUMT-V型煤礦救援機(jī)器人以及在申辦安標(biāo)過程中遇到的問題和困

3、難，探討在煤礦救援機(jī)器人防爆設(shè)計(jì)中的一些新思路與新想法。 1防爆簡(jiǎn)介 防爆是工作在爆炸性氣體環(huán)境中電氣設(shè)備的基本要求，其核心思想是通過一系列的技術(shù)手段使電氣設(shè)備不引起易燃易爆氣體發(fā)生爆炸。防爆電氣設(shè)備的產(chǎn)生可以追溯到19世紀(jì)，德國(guó)科學(xué)家在20世紀(jì)初提出了用法蘭間隙隔離容器內(nèi)的爆炸生成物的防爆原理，于1912年提出了第一份煤礦用防爆電氣設(shè)備的規(guī)定。中國(guó)礦用防爆電氣設(shè)備的發(fā)展起步于1952年，1955年制定了煤礦用電氣設(shè)備制造檢驗(yàn)暫行規(guī)定。截至目前，世界各國(guó)對(duì)于防爆標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)有了成熟的規(guī)定，如中國(guó)的電氣防爆GB3836-2010系列，美國(guó)的電氣防爆NEC500系列以及歐洲共同體的電氣防爆EN系列等。

4、雖然各個(gè)國(guó)家的防爆標(biāo)準(zhǔn)名稱不同，但防爆原理基本相同，均是從阻止爆炸發(fā)生的3個(gè)條件入手。爆炸的條件：一定濃度的爆炸性氣體、一定的引燃能量和充足氧氣。因此，如本質(zhì)安全型防爆技術(shù)就是限制電氣設(shè)備的所能釋放的最大能量，從而防止爆炸，這也是最安全的防爆技術(shù)。但是由于其能量低，因此此類設(shè)備往往功率較小，通常小于18W。其余的如正壓型防爆技術(shù)、澆封型防爆技術(shù)、充油型防爆技術(shù)等均是限制電氣設(shè)備周圍的爆炸性氣體濃度和氧氣濃度來阻止爆炸的發(fā)生。還有一種防爆技術(shù)是隔爆型防爆技術(shù)，該防爆技術(shù)的核心思想是通過具有一定強(qiáng)度的腔體將電氣設(shè)備與外界環(huán)境隔離，即便發(fā)生爆炸，也不會(huì)破壞腔體，從而阻止爆炸擴(kuò)散。上述防爆技術(shù)中，以隔

5、爆技術(shù)與本質(zhì)安全型技術(shù)應(yīng)用最廣。 2煤礦救援機(jī)器人防爆方法研究 2.1防爆設(shè)計(jì)對(duì)于機(jī)器人的影響現(xiàn)有的防爆手段均是針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間工作在井下設(shè)備而制定的，如常規(guī)的三機(jī)。煤礦救援機(jī)器人作為近年來新出現(xiàn)的煤礦設(shè)備，其在井下工作時(shí)間短（所攜帶的電池也不足以支撐長(zhǎng)時(shí)間工作）、體積小、重量輕，與常規(guī)的礦用設(shè)備有很大的不同。但為了滿足爆炸試驗(yàn)，隔爆殼體設(shè)計(jì)的仍十分厚重，這使機(jī)器人變得沉重，導(dǎo)致功率不足。為了增加功率，就會(huì)選擇更大的電池與更大的電機(jī)，大的電池與電機(jī)需要更大的隔爆箱體，如此惡性循環(huán)使機(jī)器人的行走能力欠缺。為了最大限度地減輕機(jī)器人的質(zhì)量以減小對(duì)于機(jī)器人行走性能的影響，可以從以下兩方面對(duì)現(xiàn)有的防爆設(shè)計(jì)進(jìn)行

6、改進(jìn)。2.2簡(jiǎn)化相關(guān)防爆結(jié)構(gòu)以隔爆設(shè)計(jì)為例，GB3836.2-2010中規(guī)定，對(duì)于大于250W或電流大于5A的電氣設(shè)備，其隔爆腔體的線纜引入引出必須經(jīng)過接線腔。接線腔的設(shè)置有2個(gè)目的：為了便于井下設(shè)備維修；為了保證安全（線纜被拉拽斷裂時(shí)，接線腔起到了緩沖作用，而不是直接作用到電氣設(shè)備本身）。CUMT-V型煤礦救援機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，為驅(qū)動(dòng)電機(jī)單獨(dú)設(shè)計(jì)了隔爆殼體，因此整個(gè)機(jī)器人存在2類防爆箱體，分別是安裝常規(guī)電氣元件的主隔爆箱和驅(qū)動(dòng)電機(jī)隔爆箱。驅(qū)動(dòng)電機(jī)隔爆箱以及在履帶梁下部的安裝方式如圖1所示。通過圖1可以看出，隔爆電機(jī)被包裹在履帶梁之中，履帶梁對(duì)其起到保護(hù)作用，發(fā)生線纜拉拽現(xiàn)象的概率很小。同

7、時(shí)，由于煤礦救援機(jī)器人的特殊性，其并不會(huì)在井下進(jìn)行拆裝與維修，因此認(rèn)為對(duì)于隔爆電機(jī)的接線腔可以省略。這不僅可以減輕重量，還可以簡(jiǎn)化隔爆電機(jī)結(jié)構(gòu)。（a）隔爆電機(jī)示意圖（b）履帶單元示意圖圖1隔爆電機(jī)總成以及安裝方式1.驅(qū)動(dòng)電機(jī)2.電機(jī)腔3.接線腔4.線纜引入裝置2.3短時(shí)防爆技術(shù)針對(duì)煤礦救援機(jī)器人在井下工作時(shí)間短的這個(gè)特點(diǎn)，提出短時(shí)防爆技術(shù)。所謂短時(shí)防爆是相對(duì)于現(xiàn)有長(zhǎng)時(shí)間在井下工作的電氣設(shè)備所采用的防爆技術(shù)而言，是指在短時(shí)間內(nèi)能夠滿足防爆要求，但無法長(zhǎng)時(shí)間滿足防爆要求的一種技術(shù)，但要求在防爆手段失效時(shí)，設(shè)備自身已經(jīng)不具備引發(fā)爆炸的能力，如機(jī)器人的電池能量已經(jīng)耗盡或機(jī)器人可以切斷工作電源。短時(shí)防爆

8、技術(shù)可以做如下定義：通過某種技術(shù)方法（如密封、正壓等）使電氣設(shè)備在有限的時(shí)間內(nèi)無法同時(shí)滿足爆炸的3個(gè)條件（如設(shè)備腔體內(nèi)的氣體環(huán)境無法達(dá)到爆炸極限濃度）從而實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的防爆，其核心就是阻止爆炸性氣體快速進(jìn)入防護(hù)殼體內(nèi)。對(duì)于氣體從外界通過分子擴(kuò)散作用滲入密閉容器的理論推導(dǎo)，有專家已經(jīng)進(jìn)行過嚴(yán)格的推導(dǎo)。本文引用部分重要的公式。假設(shè)從時(shí)間t0開始，外殼外部的氣體濃度始終為Ya=100%，由于氣體分子擴(kuò)散作用，經(jīng)過時(shí)間tcrit，外殼內(nèi)瓦斯氣體濃度從0上升到爆炸下限Yu。根據(jù)Fick擴(kuò)散定律，外殼內(nèi)外的氣體濃度將逐漸趨近于均勻，即dyidt=FVLD（Ya-Yi）（1）式中Yi外殼內(nèi)的瓦斯氣體濃度，%

9、；Ya外殼外的瓦斯氣體濃度，%；F裂縫橫截面，cm2；L隔爆接合面長(zhǎng)度，cm；V外殼體積，cm3；D進(jìn)入外殼內(nèi)的爆炸性氣體或蒸汽的擴(kuò)散程度擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s。令X=Yi/Ya，=F/VL，則式（1）變?yōu)?-X=Ddt（2）若微分方程積分的臨界條件為時(shí)間t=0、Yi=0；t=tcrit、Yi=Yu時(shí)，令Xu=Yu/Ya1，對(duì)式（2）兩邊積分Xu0乙dX1-X=Dtcrit0乙dt（3）解方程可得出濃度達(dá)到爆炸下限所需要的臨界時(shí)間tcrit=-ln（1-Xu）/（D）（4）通常對(duì)于二元?dú)怏wA、B的相互擴(kuò)散，A在B中的擴(kuò)散系數(shù)和B在A中的擴(kuò)散系數(shù)相等，因此可略去下標(biāo)而用同一符號(hào)D表示，即DAB=D

10、BA=D。通?？梢酝ㄟ^較簡(jiǎn)單富勒（Fuller）公式進(jìn)行計(jì)算A、B二元?dú)怏w的擴(kuò)散系數(shù)D=435.7T3/2p（VA）1/3+（VB）1/321MA+1MB姨（5）式中p氣體的總壓，Pa；T熱力學(xué)溫度，K；MA、MB組分A、組分B的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；VA、VB組分A、組分B正常沸點(diǎn)時(shí)液態(tài)克摩爾容積，cm3/mol。若采用短時(shí)防爆技術(shù)，機(jī)器人主腔體就無需滿足1MPa的強(qiáng)度要求，只需具有一定的機(jī)械強(qiáng)度即可，同時(shí)也可以不必進(jìn)行分腔操作。CUMT-V型機(jī)器人主腔體按照現(xiàn)有隔爆要求設(shè)計(jì)后的參數(shù)：設(shè)備腔參數(shù)（長(zhǎng)寬高）/mm684387180電池腔參數(shù)（長(zhǎng)寬高）/mm810168230接線腔參數(shù)(長(zhǎng)寬

11、高）/mm200334180箱體材料Q690隔爆接合面寬度/mm25壁厚/mm6若將壁厚減小到3mm，同時(shí)去除不同腔體之間的隔板，仍保留隔爆接合面寬度，隔爆接合面的最大間隙為0.4mm，對(duì)新的防護(hù)箱體的防爆有效性進(jìn)行計(jì)算。煤礦井下發(fā)生瓦斯爆炸，主要是瓦斯與空氣的混合過程。已知空氣的分子擴(kuò)散體積Vair=29.9cm3/mol，瓦斯（CH4）的分子擴(kuò)散體積VCH4=37.7cm3/mol。井下氣壓通常為80110kPa，本文取80kPa；溫度32140K，本文取140K。同時(shí)已知CH4的摩爾質(zhì)量16kg/kmol，空氣摩爾質(zhì)量為29kg/kmol。將上述參數(shù)代入式（5）可以計(jì)算出瓦斯與空氣的擴(kuò)散

12、系數(shù)D=435.71403/280000（29.9）1/3+（37.7）1/32129+116姨=0.0673（6）假設(shè)在t=0，Yi=0；t=tcrit，Yi=Yu=5%（瓦斯爆炸下限），外殼外的瓦斯?jié)舛萗a=100%。進(jìn)一步可以計(jì)算出改進(jìn)后的隔爆腔體達(dá)到爆炸下限所用的時(shí)間tcrit-g=-ln（1-0.05）2.579313.40.06730.04254.2=4.1h（7）根據(jù)式（7）的計(jì)算結(jié)果，防爆的有效時(shí)間是4.1h，滿足CUMT-V型煤礦救援機(jī)器人的設(shè)計(jì)工作時(shí)長(zhǎng)。在計(jì)算時(shí)，假設(shè)外殼外的瓦斯?jié)舛?00%，這是不符合實(shí)際情況的。同時(shí)，若在隔爆接合面增加橡膠密封，則可以大大提高防護(hù)箱體密封性以減緩?fù)咚箽怏w向腔體擴(kuò)散速度，因此理論上可以得到更長(zhǎng)的防爆有效時(shí)間。而新的防護(hù)箱體的質(zhì)量為36kg，遠(yuǎn)小于119kg，減輕了整個(gè)機(jī)器人的質(zhì)量。 3結(jié)語 本文主要針對(duì)煤礦救援機(jī)器人的防爆設(shè)計(jì)提供了一些新的思路和想法，并以CUMT-V型煤礦救援機(jī)器人作為實(shí)例進(jìn)行了具體的闡述。主要是從簡(jiǎn)化相關(guān)防爆箱體結(jié)構(gòu)和使用短時(shí)防爆技術(shù)的手段減輕機(jī)器人的質(zhì)量以提高機(jī)器人的移動(dòng)性能。雖然對(duì)所提想法進(jìn)行了理論上的闡述和證明，但若在機(jī)