救援機器人防爆創新設計探討

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摘要：為了解決采用現行防爆技術給機器人帶來的重量大、功率不足等問題，提出了簡化相關防爆結構與短時防爆技術2種新的方法以適用于煤礦救援機器人的設計。以CUMT-V型煤礦救援機器人作為實例，給出了具體的防爆設計方案。設計結果顯示，采用所提出的方法可以大大減輕機器人的重量，簡化機器人結構。然而，雖然所提方法有利于機器人的設計，但只是進行了理論分析，從安全的角度仍需進行嚴格的試驗才能真正應用于煤礦救援機器人。

關鍵詞：煤礦；救援機器人；防爆設計；短時防爆

煤礦救援機器人用來替代或者協助救援隊員進行煤礦事故后的救援工作，這對減少災后二次事故對救援隊員的傷害具有重要意義。國外從20世紀90年代開始對煤礦救援機器人進行研究，國內也于2006年開始了煤礦救援機器人的研究。國內外相繼研發了Ralter、V2、Groundhog、CUMT-I、CUMT-II、KQR48等煤礦搜救機器人樣機，但是至今煤礦救援機器人的應用仍不理想。而與之類似的，如消防機器人、地震搜救機器人等特種機器人均有成功應用案例。探究煤礦救援機器人與其他特種機器人的差異，主要是煤礦災后環境特殊，尤其是布滿著爆炸性氣體，機器人需要進行防爆設計。因此可以看出防爆影響了機器人的性能，進而影響了機器人的應用。本文將結合中國礦業大學按照現有國家標準在研制CUMT-V型煤礦救援機器人以及在申辦安標過程中遇到的問題和困難，探討在煤礦救援機器人防爆設計中的一些新思路與新想法。

1防爆簡介

防爆是工作在爆炸性氣體環境中電氣設備的基本要求，其核心思想是通過一系列的技術手段使電氣設備不引起易燃易爆氣體發生爆炸。防爆電氣設備的產生可以追溯到19世紀，德國科學家在20世紀初提出了用法蘭間隙隔離容器內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備的規定。中國礦用防爆電氣設備的發展起步于1952年，1955年制定了《煤礦用電氣設備制造檢驗暫行規定》。截至目前，世界各國對于防爆標準已經有了成熟的規定，如中國的電氣防爆GB3836-2010系列，美國的電氣防爆NEC500系列以及歐洲共同體的電氣防爆EN系列等。雖然各個國家的防爆標準名稱不同，但防爆原理基本相同，均是從阻止爆炸發生的3個條件入手。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，如本質安全型防爆技術就是限制電氣設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。但是由于其能量低，因此此類設備往往功率較小，通常小于18W。其余的如正壓型防爆技術、澆封型防爆技術、充油型防爆技術等均是限制電氣設備周圍的爆炸性氣體濃度和氧氣濃度來阻止爆炸的發生。還有一種防爆技術是隔爆型防爆技術，該防爆技術的核心思想是通過具有一定強度的腔體將電氣設備與外界環境隔離，即便發生爆炸，也不會破壞腔體，從而阻止爆炸擴散。上述防爆技術中，以隔爆技術與本質安全型技術應用最廣。

2煤礦救援機器人防爆方法研究

2.1防爆設計對于機器人的影響現有的防爆手段均是針對長時間工作在井下設備而制定的，如常規的三機。煤礦救援機器人作為近年來新出現的煤礦設備，其在井下工作時間短（所攜帶的電池也不足以支撐長時間工作）、體積小、重量輕，與常規的礦用設備有很大的不同。但為了滿足爆炸試驗，隔爆殼體設計的仍十分厚重，這使機器人變得沉重，導致功率不足。為了增加功率，就會選擇更大的電池與更大的電機，大的電池與電機需要更大的隔爆箱體，如此惡性循環使機器人的行走能力欠缺。為了最大限度地減輕機器人的質量以減小對于機器人行走性能的影響，可以從以下兩方面對現有的防爆設計進行改進。2.2簡化相關防爆結構以隔爆設計為例，GB3836.2-2010中規定，對于大于250W或電流大于5A的電氣設備，其隔爆腔體的線纜引入引出必須經過接線腔。接線腔的設置有2個目的：①為了便于井下設備維修；②為了保證安全（線纜被拉拽斷裂時，接線腔起到了緩沖作用，而不是直接作用到電氣設備本身）。CUMT-V型煤礦救援機器人采用模塊化設計，為驅動電機單獨設計了隔爆殼體，因此整個機器人存在2類防爆箱體，分別是安裝常規電氣元件的主隔爆箱和驅動電機隔爆箱。驅動電機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，隔爆電機被包裹在履帶梁之中，履帶梁對其起到保護作用，發生線纜拉拽現象的概率很小。同時，由于煤礦救援機器人的特殊性，其并不會在井下進行拆裝與維修，因此認為對于隔爆電機的接線腔可以省略。這不僅可以減輕重量，還可以簡化隔爆電機結構。（a）隔爆電機示意圖（b）履帶單元示意圖圖1隔爆電機總成以及安裝方式1.驅動電機2.電機腔3.接線腔4.線纜引入裝置2.3短時防爆技術針對煤礦救援機器人在井下工作時間短的這個特點，提出短時防爆技術。所謂短時防爆是相對于現有長時間在井下工作的電氣設備所采用的防爆技術而言，是指在短時間內能夠滿足防爆要求，但無法長時間滿足防爆要求的一種技術，但要求在防爆手段失效時，設備自身已經不具備引發爆炸的能力，如機器人的電池能量已經耗盡或機器人可以切斷工作電源。短時防爆技術可以做如下定義：通過某種技術方法（如密封、正壓等）使電氣設備在有限的時間內無法同時滿足爆炸的3個條件（如設備腔體內的氣體環境無法達到爆炸極限濃度）從而實現電氣設備的防爆，其核心就是阻止爆炸性氣體快速進入防護殼體內。對于氣體從外界通過分子擴散作用滲入密閉容器的理論推導，有專家已經進行過嚴格的推導。本文引用部分重要的公式。假設從時間t0開始，外殼外部的氣體濃度始終為Ya=100%，由于氣體分子擴散作用，經過時間tcrit，外殼內瓦斯氣體濃度從0上升到爆炸下限Yu。根據Fick擴散定律，外殼內外的氣體濃度將逐漸趨近于均勻，即dyidt=FVLD（Ya-Yi）（1）式中Yi———外殼內的瓦斯氣體濃度，%；Ya———外殼外的瓦斯氣體濃度，%；F———裂縫橫截面，cm2；L———隔爆接合面長度，cm；V———外殼體積，cm3；D———進入外殼內的爆炸性氣體或蒸汽的擴散程度擴散系數，cm2/s。令X=Yi/Ya，φ=F/VL，則式（1）變為1-X=φDdt（2）若微分方程積分的臨界條件為時間t=0、Yi=0；t=tcrit、Yi=Yu時，令Xu=Yu/Ya≤1，對式（2）兩邊積分Xu0乙dX1-X=φDtcrit0乙dt（3）解方程可得出濃度達到爆炸下限所需要的臨界時間tcrit=-ln（1-Xu）/（φD）（4）通常對于二元氣體A、B的相互擴散，A在B中的擴散系數和B在A中的擴散系數相等，因此可略去下標而用同一符號D表示，即DAB=DBA=D。通常可以通過較簡單富勒（Fuller）公式進行計算A、B二元氣體的擴散系數D=435.7T3/2p[（∑VA）1/3+（∑VB）1/3]21MA+1MB姨（5）式中p———氣體的總壓，Pa；T———熱力學溫度，K；MA、MB———組分A、組分B的摩爾質量，kg/kmol；ΣVA、ΣVB———組分A、組分B正常沸點時液態克摩爾容積，cm3/mol。若采用短時防爆技術，機器人主腔體就無需滿足1MPa的強度要求，只需具有一定的機械強度即可，同時也可以不必進行分腔操作。CUMT-V型機器人主腔體按照現有隔爆要求設計后的參數：設備腔參數（長×寬×高）/mm684×387×180電池腔參數（長×寬×高）/mm810×168×230接線腔參數(長×寬×高）/mm200×334×180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，對新的防護箱體的防爆有效性進行計算。煤礦井下發生瓦斯爆炸，主要是瓦斯與空氣的混合過程。已知空氣的分子擴散體積∑Vair=29.9cm3/mol，瓦斯（CH4）的分子擴散體積∑VCH4=37.7cm3/mol。井下氣壓通常為80~110kPa，本文取80kPa；溫度32~140K，本文取140K。同時已知CH4的摩爾質量16kg/kmol，空氣摩爾質量為29kg/kmol。將上述參數代入式（5）可以計算出瓦斯與空氣的擴散系數D=435.7×1403/280000[（29.9）1/3+（37.7）1/3]2×129+116姨=0.0673（6）假設在t=0，Yi=0；t=tcrit，Yi=Yu=5%（瓦斯爆炸下限），外殼外的瓦斯濃度Ya=100%。進一步可以計算出改進后的隔爆腔體達到爆炸下限所用的時間tcrit-g=-ln（1-0.05）×2.5×79313.40.0673×0.04×254.2=4.1h（7）根據式（7）的計算結果，防爆的有效時間是4.1h，滿足CUMT-V型煤礦救援機器人的設計工作時長。在計算時，假設外殼外的瓦斯濃度100%，這是不符合實際情況的。同時，若在隔爆接合面增加橡膠密封，則可以大大提高防護箱體密封性以減緩瓦斯氣體向腔體擴散速度，因此理論上可以得到更長的防爆有效時間。而新的防護箱體的質量為36kg，遠小于119kg，減輕了整個機器人的質量。

3結語

本文主要針對煤礦救援機器人的防爆設計提供了一些新的思路和想法，并以CUMT-V型煤礦救援機器人作為實例進行了具體的闡述。主要是從簡化相關防爆箱體結構和使用短時防爆技術的手段減輕機器人的質量以提高機器人的移動性能。雖然對所提想法進行了理論上的闡述和證明，但若在機器人中實施，仍需進行嚴格的試驗測試。除了從設計自身減少防爆對機器人性能的影響外，對于此類產品的防爆檢測檢驗也應采用新的思路，如對于隔爆設備的交變濕熱檢驗，檢驗周期為14d，而機器人在井下工作時間通常不會超過4h，這對煤礦救援機器人來說是顯然過于嚴格的。

作者:李雨潭 朱華 單位:1.中國礦業大學 2.江蘇省礦山智能采掘裝備協同創新中心