摘 要

煤礦機(jī)器人作業(yè)技術(shù)和防爆技術(shù)廣泛應(yīng)用，但煤礦井下場(chǎng)所存在爆炸性物質(zhì)，當(dāng)爆炸性物質(zhì)與氧氣的混合濃度處于爆炸極限范圍內(nèi)時(shí)，若存在爆炸源將會(huì)發(fā)生爆炸，因此需要防爆結(jié)構(gòu)。煤礦機(jī)器人防爆結(jié)構(gòu)質(zhì)量大，導(dǎo)致機(jī)器人有效功率下降、性能受限，亟需研究防爆結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)。針對(duì)加工誤差與復(fù)雜礦區(qū)環(huán)境對(duì)防爆結(jié)構(gòu)輕量化效果的不可控影響，提出融入穩(wěn)健設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案。綜述了防爆技術(shù)及結(jié)構(gòu)輕量化研究現(xiàn)狀，將兼具輕量化與穩(wěn)健性的防爆結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)方法。

文章來源：《智能礦山》2025年第11期“礦山機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐特刊”

第一作者：榮藝杰，主要從事煤礦機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)工作。E-mail：[email protected]

作者單位：煤炭科學(xué)研究總院有限公司

引用格式：榮藝杰，王雷，徐瑤，等.煤礦機(jī)器人防爆結(jié)構(gòu)輕量化與穩(wěn)健化技術(shù)發(fā)展方向[J].智能礦山，2025，6(11)：82-85.

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煤礦井下作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性與管理環(huán)節(jié)的疏漏，粉塵積聚、瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)等安全隱患長期存在，存在引發(fā)爆炸事故的風(fēng)險(xiǎn)。災(zāi)害事故發(fā)生后，井下空間常積聚大量易燃易爆氣體（如瓦斯），且支護(hù)結(jié)構(gòu)受損導(dǎo)致環(huán)境極不穩(wěn)定。傳統(tǒng)救援設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的能量（如電火花、機(jī)械摩擦熱），極易引燃爆炸性氣體混合物，引發(fā)災(zāi)難性次生爆炸，嚴(yán)重威脅救援人員安全。因此，提升煤礦作業(yè)的安全性和效率是研究的重點(diǎn)。

防爆機(jī)器人可通過遠(yuǎn)程操控或自主作業(yè)替代人工深入危險(xiǎn)區(qū)域，降低救援風(fēng)險(xiǎn)。 隨著機(jī)器人技術(shù)和防爆技術(shù)的發(fā)展，兩者結(jié)合的煤礦防爆機(jī)器人在煤礦的應(yīng)用，輕量化需求也逐漸顯露。

防爆技術(shù)概述

1.1 防爆技術(shù)原理與標(biāo)準(zhǔn)

防爆技術(shù)通過工程控制阻斷電氣設(shè)備引燃危險(xiǎn)物質(zhì)。爆炸形成需同時(shí)滿足3個(gè)關(guān)鍵要素：可燃性物質(zhì)達(dá)到爆炸極限濃度、具備足夠強(qiáng)度的點(diǎn)火源、助燃介質(zhì)（通常為氧氣）的持續(xù)供給?；诖嗽?，安全防控的核心策略為對(duì)任一要素實(shí)施精準(zhǔn)干預(yù)，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)環(huán)境中的爆炸風(fēng)險(xiǎn)可控化。

為防止瓦斯、煤塵等可燃性物質(zhì)引發(fā)的爆炸事故，保障礦工生命安全和煤礦基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)定，減少因爆炸事故導(dǎo)致的生產(chǎn)中斷和設(shè)備損壞?；谏鲜霰ㄐ纬稍?，國家制定了系列防爆標(biāo)準(zhǔn)，防爆設(shè)備分類見表1。

表1 防爆設(shè)備分類

根據(jù)爆炸性環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)差異，設(shè)備防護(hù)級(jí)別劃分為3級(jí)，根據(jù)不同的工作環(huán)境，設(shè)備保護(hù)等級(jí)（EPL）分類見表2。

表2 設(shè)備保護(hù)等級(jí)分類

（1）極高防護(hù)級(jí)別適用于高危爆炸區(qū)域，核心特征為多重冗余設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)極端工況。除常規(guī)運(yùn)行外，在突發(fā)氣體泄漏時(shí)設(shè)備仍處于帶電狀態(tài)，或遭遇罕見復(fù)合型故障時(shí)，仍能確保不產(chǎn)生有效點(diǎn)火能量。

（2）高防護(hù)級(jí)別為設(shè)備具有足夠的安全性，當(dāng)設(shè)備處于正常作業(yè)狀態(tài)或突發(fā)氣體泄漏與系統(tǒng)斷電過渡階段時(shí)，電路能量釋放始終低于可燃物最小點(diǎn)火閾值。

（3）一般防護(hù)級(jí)別面向低風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)區(qū)，設(shè)備本體在標(biāo)準(zhǔn)工況下不產(chǎn)生引燃風(fēng)險(xiǎn)，通過結(jié)構(gòu)強(qiáng)化或連鎖保護(hù)裝置，保證設(shè)備不會(huì)形成有效點(diǎn)燃。

1.2 外殼耐壓試驗(yàn)與可靠性驗(yàn)證

為確保設(shè)備經(jīng)受超壓沖擊后，殼體接合面無塑性變形且防爆結(jié)構(gòu)完整性不受破壞，外殼耐壓試驗(yàn)作為核心驗(yàn)證，第1步為參考?jí)毫y(cè)定階段，通過在密閉外殼內(nèi)注入規(guī)定的特定比例可燃?xì)怏w混合物，參考?jí)毫σ姳?，采用多源點(diǎn)火裝置觸發(fā)爆燃，借助動(dòng)態(tài)壓力傳感器捕捉爆炸壓力峰值。

表3 參考?jí)毫εc試驗(yàn)次數(shù)

根據(jù)GB/T3836爆炸環(huán)境文件，試驗(yàn)中需系統(tǒng)調(diào)整氣體濃度、點(diǎn)火位置等變量，通過多次試驗(yàn)測(cè)試確定不同工況下的最大爆炸壓力參數(shù)，為后續(xù)強(qiáng)度驗(yàn)證提供數(shù)據(jù)支撐。

在獲得參考?jí)毫螅凑諛?biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)備施加1.5倍的參考?jí)毫Γ捎萌S應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)分析殼體形變特征，確保設(shè)備在極端工況下仍能維持幾何穩(wěn)定性與防爆性能。該試驗(yàn)體系通過壓力參數(shù)標(biāo)定與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)證的雙重機(jī)制，為不同防護(hù)等級(jí)設(shè)備建立了差異化的可靠性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

防爆輕量化在煤礦的技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 防爆輕量化的意義

煤礦井下場(chǎng)景中，防爆機(jī)器人多采用電池供電模式以突破線纜束縛，擴(kuò)展作業(yè)覆蓋范圍。金屬殼體材料導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)性矛盾尤為突出。數(shù)據(jù)顯示，防爆外殼質(zhì)量通常占據(jù)整機(jī)質(zhì)量60%以上，制約了設(shè)備負(fù)載能力與運(yùn)動(dòng)靈活性。為解決續(xù)航瓶頸，通過提升電池容量延長作業(yè)時(shí)長，但擴(kuò)大電池模組體積，增加防爆殼體包裹面積，防爆結(jié)構(gòu)質(zhì)量大幅增長，形成惡性循環(huán)。

使用新型復(fù)合材料制造防爆外殼，優(yōu)化設(shè)計(jì)防爆結(jié)構(gòu)尺寸，在滿足防爆性能前提下實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，打破傳統(tǒng)方案中質(zhì)量約束瓶頸。

2.2 防爆輕量化應(yīng)用案例

圍繞防爆技術(shù)輕量化的深入研究，在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、參數(shù)優(yōu)化等方面取得了許多成果。

（1）在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方面，輕量化高吸能防爆復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過結(jié)合內(nèi)凹型負(fù)泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)提高吸能性能；泄壓裝置防爆外殼減少防爆壁面厚度實(shí)現(xiàn)輕量化。

（2）在參數(shù)優(yōu)化方面，輕量化設(shè)計(jì)礦用隔爆鋰離子電源箱，通過薄板應(yīng)力理論計(jì)算，確定壁厚以及加強(qiáng)肋間距，結(jié)合有限元仿真驗(yàn)證，在確保殼體抗爆性能達(dá)標(biāo)的前提下，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量減輕與空間布局優(yōu)化的雙重目標(biāo)。輕量化設(shè)計(jì)井下防爆巡檢機(jī)器人，使用拓?fù)鋬?yōu)化分析計(jì)算，根據(jù)分析結(jié)果重構(gòu)零件，在滿足防爆要求的條件下，2個(gè)零件分別減重33.9%和39.2%。利用正壓型防爆結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量較小的特點(diǎn)，結(jié)合正壓型與隔爆型，機(jī)器人主箱體正壓型防爆研究，獨(dú)立于主箱體的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的隔爆型防爆處理，使用拓?fù)鋬?yōu)化輕量化設(shè)計(jì)主箱，實(shí)現(xiàn)了輕量化。

現(xiàn)有研究在輕量化設(shè)計(jì)上取得了一定成果，但實(shí)際應(yīng)用中仍面臨加工誤差、環(huán)境擾動(dòng)等挑戰(zhàn)。為進(jìn)一步提升輕量化設(shè)計(jì)的可靠性與適應(yīng)性，需結(jié)合參數(shù)優(yōu)化與穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法。

輕量化與穩(wěn)健化協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)

3.1 輕量化定義

煤礦方面防爆結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化可快速、低成本地實(shí)現(xiàn)防爆結(jié)構(gòu)輕量化，并且有較好的效果，穩(wěn)健設(shè)計(jì)可保證輕量化水平的波動(dòng)幅度小。輕量化現(xiàn)在沒有完全明確的規(guī)定。每個(gè)機(jī)器人的功能要求不同，質(zhì)量不同。輕量化不是指單純的機(jī)器人質(zhì)量降低，而是指質(zhì)量相對(duì)的輕量化。

相同設(shè)計(jì)的機(jī)器人，相同質(zhì)量下所能完成的工作、實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)越多，該機(jī)器人可定義為輕量化。目前輕量化沒有具體的評(píng)價(jià)指標(biāo)，可人為設(shè)定部分參數(shù)當(dāng)作指標(biāo)，包括使用功率密度、形變與質(zhì)量的比值等衡量輕量化的水平。

3.2 DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)防爆結(jié)構(gòu)輕量化

Isight作為多學(xué)科優(yōu)化領(lǐng)域的標(biāo)桿性工具平臺(tái)，核心價(jià)值在于構(gòu)建集成化工程優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)。該平臺(tái)將試驗(yàn)設(shè)計(jì)、近似建模、探索優(yōu)化和6Sigma質(zhì)量設(shè)計(jì)結(jié)合為整體，滿足計(jì)算機(jī)自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)CAE設(shè)計(jì)/仿真流程。

參數(shù)優(yōu)化工程設(shè)計(jì)流程如圖1所示，Isight建立分析模型，改動(dòng)輸入設(shè)計(jì)變量，利用軟件分析模型，獲得輸出設(shè)計(jì)的目標(biāo)變量，最終判定是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，Isight優(yōu)化框架搭建，增強(qiáng)了迭代過程的自動(dòng)化，并且支持靈活的集成方式，支持多級(jí)優(yōu)化和多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 參數(shù)優(yōu)化工程設(shè)計(jì)流程

DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)首先需要保證均勻采樣，通常使用的參數(shù)組合方法為參數(shù)試驗(yàn)、全因子設(shè)計(jì)、部分因子設(shè)計(jì)、正交數(shù)組、中心組合設(shè)計(jì)、Box-Behnken設(shè)計(jì)、拉丁超立方設(shè)計(jì)、最優(yōu)拉丁超立方設(shè)計(jì)，選擇合適的方法高效地減少試驗(yàn)次數(shù)，快速篩選出最優(yōu)的設(shè)備配置和工藝方案，縮短研發(fā)周期、節(jié)省時(shí)間和資源。DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)深入剖析多因素間的相互作用，幫助設(shè)計(jì)師全面了解防爆結(jié)構(gòu)中各參數(shù)的復(fù)雜聯(lián)系，為防爆結(jié)構(gòu)輕量化提供有力支持。

在防爆結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，首先建立防爆結(jié)構(gòu)模型、靜力學(xué)分析，確定防爆結(jié)構(gòu)的可改動(dòng)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及約束，然后進(jìn)行DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過DOE的多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)，確定參數(shù)最優(yōu)組合，使防爆性能達(dá)到最佳。

3.3 田口設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)輕量化效果的穩(wěn)健性

圖2 過程因子作用

田口穩(wěn)健設(shè)計(jì)（TRD）是日本學(xué)者田口玄一提出的工程優(yōu)化方法，通過參數(shù)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能的穩(wěn)健性。該理論突破傳統(tǒng)質(zhì)量控制僅關(guān)注規(guī)格符合度的局限，強(qiáng)調(diào)以特性值與目標(biāo)值的偏差程度作為質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過低成本元件與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)結(jié)合，在控制研發(fā)成本的同時(shí)提升產(chǎn)品品質(zhì)。

田口方法設(shè)計(jì)過程分為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)、容差設(shè)計(jì)。參數(shù)設(shè)計(jì)通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法確定控制因子的最優(yōu)組合，減弱系統(tǒng)對(duì)外部干擾因素的敏感性。過程因子作用如圖2所示，通過調(diào)節(jié)可控因子與噪聲因子的交互作用，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)健性。

在防爆結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)中，多目標(biāo)優(yōu)化確定不考慮產(chǎn)品性能的參數(shù)組合。引入田口穩(wěn)健設(shè)計(jì)是因?yàn)樯a(chǎn)中存在誤差，應(yīng)用中面對(duì)不同工況，外界變化對(duì)產(chǎn)品的實(shí)際質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。

在田口穩(wěn)健設(shè)計(jì)中，對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化后的參數(shù)附近取值，引入噪聲因子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)現(xiàn)防爆結(jié)構(gòu)的穩(wěn)健性，保證輕量化技術(shù)的實(shí)際生產(chǎn)與工作效果。煤礦機(jī)器人防爆結(jié)構(gòu)的輕量化已經(jīng)取得一定進(jìn)展，引入田口穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)魯棒性的研究與實(shí)踐仍相對(duì)匱乏。

結(jié) 語

防爆結(jié)構(gòu)在機(jī)器人質(zhì)量中占比最大，直接影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能、續(xù)航能力及作業(yè)效率。在推進(jìn)輕量化的同時(shí)，亟需提升設(shè)計(jì)穩(wěn)健性，應(yīng)對(duì)煤礦井下復(fù)雜多變工況帶來的不確定性。筆者提出融合DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與田口穩(wěn)健設(shè)計(jì)的方法體系，實(shí)現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化防爆結(jié)構(gòu)的輕量化與穩(wěn)健性。可以高效、低成本地實(shí)現(xiàn)防爆結(jié)構(gòu)輕量化，并降低產(chǎn)品性能在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的質(zhì)量波動(dòng)，提升煤礦機(jī)器人整體性能與可靠性。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄8種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

期刊簡介

《智能礦山》（月刊，CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139）是由中國煤炭科工集團(tuán)有限公司主管、煤炭科學(xué)研究總院有限公司主辦的聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

刊載欄目：企業(yè)/團(tuán)隊(duì)/人物專訪政策解讀視角·觀點(diǎn)智能示范礦井對(duì)話革新·改造學(xué)術(shù)園地、專題報(bào)道等。

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