煤礦救援機器人隔爆外殼結構強度分析

高 俊

（同煤集團機電裝備科大機械有限公司， 山西 大同 037000）

引言

由于煤礦井下存在危險的爆炸性氣體，若機器人不具有隔爆能力，很容易會因其自身電氣設備的爆炸而造成的二次災害。隔爆殼體的設計是整個煤礦救援機器人設計的重點，它既是機器人移動的底盤，又要為電池模塊、控制模塊、驅動模塊和傳感模塊等電氣設備提供一個足夠安全的安裝環境。隔爆殼體的主要作用是保證通過殼體的結合面和結構間隙滲透到殼體內部的可燃性混合氣體在殼體內部爆炸而不會引起外部爆炸性氣體環境的爆炸，同時也不會造成機器人自身的損壞。因此，煤礦救援機器人的隔爆殼體不僅應該具有足夠大的有效空間來安裝電氣設備，而且應具有足夠高的強度來保證自身和外部環境的安全[1-2]。

1 煤礦救援機器人隔爆殼體設計

1.1 隔爆外殼外形設計

在相同容積下，由于外殼形狀的不同，爆炸壓力也會有較顯著的差別。由于矩形外殼火焰前鋒到達壁面的時間早于爆炸性混合物完全燃燒的時間，因而有一部分爆炸生成物的熱量被壁吸收，同時通過壁向周圍傳導，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，矩形殼體產生的爆炸壓力小。因此，殼體外形設計為矩形，主體結構采用大開蓋結構。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構。底面設計為平板。兩側設計有“凸”字形側翼，見圖1、圖2。

1.2 隔爆外殼材料的選擇

圖1 煤礦探測機器人結構圖

圖2 隔爆外殼整體結構圖

國家對于煤礦井下設備的殼體材料有明確的限制，同時探測機器人又具有高精密度和高機動性能，所以低密度、高強度的輕合金才是探測機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鑄鋁合金各項參數如下：彈性模量為68 GPa；泊松比μ為0.35；材料密度為 2.95 t/m3；許用應力[σt]為 48.75 MPa。

1.3 爆炸壓力的設計

大量的實驗表明，當爆炸性氣體爆炸時，產生的壓力一般在0.703～1.01 MPa，并伴隨著較高溫度，因此設計壓力為1.02 MPa。

2 煤礦救援機器人隔爆外殼強度計算思路

2.1 隔爆殼體底板厚度設計

在進行設計計算時，應當對隔爆外殼最容易發生彈性形變的位置進行受力分析，由材料力學知識可知殼體底面為最薄弱區域，故選擇殼體底面作為研究對象。在進行應力計算時，固定形式條件屬于殼體兩側完全固定。

根據彈性力學理論可得底板所受的最大應力為：

式中：P為爆炸壓力，MPa；C為應力系數；y為短邊長度；h為底板厚度。

底板所受的最大應力應該不大于材料的許用應力，即：

殼體底板厚度設計方法與蓋腔的厚度設計方法一樣，這里不再贅述。

2.2 蓋腔法蘭和殼體法蘭厚度計算思路

法蘭可看作是兩相對邊簡支（長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，其最大橈度在中點處，根據《機械工程師手冊》中的近似計算公式：

最大撓度

式中：α為撓度系數；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為隔爆結合面的允許間隙；B為為平面度公差；S為安全系數。

2.3 蓋腔法蘭和殼體法蘭之間連接螺栓的數量和類型

在計算螺栓間距時，根據法蘭的大小可以確定螺栓的數量。這里取螺栓個數為8。

爆炸發生時，螺栓所受的力為拉力F，方向正對爆炸壓力方向，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。

單個螺栓所受的力F1為拉力F除以螺栓數量和安全系數，即：式中：K為安全系數，取1.5；n為螺栓數量。通過查閱標準手冊最終選擇M12的緊固螺栓。

3 隔爆殼體的有限元分析結果

設計完成后，利用UG軟件和ABAQUS軟件對隔爆殼體分別進行建模和有限元分析，觀察其中的應力分布和變形情況，驗證煤礦救援機器人設計的合理性，并對隔爆殼體進行了初步的優化設計。

3.1 分析前處理

根據防爆標準GB 3836.1—2000對殼體進行靜壓試驗，殼體的分析類型為靜態分析。對防爆殼體和法蘭的耐壓試驗分別進行，固定殼體兩側出口和箱體法蘭四周，然后給其內部1.02 MPa垂直于部各面和法蘭面壓強，對各面和法蘭面施加壓力。應用ZL401鑄鋁合金材質到各面和法蘭，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。然后再對殼體和底面采用軟件中良好的網格設定參數進行網格劃分，單元大小為7.124 28 mm，單元公差為 0.356 214 mm[4-5]。

有限元分析前的準備工作完成后進行運行分析。

3.2 結構優化結論

分析結果表明：殼體和箱體的應力較不均勻，殼體凸出處和箱體四條邊線處的應力值偏大，其他區域的應力值較小，應力有一定的強度儲備，需要對其進行局部改進和優化。首先對薄弱部位進行加強，即對殼體凸出處和箱體四條邊線處進行加強設計，具體方法為將直角邊拐角改成圓形拐角，并增設加強筋。然后對應力值較小、應力強度儲備較大的部位進行減重優化設計，即在保證應力的前提下減少板厚。

4 結語

煤礦救援機器人已成為近幾年煤礦機械研究的新方向和熱點問題。煤礦救援機器人進入井下工作必須進行隔爆設計，可通過殼體建模、強度計算、壓力分析以及結構優化實現對隔爆殼體的優化設計。