孫輝輝，丁 軍，張偉杰

(華北科技學院機電工程學院， 北京東燕郊 101601)

0 引言

救災機器人是機器人的一個新興發(fā)展領域，屬于危險作業(yè)機器人的一個分支，具有其危險作業(yè)機器人的特點［1］。在災難發(fā)生后，救援人員很難在短時間內(nèi)對遇難者進行搜救，耽誤了生命救援的最佳時機。在這種緊急而危險的環(huán)境下，救災機器人可以為救援人員提供幫助［2－3］。因此，將具有自主智能視覺系統(tǒng)的救災機器人用于危險和復雜地災難環(huán)境下“搜索和營救”幸存者，是機器人學中的一個新興而富有挑戰(zhàn)性的領域［4－5］。

但是，針對煤礦救災機器人，由于災難現(xiàn)場環(huán)境十將更加的惡劣。首先，煤礦井下無線通信困難，巷道煤壁對信號吸收嚴重，而且巷道轉彎多，無線電波難以穿透煤層和巖層［6－7］;其次，煤礦井下導航困難，沒有GPS定位導航信號，這樣就使得現(xiàn)有一些定位技術不能適用于或者不能直接用于礦井救災機器人。其次，煤礦爆炸事故一旦發(fā)生，礦井下的爆炸性氣體、粉塵濃度依然很大，煤礦就在機器人視覺系統(tǒng)在轉動時產(chǎn)生的電火花隨時有可能引發(fā)再爆炸的可能，對救護隊員的生命安全造成極大的威脅［8－9］。因此對救災機器人視覺系統(tǒng)的防爆設計將是系統(tǒng)設計的一個重要部分。

1 視覺系統(tǒng)建立

煤礦救援機器人全方位視覺系統(tǒng)是為煤礦救援機器人提供全方位視覺信號的設備，是典型的機電一體化系統(tǒng)，為煤礦救災機器人上具有很重要的設備。目前，研究機構研制的煤礦救援機器人有多種多樣?；居蓹C器人本體、驅(qū)動器、傳感器和控制系統(tǒng)組成。如圖1所示。機器人本體是承載視覺系統(tǒng)的一個機器人平臺，可以在救災工作面水平移動。全方位視覺系統(tǒng)機械機構提供一個多自由度的旋轉平臺，用于裝視覺傳感器。驅(qū)動器用來驅(qū)動步進電機旋轉，帶動視覺系統(tǒng)水平軸和垂直軸轉動。視覺傳感器是圖像傳感的一個重要部分，負責將采集的圖像送到上位機?？刂葡到y(tǒng)為整個系統(tǒng)的中心控制部分。

圖1 視覺系統(tǒng)功能結構圖

救災機器人視覺系統(tǒng)機械機構性能是測量系統(tǒng)一個重要指標，它由測量系統(tǒng)的機械結構決定，并直接影響到測量系統(tǒng)的機動性。在煤礦救援機器人上使用的測量系統(tǒng)的功能是將測距儀對準需要觀察的方向，以便獲得觀察視野。所以需要五個自由度，繞X軸和Y軸的轉動和XYZ三個方向的水平移動。XYZ方向水平移動由機器人本來完成，繞X軸和Y軸的轉動為視覺系統(tǒng)的機械部分完成。以此作為視覺系統(tǒng)機構設計的依據(jù)設計出救災機器人視覺系統(tǒng)的結構圖如圖2所示。

圖2 視覺系統(tǒng)機械結構

2 防爆設計

視覺系統(tǒng)建立完成后，將安裝與救災機器人前方用于視覺的探視。但煤層地質(zhì)條件差，高瓦斯礦井多，煤礦各種各樣的易燃易爆性氣體、粉塵經(jīng)常會泄露或溢散在煤炭生產(chǎn)、加工、運輸和貯存的各個過程。這些易燃氣體與空氣混合后，就會形成爆炸性混合物。當混合氣體達到爆炸濃度時，如果碰到火源，就會產(chǎn)生爆炸和火災等嚴重事故。所以在煤礦使用的機電設備必須符合煤礦機電防爆要求。為了使煤礦救援機器人視覺系統(tǒng)符合防爆要求，要對視覺系統(tǒng)進行防爆設計。

防爆設計是在視覺系統(tǒng)的外部安裝一組可以完全包圍的金屬防爆殼體，如圖3和圖4所示。視覺系統(tǒng)的防爆殼體分為兩個部分:頂部殼體和軸部殼體。防爆殼體一方面是為了保護設備不受損害，另一方面是當視覺系統(tǒng)的電氣設備產(chǎn)生電火花，并且引氣金屬殼體內(nèi)部發(fā)生爆炸時，防爆殼體可以起到熄火作用，并且對高溫氣體產(chǎn)生降溫的作用。

2.1 間隙的熄火作用

圖3 垂直軸防爆殼體

圖4 頂部防爆殼體

爆炸性氣體混合物火焰存狹小間隙中熄滅的理論是建立在管道中火焰?zhèn)鞑ソ缦薜膶嶒炑芯炕A上的。對于不同的爆炸性氣體混合物，都有對應的臨界熄火直徑值DL。當管道的直徑超過臨界值時，這種爆炸性氣體混合物的火焰即可沿著這個管道傳播，否則火焰熄滅。管道中心火焰溫度最高為Tmax，沿火焰表面的溫度為Tmin，即氣體燃燒所需最低溫度。在火焰外一定距離到管壁之間氣體的溫度為Tn，Tn＜Tmin，所以這個區(qū)域的氣體不燃燒，這是因為反應產(chǎn)生的熱量被管壁及未燃氣體吸收所致。隨著火焰的傳播，火焰前力的氣體相繼開始燃燒，而靠近管壁的區(qū)域氣體因為溫度較低始終不燃燒。若管子的直徑再減小一點時，火焰的傳播就不可能了，這個直徑即稱為:臨界直徑DL

式中，α為氣體混合物熱擴散率，v表示火焰波傳播速度，e為瓦斯氣體的活化能，δ代表傳播常數(shù)。

2.2 間隙的冷卻作用

當臨界問隙大于接合間隙時，殼內(nèi)的爆炸火焰通過間隙就被熄滅，但是穿出間隙的爆炸產(chǎn)物的溫度達到外部爆炸性氣體混合物的燃點時，仍然能夠引起外殼周圍的爆炸性氣體混合物爆炸。

燃爆炸性混合物的必要條件是在有限的燃燒生成物中有足夠的能量。當法蘭間隙足夠長，火焰通過其中時，由于間隙的冷卻作用，穿過間隙的火焰得到充分的冷卻，其溫度降低到外殼外部的爆炸性混合物所需要的燃點以下，所以不會傳爆。試驗表明，從外殼噴出的爆炸產(chǎn)物溫度高于燃點以上溫度時才能點燃瓦斯氣體?？扇夹詺怏w通過間隙時的冷卻程度可利用熱損失ΔQ與爆炸時產(chǎn)生的熱量Q0之比ΔQ/Q0來衡量。以結合面圓周上的一段圓弧d1作為單位長度。爆炸生成物從接合面單位長度上噴出的數(shù)量為:

式中;VH是外殼的凈容積，L代表法蘭接合面周長，dl代表法蘭接合面單元長度。

在以下的試驗中令部采用濃度為85%的沼氣—空氣混合物。沼氣的燃燒值為892.6 kJ/mol，所以容積為VH的沼氣與空氣混合物完全燃燒放出的熱量為:

式中，ξ代表的是瓦斯的濃度，q代表瓦斯氣體的燃燒值，M代表摩爾質(zhì)量。

當高溫氣體氣流通過殼體法蘭接合面間隙時，由于法蘭的熱傳導作用，氣體產(chǎn)生的熱損失可以表示為:

式中，C為氣體的定壓比熱容;T1為外殼內(nèi)氣體進入間隙時的平均溫度;T2為氣體出口時的平均溫度。

根據(jù)公式:由式(3)和(4)可得:

3 視覺系統(tǒng)的防爆數(shù)值分析

視覺系統(tǒng)的防爆主要涉及間隙熄火和間隙冷卻兩個方面，根據(jù)理論計算，查閱資料并且選擇合適的參數(shù)，對防爆殼體的臨街間隙進行計算。由于殼體法蘭面為平面聯(lián)接，取公式(2)臨界直徑的1/2作為法蘭聯(lián)接面的臨界間隙。得出臨界間隙為0.63 mm。參數(shù)選擇如表1所示。

表1 臨界間隙計算參數(shù)

為了驗算防爆殼體的間隙冷卻作用，采用濃度為85%的甲烷－空氣混合物進行實驗。針對不同的殼體間隙，0.2 mm，0.3 mm，0.5 mm，1.5 mm，得到法蘭冷卻殼體的冷卻作用如表2所示。

表2 爆炸后殼內(nèi)外的溫度與熱損失的關系

通過以上分析計算可以看出:隨著間隙的加大，熱損失降低，隔爆外殼間隙處的出口溫度增加，防爆殼體逐漸失去隔爆冷卻作用。

4 隔爆殼體有限元分析

根據(jù)爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備國家標準的要求，隔爆型外殼需要進行外殼耐壓試驗。可以使用有限元軟件模擬外殼耐壓試驗，驗證設計的正確性，同時為外殼改進提供理論依據(jù)。隔爆殼體的必須承受最少5 MPa均布壓力，并保持30 s以上，分析類型可以按靜力學分析。定義相關參數(shù)，然后利用ANSYS軟件進行計算，得到的結果為:

在有限元分析過程中，網(wǎng)格劃分大小為4 mm，材料選擇合金鋁，彈性模量為 70 GPa，剪切模量為26 GPa，然后進行計算，結果如圖5所示。

如圖5過應力分布圖所示，隔爆殼體各部分的受力都清楚的表示出來。隔爆殼體最薄弱的部位在殼體的頂部，應力為55 MPa左右，小于材料的許用應力220 MPa，滿足防爆的強度要求。法蘭連接的應力分布，從圖中可以看出最大應力為167.51 MPa，也遠小于材料的許用應力220 MPa。滿足防爆的強度要求。

圖5 頂部隔爆殼應力分布圖

在水平軸殼的有限元劃分時，網(wǎng)格的劃分和材料選擇和頂部軸殼相同，設置好基本參數(shù)后，進行仿真計算，得到結果如圖6所示。通過圖6水平軸殼應力分布圖可以看出，隔爆殼體最薄弱的部位在殼體的中間部分，應力為31.22 MPa左右，局部應力的最大值為40.05 MPa左右，遠小于材料的許用應力220 MPa，滿足防爆的強度要求。在有限元分析基礎上，此防爆殼體的數(shù)據(jù)還需要進步做其它試驗進一步驗證。

圖6 水平軸殼應力分布圖

5 結論

本文以煤礦救災機器人全方位防爆視覺系統(tǒng)為研究目標，建立了全方位視覺系統(tǒng)的物理結構，分析了適用于全方位視覺系統(tǒng)的間隙隔爆原理和間隙熄火原理形式，并以此為依據(jù)對視覺系統(tǒng)進行了隔爆結構設計。最后，利用有限元仿真軟件，模擬爆炸過程所產(chǎn)生的壓力，驗證隔爆殼體等關鍵部位的防爆性能。結果表明全方位視覺系統(tǒng)的防爆結構合理，性能滿足設計要求，為防爆殼體的進一步研究提供理論基礎。

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