高 俊

（同煤集團(tuán)機(jī)電裝備科大機(jī)械有限公司， 山西 大同 037000）

引言

由于煤礦井下存在危險(xiǎn)的爆炸性氣體，若機(jī)器人不具有隔爆能力，很容易會(huì)因其自身電氣設(shè)備的爆炸而造成的二次災(zāi)害。隔爆殼體的設(shè)計(jì)是整個(gè)煤礦救援機(jī)器人設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，它既是機(jī)器人移動(dòng)的底盤，又要為電池模塊、控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和傳感模塊等電氣設(shè)備提供一個(gè)足夠安全的安裝環(huán)境。隔爆殼體的主要作用是保證通過殼體的結(jié)合面和結(jié)構(gòu)間隙滲透到殼體內(nèi)部的可燃性混合氣體在殼體內(nèi)部爆炸而不會(huì)引起外部爆炸性氣體環(huán)境的爆炸，同時(shí)也不會(huì)造成機(jī)器人自身的損壞。因此，煤礦救援機(jī)器人的隔爆殼體不僅應(yīng)該具有足夠大的有效空間來安裝電氣設(shè)備，而且應(yīng)具有足夠高的強(qiáng)度來保證自身和外部環(huán)境的安全[1-2]。

1 煤礦救援機(jī)器人隔爆殼體設(shè)計(jì)

1.1 隔爆外殼外形設(shè)計(jì)

在相同容積下，由于外殼形狀的不同，爆炸壓力也會(huì)有較顯著的差別。由于矩形外殼火焰前鋒到達(dá)壁面的時(shí)間早于爆炸性混合物完全燃燒的時(shí)間，因而有一部分爆炸生成物的熱量被壁吸收，同時(shí)通過壁向周圍傳導(dǎo)，使爆炸生成物冷卻，削弱了爆炸生成物向壁膨脹的效果[3]。且相同容積下，矩形殼體產(chǎn)生的爆炸壓力小。因此，殼體外形設(shè)計(jì)為矩形，主體結(jié)構(gòu)采用大開蓋結(jié)構(gòu)。在蓋箱和殼體的法蘭之間采用螺栓連接，兩法蘭的接觸面之間有隔爆結(jié)構(gòu)。底面設(shè)計(jì)為平板。兩側(cè)設(shè)計(jì)有“凸”字形側(cè)翼，見圖1、圖2。

1.2 隔爆外殼材料的選擇

圖1 煤礦探測(cè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

圖2 隔爆外殼整體結(jié)構(gòu)圖

國(guó)家對(duì)于煤礦井下設(shè)備的殼體材料有明確的限制，同時(shí)探測(cè)機(jī)器人又具有高精密度和高機(jī)動(dòng)性能，所以低密度、高強(qiáng)度的輕合金才是探測(cè)機(jī)器人隔爆殼體材料的最佳選擇。參考煤電鉆外殼材料，隔爆外殼材料選用ZL401鑄鋁合金。ZL401鑄鋁合金各項(xiàng)參數(shù)如下：彈性模量為68 GPa；泊松比μ為0.35；材料密度為 2.95 t/m3；許用應(yīng)力[σt]為 48.75 MPa。

1.3 爆炸壓力的設(shè)計(jì)

大量的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)爆炸性氣體爆炸時(shí)，產(chǎn)生的壓力一般在0.703～1.01 MPa，并伴隨著較高溫度，因此設(shè)計(jì)壓力為1.02 MPa。

2 煤礦救援機(jī)器人隔爆外殼強(qiáng)度計(jì)算思路

2.1 隔爆殼體底板厚度設(shè)計(jì)

在進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)隔爆外殼最容易發(fā)生彈性形變的位置進(jìn)行受力分析，由材料力學(xué)知識(shí)可知?dú)んw底面為最薄弱區(qū)域，故選擇殼體底面作為研究對(duì)象。在進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算時(shí)，固定形式條件屬于殼體兩側(cè)完全固定。

根據(jù)彈性力學(xué)理論可得底板所受的最大應(yīng)力為：

式中：P為爆炸壓力，MPa；C為應(yīng)力系數(shù)；y為短邊長(zhǎng)度；h為底板厚度。

底板所受的最大應(yīng)力應(yīng)該不大于材料的許用應(yīng)力，即：

殼體底板厚度設(shè)計(jì)方法與蓋腔的厚度設(shè)計(jì)方法一樣，這里不再贅述。

2.2 蓋腔法蘭和殼體法蘭厚度計(jì)算思路

法蘭可看作是兩相對(duì)邊簡(jiǎn)支（長(zhǎng)度為兩相鄰螺栓之間的距離），一邊固定，另一邊自由，受爆炸壓力的板，其最大橈度在中點(diǎn)處，根據(jù)《機(jī)械工程師手冊(cè)》中的近似計(jì)算公式：

最大撓度

式中：α為撓度系數(shù)；E為材料的彈性模量，MPa；a為法蘭兩螺栓間距，mm；h為法蘭厚度，mm。

所以蓋腔法蘭的最大撓度：

殼體法蘭的最大撓度：

由于隔爆殼體結(jié)合面的撓度為殼體法蘭最大撓度與蓋腔法蘭最大撓度之和，即：

剛度條件為：

式中：[f]為許用撓度，且滿足公式（9）。

式中：W為隔爆結(jié)合面的允許間隙；B為為平面度公差；S為安全系數(shù)。

2.3 蓋腔法蘭和殼體法蘭之間連接螺栓的數(shù)量和類型

在計(jì)算螺栓間距時(shí)，根據(jù)法蘭的大小可以確定螺栓的數(shù)量。這里取螺栓個(gè)數(shù)為8。

爆炸發(fā)生時(shí)，螺栓所受的力為拉力F，方向正對(duì)爆炸壓力方向，大小為蓋腔法蘭面積與爆炸壓力的乘積，即：

式中：S"為蓋腔法蘭面積。

單個(gè)螺栓所受的力F1為拉力F除以螺栓數(shù)量和安全系數(shù)，即：式中：K為安全系數(shù)，取1.5；n為螺栓數(shù)量。通過查閱標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)最終選擇M12的緊固螺栓。

3 隔爆殼體的有限元分析結(jié)果

設(shè)計(jì)完成后，利用UG軟件和ABAQUS軟件對(duì)隔爆殼體分別進(jìn)行建模和有限元分析，觀察其中的應(yīng)力分布和變形情況，驗(yàn)證煤礦救援機(jī)器人設(shè)計(jì)的合理性，并對(duì)隔爆殼體進(jìn)行了初步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 分析前處理

根據(jù)防爆標(biāo)準(zhǔn)GB 3836.1—2000對(duì)殼體進(jìn)行靜壓試驗(yàn)，殼體的分析類型為靜態(tài)分析。對(duì)防爆殼體和法蘭的耐壓試驗(yàn)分別進(jìn)行，固定殼體兩側(cè)出口和箱體法蘭四周，然后給其內(nèi)部1.02 MPa垂直于部各面和法蘭面壓強(qiáng)，對(duì)各面和法蘭面施加壓力。應(yīng)用ZL401鑄鋁合金材質(zhì)到各面和法蘭，其中，ZL401鑄鋁合金彈性模量為68 GPa，泊松比為0.35，密度為2.95 t/m3。然后再對(duì)殼體和底面采用軟件中良好的網(wǎng)格設(shè)定參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元大小為7.124 28 mm，單元公差為 0.356 214 mm[4-5]。

有限元分析前的準(zhǔn)備工作完成后進(jìn)行運(yùn)行分析。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)論

分析結(jié)果表明：殼體和箱體的應(yīng)力較不均勻，殼體凸出處和箱體四條邊線處的應(yīng)力值偏大，其他區(qū)域的應(yīng)力值較小，應(yīng)力有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備，需要對(duì)其進(jìn)行局部改進(jìn)和優(yōu)化。首先對(duì)薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)，即對(duì)殼體凸出處和箱體四條邊線處進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，具體方法為將直角邊拐角改成圓形拐角，并增設(shè)加強(qiáng)筋。然后對(duì)應(yīng)力值較小、應(yīng)力強(qiáng)度儲(chǔ)備較大的部位進(jìn)行減重優(yōu)化設(shè)計(jì)，即在保證應(yīng)力的前提下減少板厚。

4 結(jié)語

煤礦救援機(jī)器人已成為近幾年煤礦機(jī)械研究的新方向和熱點(diǎn)問題。煤礦救援機(jī)器人進(jìn)入井下工作必須進(jìn)行隔爆設(shè)計(jì)，可通過殼體建模、強(qiáng)度計(jì)算、壓力分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)對(duì)隔爆殼體的優(yōu)化設(shè)計(jì)。