救援机器人防爆创新设计探讨

摘要：为了解决采用现行防爆技术给机器人带来的重量大、功率不足等问题，提出了简化相关防爆结构与短时防爆技术2种新的方法以适用于煤矿救援机器人的设计。以CUMT-V型煤矿救援机器人作为实例，给出了具体的防爆设计方案。设计结果显示，采用所提出的方法可以大大减轻机器人的重量，简化机器人结构。然而，虽然所提方法有利于机器人的设计，但只是进行了理论分析，从安全的角度仍需进行严格的试验才能真正应用于煤矿救援机器人。

关键词：煤矿；救援机器人；防爆设计；短时防爆

煤矿救援机器人用来替代或者协助救援队员进行煤矿事故后的救援工作，这对减少灾后二次事故对救援队员的伤害具有重要意义。国外从20世纪90年代开始对煤矿救援机器人进行研究，国内也于2006年开始了煤矿救援机器人的研究。国内外相继研发了Ralter、V2、Groundhog、CUMT-I、CUMT-II、KQR48等煤矿搜救机器人样机，但是至今煤矿救援机器人的应用仍不理想。而与之类似的，如消防机器人、地震搜救机器人等特种机器人均有成功应用案例。探究煤矿救援机器人与其他特种机器人的差异，主要是煤矿灾后环境特殊，尤其是布满着爆炸性气体，机器人需要进行防爆设计。因此可以看出防爆影响了机器人的性能，进而影响了机器人的应用。本文将结合中国矿业大学按照现有国家标准在研制CUMT-V型煤矿救援机器人以及在申办安标过程中遇到的问题和困难，探讨在煤矿救援机器人防爆设计中的一些新思路与新想法。

1防爆简介

防爆是工作在爆炸性气体环境中电气设备的基本要求，其核心思想是通过一系列的技术手段使电气设备不引起易燃易爆气体发生爆炸。防爆电气设备的产生可以追溯到19世纪，德国科学家在20世纪初提出了用法兰间隙隔离容器内的爆炸生成物的防爆原理，于1912年提出了第一份煤矿用防爆电气设备的规定。中国矿用防爆电气设备的发展起步于1952年，1955年制定了《煤矿用电气设备制造检验暂行规定》。截至目前，世界各国对于防爆标准已经有了成熟的规定，如中国的电气防爆GB3836-2010系列，美国的电气防爆NEC500系列以及欧洲共同体的电气防爆EN系列等。虽然各个国家的防爆标准名称不同，但防爆原理基本相同，均是从阻止爆炸发生的3个条件入手。爆炸的条件：一定浓度的爆炸性气体、一定的引燃能量和充足氧气。因此，如本质安全型防爆技术就是限制电气设备的所能释放的最大能量，从而防止爆炸，这也是最安全的防爆技术。但是由于其能量低，因此此类设备往往功率较小，通常小于18W。其余的如正压型防爆技术、浇封型防爆技术、充油型防爆技术等均是限制电气设备周围的爆炸性气体浓度和氧气浓度来阻止爆炸的发生。还有一种防爆技术是隔爆型防爆技术，该防爆技术的核心思想是通过具有一定强度的腔体将电气设备与外界环境隔离，即便发生爆炸，也不会破坏腔体，从而阻止爆炸扩散。上述防爆技术中，以隔爆技术与本质安全型技术应用最广。

2煤矿救援机器人防爆方法研究

2.1防爆设计对于机器人的影响现有的防爆手段均是针对长时间工作在井下设备而制定的，如常规的三机。煤矿救援机器人作为近年来新出现的煤矿设备，其在井下工作时间短（所携带的电池也不足以支撑长时间工作）、体积小、重量轻，与常规的矿用设备有很大的不同。但为了满足爆炸试验，隔爆壳体设计的仍十分厚重，这使机器人变得沉重，导致功率不足。为了增加功率，就会选择更大的电池与更大的电机，大的电池与电机需要更大的隔爆箱体，如此恶性循环使机器人的行走能力欠缺。为了最大限度地减轻机器人的质量以减小对于机器人行走性能的影响，可以从以下两方面对现有的防爆设计进行改进。2.2简化相关防爆结构以隔爆设计为例，GB3836.2-2010中规定，对于大于250W或电流大于5A的电气设备，其隔爆腔体的线缆引入引出必须经过接线腔。接线腔的设置有2个目的：①为了便于井下设备维修；②为了保证安全（线缆被拉拽断裂时，接线腔起到了缓冲作用，而不是直接作用到电气设备本身）。CUMT-V型煤矿救援机器人采用模块化设计，为驱动电机单独设计了隔爆壳体，因此整个机器人存在2类防爆箱体，分别是安装常规电气元件的主隔爆箱和驱动电机隔爆箱。驱动电机隔爆箱以及在履带梁下部的安装方式如图1所示。通过图1可以看出，隔爆电机被包裹在履带梁之中，履带梁对其起到保护作用，发生线缆拉拽现象的概率很小。同时，由于煤矿救援机器人的特殊性，其并不会在井下进行拆装与维修，因此认为对于隔爆电机的接线腔可以省略。这不仅可以减轻重量，还可以简化隔爆电机结构。（a）隔爆电机示意图（b）履带单元示意图图1隔爆电机总成以及安装方式1.驱动电机2.电机腔3.接线腔4.线缆引入装置2.3短时防爆技术针对煤矿救援机器人在井下工作时间短的这个特点，提出短时防爆技术。所谓短时防爆是相对于现有长时间在井下工作的电气设备所采用的防爆技术而言，是指在短时间内能够满足防爆要求，但无法长时间满足防爆要求的一种技术，但要求在防爆手段失效时，设备自身已经不具备引发爆炸的能力，如机器人的电池能量已经耗尽或机器人可以切断工作电源。短时防爆技术可以做如下定义：通过某种技术方法（如密封、正压等）使电气设备在有限的时间内无法同时满足爆炸的3个条件（如设备腔体内的气体环境无法达到爆炸极限浓度）从而实现电气设备的防爆，其核心就是阻止爆炸性气体快速进入防护壳体内。对于气体从外界通过分子扩散作用渗入密闭容器的理论推导，有专家已经进行过严格的推导。本文引用部分重要的公式。假设从时间t0开始，外壳外部的气体浓度始终为Ya=100%，由于气体分子扩散作用，经过时间tcrit，外壳内瓦斯气体浓度从0上升到爆炸下限Yu。根据Fick扩散定律，外壳内外的气体浓度将逐渐趋近于均匀，即dyidt=FVLD（Ya-Yi）（1）式中Yi———外壳内的瓦斯气体浓度，%；Ya———外壳外的瓦斯气体浓度，%；F———裂缝横截面，cm2；L———隔爆接合面长度，cm；V———外壳体积，cm3；D———进入外壳内的爆炸性气体或蒸汽的扩散程度扩散系数，cm2/s。令X=Yi/Ya，φ=F/VL，则式（1）变为1-X=φDdt（2）若微分方程积分的临界条件为时间t=0、Yi=0；t=tcrit、Yi=Yu时，令Xu=Yu/Ya≤1，对式（2）两边积分Xu0乙dX1-X=φDtcrit0乙dt（3）解方程可得出浓度达到爆炸下限所需要的临界时间tcrit=-ln（1-Xu）/（φD）（4）通常对于二元气体A、B的相互扩散，A在B中的扩散系数和B在A中的扩散系数相等，因此可略去下标而用同一符号D表示，即DAB=DBA=D。通常可以通过较简单富勒（Fuller）公式进行计算A、B二元气体的扩散系数D=435.7T3/2p[（∑VA）1/3+（∑VB）1/3]21MA+1MB姨（5）式中p———气体的总压，Pa；T———热力学温度，K；MA、MB———组分A、组分B的摩尔质量，kg/kmol；ΣVA、ΣVB———组分A、组分B正常沸点时液态克摩尔容积，cm3/mol。若采用短时防爆技术，机器人主腔体就无需满足1MPa的强度要求，只需具有一定的机械强度即可，同时也可以不必进行分腔操作。CUMT-V型机器人主腔体按照现有隔爆要求设计后的参数：设备腔参数（长×宽×高）/mm684×387×180电池腔参数（长×宽×高）/mm810×168×230接线腔参数(长×宽×高）/mm200×334×180箱体材料Q690隔爆接合面宽度/mm25壁厚/mm6若将壁厚减小到3mm，同时去除不同腔体之间的隔板，仍保留隔爆接合面宽度，隔爆接合面的最大间隙为0.4mm，对新的防护箱体的防爆有效性进行计算。煤矿井下发生瓦斯爆炸，主要是瓦斯与空气的混合过程。已知空气的分子扩散体积∑Vair=29.9cm3/mol，瓦斯（CH4）的分子扩散体积∑VCH4=37.7cm3/mol。井下气压通常为80~110kPa，本文取80kPa；温度32~140K，本文取140K。同时已知CH4的摩尔质量16kg/kmol，空气摩尔质量为29kg/kmol。将上述参数代入式（5）可以计算出瓦斯与空气的扩散系数D=435.7×1403/280000[（29.9）1/3+（37.7）1/3]2×129+116姨=0.0673（6）假设在t=0，Yi=0；t=tcrit，Yi=Yu=5%（瓦斯爆炸下限），外壳外的瓦斯浓度Ya=100%。进一步可以计算出改进后的隔爆腔体达到爆炸下限所用的时间tcrit-g=-ln（1-0.05）×2.5×79313.40.0673×0.04×254.2=4.1h（7）根据式（7）的计算结果，防爆的有效时间是4.1h，满足CUMT-V型煤矿救援机器人的设计工作时长。在计算时，假设外壳外的瓦斯浓度100%，这是不符合实际情况的。同时，若在隔爆接合面增加橡胶密封，则可以大大提高防护箱体密封性以减缓瓦斯气体向腔体扩散速度，因此理论上可以得到更长的防爆有效时间。而新的防护箱体的质量为36kg，远小于119kg，减轻了整个机器人的质量。

3结语

本文主要针对煤矿救援机器人的防爆设计提供了一些新的思路和想法，并以CUMT-V型煤矿救援机器人作为实例进行了具体的阐述。主要是从简化相关防爆箱体结构和使用短时防爆技术的手段减轻机器人的质量以提高机器人的移动性能。虽然对所提想法进行了理论上的阐述和证明，但若在机器人中实施，仍需进行严格的试验测试。除了从设计自身减少防爆对机器人性能的影响外，对于此类产品的防爆检测检验也应采用新的思路，如对于隔爆设备的交变湿热检验，检验周期为14d，而机器人在井下工作时间通常不会超过4h，这对煤矿救援机器人来说是显然过于严格的。

作者:李雨潭 朱华 单位:1.中国矿业大学 2.江苏省矿山智能采掘装备协同创新中心