矿用井下救援机器人的防爆设计探讨

张佳杰

摘要：在矿难发生后承担井下探测人员救援的救援机器人必须采用防爆设计。为了合理地进行煤矿机器人的防爆设计，在分析煤矿机器人及其防爆设计的基础上，对煤矿机器人的防爆类型进行了研究。在此基础上，介绍了履带式和摇臂式煤矿环境探测机器人移动系统的防爆结构。

关键词：煤矿机器人;防爆;隔爆外壳;正压外壳

1 引言

在煤炭井下开采作业中，矿井瓦斯泄漏是非常严重的事故，瓦斯气体有毒性能使煤矿工人中毒，而且极易引发爆炸，因此在设计用于瓦斯事故后环境探测和救援的煤矿救援机器人时，必须考虑防爆设计。然而，矿用救援机器人的研究很少涉及防爆设计研究。本文在介绍国内外煤矿救援机器人的基础上，通过对其防爆设计的分析，探讨了可用于机器人的防爆类型。

2 矿用救援机器人国内外研究设计现状

Gomathi V等人设计一种基于无线传感器网络（WSN）的自适应煤矿救援机器人，如图1所示。由传感控制机构和监控子系统组成，并装配有电机控制机构。通过气体和温度传感器感知和接收周围环境数据。从而实时指导救援人员在救援行动时自行了解情况，有助于救援人员开展有效的救援行动。

Niu S G等人在分析煤矿事故和火灾发生的特殊性的基础上，设计了一种煤矿火灾救援机器人，其结构如图2所示。该机器人采用前后机铰接的四履带复合驱动机构，具有良好的爬坡、越障能力、地面适应性、机械性能、防水、防火、防爆等功能。

Ma L等人研究了煤矿机器人动力电池在井下充电的安全性问题。在此基础上，通过搭建机器人防爆自动充电装置检测实验平台，验证了机器人井下充电过程中形成的临时隔爆室的安全性能，从而解决煤矿机器人在井下充电过程中容易造成安全隐患的问题。

3 适用于机器人的防爆设计类型

矿井救援机器人可采用整体防爆和局部防爆的混合防爆措施。适用于矿井救援机器人的防爆类型有隔爆外壳、正压外壳和本质安全型[4]。

3.1 隔爆外壳型

隔爆外壳类型需要一个厚重隔爆外壳，该外壳设计用于防止外部环境的爆炸冲击波将足够的能量转移到外壳内部。因此，隔爆型机器人要求有足够强度的隔爆外壳，并根据具体环境的隔爆要求进行设计。

3.2 正压外壳型

正压外壳类型的防爆设计需要提供外壳和保护气体。以防止外部爆炸性气体进入外壳内部。这需要内部压力控制系统来检测内部大气压力并及时增正压力。如果机器人采用压力封闭式，则必须携带压力气体容器，因此会增加机器人的体积和重量。

3.3 本质安全型

当本质安全装置处于正常运行或规定的故障条件下时，该装置不会产生任何火花或电弧。本质安全装置只需要具有某些保护特性的外壳，且装置重量轻。然而，机器人的驱动电机在非正常工作状态下可能会产生火花，因此电机驱动的机器人很少采用本质安全型设计。

3.4 机器人防爆设计类型的选择

根据井下救援机器人的结构和功能，可采用多种保护类型的组合，如隔爆外壳与本质安全的组合、正压外壳与本质安全的组合、隔爆外壳与正压外壳与本质安全的组合。煤矿机器人应体积小、重量轻、移动能力强，并配备必要的环境检测传感器。因此，应使用整体隔爆外壳和部分本质安全的组合类型。机器人的驱动电机、电源模块、控制和通信模块可装入隔爆外壳，环境检测模块可采用本质安全型。对于协助运送幸存者的大容量救援机器人，可采用组合式正压外壳和部分本安型。正压外壳的机械强度要求可能不如隔爆外壳严格。与隔爆外壳相比，正压外壳的厚度可以更薄，重量可以更轻。

4 机器人防爆设计实例

近年来，中国矿业大学正在研究几种类型的井下救援机器人防爆设计，用于探测矿井危险后的环境。这种机器人主要使用隔爆外壳或本质安全型防爆。其中移动系统的防爆设计是机器人防爆设计的难点和重点，目前，大多数能够适应小型机器人的小功率直流电机都没有采用防爆设计，因此必须对电机进行定制的隔爆结构设计。根据机器人移动系统的不同，隔爆外壳的结构也不同。有些机器人需要分散的驱动电机，有些电气设备是集中的，因此可以为分散的电气设备（如电机）设计分散的隔爆外壳。

4.1 隔爆结构的集中设计

图3显示了由中国矿业大学开发的煤矿探测机器人，该机器人主要用于煤矿探测和灾后环境探测[5]。移动系统采用两条主轨道和两条摆臂轨道。主驱动轨道和前摆臂轨道布置在主隔爆外壳的两侧，驱动电机、电源模块、控制和通信模块插入主隔爆外壳。主隔爆外壳与用于布置检测设备、摄像机和光纤绞盘的上壳体接触。主隔爆外壳不仅包含电气设备，也是机器人的底盘。

4.2 隔爆结构的分散设计

如图4所示，由中国矿业大学开发的摇臂式四轮煤矿救援机器人的移动平台包括一个主体、一个齿轮式差动装置、两个摇臂悬架和四个车轮[6]。在机器人本体内部，差速器壳体与本体固定。差速器的两个伸出轴分别连接在安装在主体两侧的两个摇臂悬架上。四个车轮分别连接到四个支腿末端的伞齿轮变速箱。四个车轮由安装在摇臂悬架支腿内的直流电机独立驱动。支腿采用了隔爆装置，包括隔爆电机腔和隔爆连接腔。通过电缆引入装置，直流电机的电源和控制电缆连接至主体的电源和控制器。另外，支腿的上部的空腔通过另一个隔爆接头连接至底部的槽口结构。在支腿上部的末端有一个防火电缆入口装置，形成了一个隔爆连接腔。

5 結论

用于探测环境和营救幸存者的煤矿救援机器人必须按照防爆要求进行设计。在分析国内外煤矿机器人及其防爆设计的基础上，探讨了煤矿机器人可采用的防护类型。得出以下结论：第一，机器人设计可采用整体防爆和局部防爆的混合防爆设计;其次，机器人的防护类型主要包括隔爆外壳、正压外壳、本质安全以及它们的组合。矿井发生事故后探测矿井环境的小型机器人应采用隔爆外壳和本质安全型设计，移动系统的防爆结构可根据结构特点采用隔爆结构集中设计或隔爆结构分散设计。

参考文献

[1]李向东，葛兆斌，孙洁，张艳芳.基于井下探测救援机器人的电气安全设计实现[J].山东科学，2019，22（05）：72-75.

[2]郑学召，赵炬，张铎，郭军.煤矿救援机器人研究现状及发展趋势[J].工矿自动化，2019，45（09）：7-12.

[3]张春芳，张传俊，李艳华.矿用井下救援机器人路径优化研究[J].成都工业学院学报，2021，24（01）：54-59.