煤礦機器人防爆外殼纖維復合增強材料研究與應用

王海燕，張 梅，代衛衛，郭偉柱，郭向東

(1.中煤華晉集團韓咀煤業有限公司，山西省臨汾市，042100；2.安徽玄離智能科技股份有限公司，安徽省合肥市，230092)

0 引言

相對來說，井工煤礦井下人員集中且人數較多，研發應用于井下的煤礦機器人有利于減少井下作業人數，降低安全風險及傷亡概率，提高生產效率，減輕礦工勞動強度，對推動煤礦智能化建設、實現煤炭工業高質量發展、保障國家能源安全供應具有重要意義。2019年1月9日，國家煤礦安全監察局研究制定并發布了《煤礦機器人重點研發目錄》(以下簡稱“《目錄》”)，聚焦關鍵崗位、危險崗位，重點研發應用掘進、采煤、運輸、安全監控和救援5類38種煤礦機器人，同時對每種機器人的功能提出了具體要求[1]。發布《目錄》的目的是引導煤炭企業、科研機構、機器人制造企業和全社會參與研發應用，把握煤礦安全需求重點，鼓勵創新創業，力爭盡快在煤礦機器人技術上有新的突破，使煤礦實現“少人則安、無人則安”。

根據《關于礦用產品使用的鋰離子蓄電池安全標志管理意見》[2]，礦用隔爆型設備用鋰離子蓄電池電池組額定能量大于200 Wh時，應滿足《礦用隔爆(兼本安)型鋰離子蓄電池電源安全技術要求》[3]。安徽玄離智能科技股份有限公司(以下簡稱“安徽玄離”)所開發的煤礦機器人產品電池總能量為1 056 Wh，采用串聯方式連接，電池組額定能量滿足不超過3 200 Wh要求。采用金屬防爆外殼的重量約1 500 kg，整機重量約2 000 kg，需要配置的電池總能量為8 448 Wh，不符合電池組額定能量不超過3 200 Wh要求，無法下井使用。基于此，從煤礦機器人外殼輕量化著手，減輕外殼重量設計和整機重量設計十分必要。安徽玄離從2019年開始歷時4年研發、設計、制作的防爆外殼通過了防爆國家標準(GB/T 3836)的全部檢測，各項指標全部合格。

1 纖維增強復合材料防爆外殼的研制

以安徽玄離生產的井下巡檢機器人為例，滿足7 h同等續航條件下，安徽玄離采用的纖維增強復合材料防爆外殼重量為120 kg，整機重量為220 kg，如果采用金屬防爆外殼的重量約為1 500 kg，整機重量為2 000 kg。采用纖維增強復合材料的設備比使用金屬材料的設備外殼重量輕80%左右，整機輕90%左右，由此帶來設備制造成本和使用成本的大幅降低。

防爆國家標準(GB 3836.2-2010)要求，采掘工作面使用的電氣設備外殼采用鋼板或鑄鐵制成，外殼容積不大于2 000 cm3時可采用非金屬材料制成[4]。這一部分外殼容積的大小限制了機器人產品外殼的多樣性選擇。另外，防爆國家標準(GB/T 3836.1)中對于非金屬材料，只介紹了塑料材質和彈性材料的基本要求，對于纖維及其復合增強材料可否用于井下沒有相應規定。

復合材料是由2種或2種以上不同屬性的材料通過專門的成型工藝組合而成的機械工程材料，其中每種組成材料可以根據性能要求進行調配，從而使復合材料滿足不同性能要求，且綜合性能要優于原組成材料。

通常復合材料的組成包括基體和增強材料2個部分，基體是復合材料中的連續相，其作用是將增強體固結在一起并在增強體之間傳遞載荷；增強材料是復合材料中的承載主體，主要有碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、硼纖維、芳綸纖維等有機纖維和碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲及硬質細粒等纖維體。

安徽玄離XL-JX工藝流程和制作方法完全采用自動化、無人化、智能化、標準化生產，不受傳統纖維增強材料手工制作人為因素的影響。安徽玄離井下巡檢機器人的纖維增強復合材料防爆外殼經過了防爆性能、靜壓試驗、抗沖擊試驗，外殼耐壓和內部點燃不傳爆試驗，20 000 h的老化試驗，密封膠圈的耐熱耐寒試驗，引入裝置的抗沖擊、夾緊、密封、機械試驗，以及碳纖維(玄武巖)復合材料外殼的耐熱、耐寒、光老化試驗，I類電氣設備耐化學試劑試驗、非金屬材料外殼部件的表面電阻測定、耐燃燒試驗，火焰燒蝕試驗等各項嚴格的檢測，全部符合相關標準[5]。

2 防爆外殼安全性控制研究

2.1 防爆外殼分腔結構設計

防爆外殼作為巡檢機器人行走機構和電器件的載體，主要承載設備自身重量以及電氣爆炸對殼體內壁造成的壓力，殼體受力變形對巡檢機器人行走及電器件運行的影響不大，而內部電器件起爆會造成殼體破損開裂造成傳爆，影響井下安全。

巡檢機器人殼體總體設計思路是各功能模塊單獨設置腔室，各腔室通過金屬件連接，各腔室之間的線路通過防爆接線頭連接，把各腔室完全隔離，避免各腔室之間出現相互傳爆現象，分腔設計可以實現單腔問題單腔檢修，減少模塊出現故障后整體拆卸維修，降低后期維護難度和成本。防爆外殼分腔結構設計如圖1所示。

圖1 防爆外殼分腔結構設計

2.2 防爆外殼強度設計

防爆外殼強度設計思路主要來源于蔡-胡強度理論，復合材料由多層纖維組成，在一定載荷條件下不會同時發生破壞情況，殼體某個最薄弱地方的最外層首先發生破壞后，本體仍能繼續承載，隨著進一步增加載荷，破壞逐層延伸，直至最終破壞。依據此破壞機理，防爆外殼的設計思路為：通過改變殼體局部截面尺寸調整殼體的剛度分布，具體措施是各面交匯處以及法蘭位置相對各面明顯加厚，讓殼體最薄弱的位置出現在平面區域，這樣超載損傷區域的位置便可預期。然后重點校核薄弱點的強度，以達到整體力學性能均滿足使用要求的目標，大大減小試驗的工作量。

當出現電氣爆炸時，內部壓力增加，殼體各平面受力后彎曲變形，平面區域的最大變形處表層的纖維拉應力最大，若超出外層纖維層的抗拉強度則會出現外層纖維斷裂情況，隨著載荷的進一步提高，斷裂層逐步向內延伸，直至完全斷裂。為了驗證樣條與理論的符合程度，制作一批樣條進行了測試，損傷效果如圖2所示。

圖2 測試樣條損傷效果

通過多次試驗證明，樣條損傷機理符合防爆外殼強度設計理論，確定了設計思路的正確性。

2.3 簡化模型、接觸屬性、載荷與邊界條件

為了提高計算速率，去除一些不影響計算結果的孔、倒角以及部分微小特征，簡化模型如圖3所示。

圖3 簡化模型

各金屬件與殼體的連接方式均為面-面接觸接觸定義。接觸屬性示意如圖4所示。為保證計算的結果準確，約束剛性最好、變形最小的金屬連接件的各個方向自由度，載荷與邊界條件示意如圖5所示。金屬連接件邊界條件電池殼、接線箱和BMS殼體內部承受1.5 MPa的均勻靜壓，載荷加載如圖6所示。底殼內部承受1 MPa的均勻靜壓，載荷加載如圖7所示。

圖4 接觸屬性示意

圖5 載荷與邊界條件示意

圖6 電池殼、接線箱和BMS殼體載荷加載示意

圖7 底殼載荷加載示意

3 原材料安全性控制及其性能研究

防爆外殼的纖維材料主要采用性能穩定的國產碳纖維紗編織布、國產高強玻纖和雙組份低粘度真空灌注環氧阻燃樹脂。

3.1 碳纖維復合材料

碳纖維是由有機纖維如粘膠纖維、聚丙烯晴纖維或瀝青基纖維在熱處理條件下碳化而成的含碳量90%～100%的纖維。碳纖維復合材料主要包括碳纖維增強樹脂基復合材料、C/C復合材料、碳纖維增強金屬基復合材料(CFRM)、碳纖維增強陶瓷復合材料、碳纖維增強橡膠復合材料等。碳纖維復合材料(CFRP)作為一種先進的復合材料，具有重量輕、模量高、比強度大、熱膨脹系數低、耐高溫、耐熱沖擊、耐腐蝕、吸振性好等一系列優點，在航空航天、汽車等領域已有廣泛應用。

(1)力學性能。碳纖維復合材料拉伸強度高、模量大、密度小，具有較高的比強度和較高的比模量。

(2)熱性能。碳纖維復合材料的耐高低溫性能較好，在隔絕空氣(惰性氣體保護下)且溫度在2 000 ℃時，碳纖維復合材料仍有強度，液氮下也不脆斷。碳纖維復合材料的導熱性能較好，導熱系數較高，但隨溫度升高有減小趨勢。碳纖維復合材料沿纖維軸向導熱系數為0.04 cal/(cm·s·℃)；垂直纖維方向的導熱系數為0.002 cal/(cm·s·℃)。碳纖維復合材料的線膨脹系數沿纖維軸向具有負的溫度效應，即隨著溫度的升高，碳纖維復合材料有收縮的趨勢，尺寸穩定性好，耐疲勞性好。

(3)耐腐蝕性。碳纖維復合材料除了能被強氧化劑如濃硝酸、次氯酸及重鉻酸鹽氧化外，一般的酸堿對它的作用較小，比硅基纖維復合材料具有更好的耐腐蝕性。碳纖維復合材料不會像硅基纖維復合材料在濕空氣中會發生水解反應，具有較好的耐水性及耐濕熱老化特性，此外還具有耐油、抗輻射等特性。

(4)設計性。碳纖維復合材料可設計性強，具有高比強度和高比剛度，性能可以在一個很寬的范圍內變化，可以通過使用不同的纖維材料、纖維含量和鋪層方向及樹脂基體設計出各種強度指標、彈性模量以及阻燃性能要求的產品，同時碳纖維增強復合材料的成型工藝適合不同結構和形狀的產品，在保證復雜部件成型的同時，性能保持不變，形狀可靈活設計。

3.2 殼體材料選型及性能檢測

防爆外殼主要材料采用碳纖維和國產環氧樹脂，由于純碳纖維復合材料層合板受力達到應力極限時會沿厚度方向傳遞裂紋且會迅速失效，因此考慮加入高強玻璃纖維，玻璃纖維的斷裂伸長率高、韌性好，可對表層裂紋進行有效隔離，確保表層纖維受損后有剩余強度，避免殼體的瞬間失效。

3.2.1 碳纖維防爆外殼性能檢測

本項目使用的碳纖維材料為國產的T300級碳砂，對碳纖維防爆外殼進行拉伸強力測試，測試結果見表1和表2。

表1 碳纖維防爆外殼經向拉伸強力測試結果

表2 碳纖維織物緯向拉伸強力測試結果

防爆外殼承受壓力時殼體的各個面以彎曲變形為主，因此主要測試纖維層合板樣條的彎曲強度，并進行指標分析，并對設計好的纖維鋪層制作樣條進行測試。測試結果表明，碳纖維復合材料樣條的彎曲強度在500 MPa以上，碳素結構鋼Q235-A的彎曲強度為215 MPa，優質碳素結構鋼45號鋼的彎曲強度在450 MPa左右，由此可見碳纖維復合材料的強度優勢比較明顯。

3.2.2 高強玻璃纖維性能檢測

高強玻璃纖維強度與無堿E玻璃纖維相比，拉伸強度提高了30%～40%，彈性模量提高了16%～20%，耐溫提高了100～150 ℃，其增強材料制品的耐疲勞特性提高了近10倍，而且高強度玻璃纖維的斷裂伸長量較大，抗沖擊性能較好，并具有耐老化、耐腐蝕性能和樹脂浸透性能好等特點。

3.2.3 樹脂性能檢測

復合材料常用的熱固性樹脂有不飽和聚酯、乙烯基酯、環氧、酚醛、聚酰亞胺樹脂等，各類樹脂的性能優缺點見表3。

表3 各類樹脂的性能優缺點

其中，環氧樹脂是分子結構中含有2個以上環氧基團的有機高分子聚合物的統稱，是一種熱固性材料，可與多種類型固化劑交聯反應形成具有三向網狀結構、不溶、不熔的高聚物，具有優良的物理機械性能、電絕緣性能、耐藥品性能和粘結性能。可以作為涂料、澆鑄料、模壓料、膠粘劑、層壓材料直接或間接使用。影響環氧樹脂基體產品使用的溫度指標為熱變形溫度HDT，該指標決定了樹脂基體產品的長期允許工作溫度，即長期處于熱變形溫度下，樹脂的強度會降低、模量降低、抗蠕變特性變差，從而影響產品使用壽命。短時小幅度超出熱變形溫度，待降至常溫后樹脂性能指標可恢復。

綜合考慮樹脂的力學性能、工藝性以及使用環境溫度適應性，防爆外殼采用環氧樹脂作為基體材料。防爆外殼所采用的樹脂是國產低粘度真空灌注阻燃環氧樹脂，一是可操作時間長，可專門用于大型碳纖維復合材料的真空灌注；二是混合后的粘度低，可對織物(特別是碳纖)進行充分潤濕；三是固化后的樹脂具有良好的力學性能、耐化學藥品性能和電絕緣性能。

3.2.4 樣條彎曲試驗

對碳纖維復合材料、高強玻璃纖維、環氧樹脂原材料制作的樣條進行彎曲試驗。經檢測，彎曲強度熱重點斜法溫度指數為143，根據計算所得熱壽命方程對該材料進行推算，在使用溫度為110 ℃時，其使用壽命可達50 a。

4 應用情況

2022年12月，應用纖維增強復合材料的安徽玄離巡檢機器人在中煤華晉集團韓咀煤業有限公司井下進行了為期3個月的工業性試驗，并最終投入使用。通過試驗及應用表明，該巡檢機器人可在盲巷、大巷、回風巷、運輸巷、輔運巷、盤區變電所、硐室變電所、中央變電所、井下水泵房、地面瓦斯泵房、避難硐室、無極繩絞車硐室、井下充電硐室等場所以及各種硐室開展巡檢作業，可替代巡檢工、測氣員、瓦檢員、安全員等崗位人員進行無人化值守，實現井下“少人為安、無人則安”。

(1)安徽玄離巡檢機器人可發現裂紋縫隙，并能夠實現2 m范圍內儀器儀表的識別和判斷。巡檢機器人的云臺搭載可視360°高清攝像頭，在行駛過程中遇見車輛和行人不僅可聲光報警，還能實現人員動態監測、人員抓拍等功能，及時發現人員不帶安全帽等不規范行為，提前發現安全隱患。

(2)安徽玄離巡檢機器人可在盲巷等無通訊的地方開啟不同場景下的無人駕駛狀態并采集數據，地面可實時遠程操控，反饋現場環境，同時可以定點對盲巷進行探測。

(3)安徽玄離巡檢機器人不僅能夠實現井下氧氣、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硫化氫、甲烷等氣體檢測，而且能夠實現溫度、濕度、壓強、風速、粉塵等多項環境參數感知功能，可以精準檢測各種環境參數，同時還可以根據歷史數據預測數據的未來走向。

5 結語

通過防爆外殼結構設計安全性驗證，纖維增強復合材料纖維從外層向內逐層斷裂，符合蔡-胡損傷理論，防爆外殼的原材料性能滿足了煤礦安全性相關要求，井下巡檢機器人采用該材料制作而成的防爆外殼不僅可以大幅減輕重量，還可以降低制造成本以及能源消耗成本，同時在運輸和使用過程中更加便捷，為實現井下機器替代人、減少人員傷亡的目標提供了條件。