溫學(xué)雷

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037)

我國(guó)是煤礦事故多發(fā)國(guó)家，各種煤礦事故導(dǎo)致了嚴(yán)重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。如何在事故發(fā)生后實(shí)施及時(shí)有效的救援是值得深入思考的問題。據(jù)我國(guó)原國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局對(duì)全國(guó)67個(gè)煤礦救援隊(duì)的裝備需求調(diào)查表明，基本提出了對(duì)煤礦井下救援機(jī)器人的迫切需求，尤其是在0區(qū)環(huán)境(即連續(xù)出現(xiàn)或長(zhǎng)期出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境)中代替救援人員進(jìn)入災(zāi)區(qū)，對(duì)保障救援人員的安全及提高救援成效具有重大意義。鑒于此，近年來國(guó)內(nèi)外不斷加大對(duì)煤礦救援機(jī)器人的研制力度，并推出多種機(jī)器人樣機(jī)，由于絕大多數(shù)采用隔爆驅(qū)動(dòng)(用以保障機(jī)器人的動(dòng)力需求)，因此導(dǎo)致機(jī)器人無法滿足在0區(qū)環(huán)境中的使用條件。基于此，本文通過分析煤礦救援機(jī)器人國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及應(yīng)用，提出一種在本安驅(qū)動(dòng)下提升機(jī)器人動(dòng)力性能的方法，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 煤礦救援機(jī)器人研究現(xiàn)狀

國(guó)外針對(duì)礦山救援機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)80年代，經(jīng)歷了前期研究，目前正進(jìn)入實(shí)用化研究階段。典型的主要有澳大利亞研制的第一臺(tái)煤礦救援機(jī)器人Australia CSIRO Numbat；新西蘭惠靈頓維多利亞大學(xué)研制的煤礦井下救援飛行器以及由美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制成功的煤礦救援機(jī)器人Gemi-scout。上述機(jī)器人均屬隔爆防爆等級(jí)，無法在0區(qū)環(huán)境使用。

相對(duì)國(guó)外，我國(guó)在煤礦救援機(jī)器人方面研究起步較晚，但進(jìn)步較快。如中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研制的國(guó)內(nèi)首臺(tái)礦山救援機(jī)器人CUMT-I和中信重工開誠(chéng)智能裝備有限公司的煤礦井下探測(cè)機(jī)器人，上述兩款救援機(jī)器人依然為隔爆防爆等級(jí)。中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司于2014年研制出了國(guó)內(nèi)首款本安防爆型救援探測(cè)機(jī)器人，首次實(shí)現(xiàn)煤礦救援機(jī)器人可在0區(qū)環(huán)境使用，然而動(dòng)力性能較弱，因此造成機(jī)器人行走及越障能力較差，實(shí)用性較低。

2 煤礦本安驅(qū)動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用及分析

據(jù)調(diào)研，目前尚未有本安驅(qū)動(dòng)救援機(jī)器人國(guó)內(nèi)外的成功應(yīng)用案例，分析主要原因如下：針對(duì)0區(qū)環(huán)境的救援，未達(dá)到本安防爆等級(jí)的機(jī)器人禁止投入使用；滿足本安防爆要求的救援機(jī)器人因動(dòng)力性能不足，雖然符合0區(qū)環(huán)境中使用條件，卻無法在實(shí)際礦井環(huán)境中行走及越障，基本不具備實(shí)用性。上述情況造成了針對(duì)0區(qū)環(huán)境中的救援無實(shí)用的救援機(jī)器人。因此，如何在本安驅(qū)動(dòng)條件下提升機(jī)器人動(dòng)力性能成為煤礦救援機(jī)器人的關(guān)鍵問題，直接制約機(jī)器人的實(shí)用性。

3 本安驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究及試驗(yàn)

3.1 本安驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

依據(jù)《爆炸性環(huán)境第4部分:由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備》(GB3836.4-2010)要求，本安電路最大功率不超過33 W?；诖?，本文提出“分功合流”思想，設(shè)計(jì)本安驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

采用多個(gè)不超過33 W的本安驅(qū)動(dòng)單元通過液壓并聯(lián)利用流量合成為大功率本安驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，為煤礦救援機(jī)器人提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。依據(jù)液壓原理可知，理論上各支路壓力與總油路壓力相同，各支路流量之和與總油路流量相同，但實(shí)際由于系統(tǒng)阻力損失，存在合成效率。因此，本安驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率合成情況取決于液壓系統(tǒng)的流量合成效率。

3.2 本安驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

本安驅(qū)動(dòng)單元主要包括電池、電機(jī)、液壓泵及其控制電路等。根據(jù)《爆炸性環(huán)境第4部分:由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備》(GB3836.4-2010)中Ⅰ類電感線路計(jì)算確定關(guān)鍵元器件參數(shù)為：電池電壓為24 V，電機(jī)電感為110 μH，電機(jī)電壓為24 V，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min，電機(jī)額定扭矩為73 N·m，液壓泵排量為12 mm3，液壓泵額定工作壓力為15 MPa，液壓泵啟動(dòng)扭矩為10 N·m。依據(jù)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了電火花試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿足本安防爆要求。

圖1 本安驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體方案

3.3 基于本安驅(qū)動(dòng)的液壓合流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)電機(jī)及液壓泵參數(shù)，確定液壓系統(tǒng)工作壓力為15 MPa，每個(gè)本安驅(qū)動(dòng)單元為一個(gè)支路，通過并聯(lián)后將各支路流量合成，設(shè)計(jì)本安驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓合流原理如圖2所示。

1-冷卻系統(tǒng)；2-液壓泵；3-電機(jī)；4-卸荷閥；5-數(shù)顯壓力表；6-數(shù)顯流量計(jì)；7-調(diào)壓溢流閥圖2 本安驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓合流原理

各支路設(shè)置均設(shè)置單向閥、數(shù)顯流量計(jì)及數(shù)顯壓力表，用于測(cè)量各支路流量及壓力，總路上設(shè)置壓力調(diào)節(jié)閥，用于系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)。

3.4 試驗(yàn)平臺(tái)搭建及驗(yàn)證

依據(jù)本安驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓合流原理搭建試驗(yàn)平臺(tái)，該試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)了5個(gè)本安驅(qū)動(dòng)單元支路進(jìn)行合流試驗(yàn)，設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速1000 r/min，調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)壓力為15 MPa，待系統(tǒng)運(yùn)行10 s后，每間隔10 s測(cè)量各支路及合成流量數(shù)據(jù)。本安驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試原理機(jī)如圖3所示，本安驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓合流測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖3 本安驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試原理機(jī)

圖4 本安驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓合流測(cè)試結(jié)果

測(cè)量的各支路及總路壓力數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 本安驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)壓力測(cè)試結(jié)果

由圖5可以看出，總油路壓力與各支路壓力基本保持一致，可忽略壓力損失。計(jì)算出該系統(tǒng)在5路合成工況下流量合成效率如圖6所示。

由圖6可以看出，由試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)是本安條件下提升動(dòng)力性能的有效方法，合理可行。

圖6 本安驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)合成效率

4 結(jié)論

(1)煤礦救援機(jī)器人的研究目前正處于試驗(yàn)樣機(jī)向?qū)嵱没兄频碾A段。

(2)本質(zhì)安全條件下提升救援機(jī)器人的動(dòng)力性能是針對(duì)0區(qū)環(huán)境的救援機(jī)器人的關(guān)鍵問題。

(3)通過試驗(yàn)研究得知，在五泵并聯(lián)前提下，基于液壓合流的本安驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)合流效率達(dá)94%，驗(yàn)證了該方法是本質(zhì)安全下提升機(jī)器人動(dòng)力性能的有效解決方案。