煤礦井下機(jī)器人防爆電機(jī)和動(dòng)力電源的設(shè)計(jì)

劉寧

摘 ?要：煤礦井下環(huán)境復(fù)雜多變，利用遙控式機(jī)器人探測(cè)井下環(huán)境是開展煤礦安全生產(chǎn)的保證。井下探測(cè)機(jī)器人采用直流無(wú)刷電機(jī)為動(dòng)力元件，電機(jī)安放于隔爆殼體內(nèi)部，電機(jī)與隔爆殼體構(gòu)成疊套結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電機(jī)散熱困難，需使用減速機(jī)構(gòu)放大電機(jī)扭矩，但降低機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)功率。低速外轉(zhuǎn)子直流無(wú)刷電機(jī)具有安裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)。研究煤礦井下探測(cè)機(jī)器人動(dòng)力模塊，設(shè)計(jì)低速外轉(zhuǎn)子式防爆輪轂電機(jī)。提出螺紋接合面固定防爆輪轂電機(jī)安裝結(jié)構(gòu)，試制電機(jī)定子繞組，構(gòu)建防爆輪轂電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：煤礦井下機(jī)器人;防爆電機(jī);動(dòng)力電源

1.輪轂電機(jī)方案設(shè)計(jì)

國(guó)家防爆標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，煤礦井下環(huán)境使用電氣設(shè)備必須完成防爆設(shè)計(jì)。研究選用煤礦井下探測(cè)機(jī)器人動(dòng)力元件為低速外轉(zhuǎn)子式無(wú)刷輪轂電機(jī)，分析煤礦井下環(huán)境機(jī)器人防爆水平，設(shè)計(jì)輪轂電機(jī)防爆結(jié)構(gòu)，對(duì)輪轂電機(jī)安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【1】。危險(xiǎn)環(huán)境分為爆炸性其他與可燃性粉塵環(huán)境，煤礦井下環(huán)境為爆炸性氣體環(huán)境。煤礦井下不能消除危險(xiǎn)氣體，主要考慮消除點(diǎn)燃源采取措施。防爆類型包括介質(zhì)隔離式、能量控制式等。

探測(cè)機(jī)器人需攜帶傳感器探測(cè)設(shè)備，主腔體采用隔爆形式。探測(cè)機(jī)器人攜帶小型傳感器具有功耗低等特點(diǎn)，煤礦井下探測(cè)機(jī)器人應(yīng)采用隔爆兼本安防爆形式，煤礦井下探測(cè)機(jī)器人為復(fù)合型防爆電氣設(shè)備，對(duì)輪轂電機(jī)防爆設(shè)計(jì)水平不低于煤礦井下探測(cè)機(jī)器人。防爆電機(jī)分為隔爆型與正壓型等【2】。防爆輪轂電機(jī)電氣單元需達(dá)到機(jī)器人整體防爆水平，煤礦井下探測(cè)機(jī)器人需工作于煤礦井下，機(jī)器人整機(jī)工作區(qū)域不低于1區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)器人外殼表面散熱特性好，輪轂電機(jī)防爆處理后不低于1區(qū)，適合防爆形式有ia級(jí)本質(zhì)安全型，本安型是通過(guò)控制設(shè)備能量水平，使其低于點(diǎn)燃爆炸性氣體臨界條件，不通過(guò)其他方式屏蔽防爆處理形式。點(diǎn)燃源通常為電火花。

輪轂電機(jī)隔爆型防爆處理，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求防爆電氣設(shè)備運(yùn)行中不產(chǎn)生火花，，電氣設(shè)備額定功率不大于250W?，F(xiàn)有煤礦井下探測(cè)機(jī)器人電氣系統(tǒng)動(dòng)力電機(jī)功率大于250W。設(shè)計(jì)煤礦井下探測(cè)機(jī)器人用防爆輪轂電機(jī)方案，利用外轉(zhuǎn)子式直流無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)，電機(jī)外殼轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作，電氣線路通過(guò)軸內(nèi)空心結(jié)構(gòu)與線圈繞組相連。防爆輪轂點(diǎn)擊數(shù)設(shè)圓柱外殼，兩側(cè)設(shè)防爆蓋板【3】。軸承安裝在中心軸，圓柱外殼固定設(shè)永磁鐵，中心軸兩端有防爆螺紋，空心軸側(cè)防爆螺紋連接到井下探測(cè)機(jī)器人隔爆殼體，平叉面外側(cè)安裝緊固用螺母。

2.輪轂電機(jī)電氣部件設(shè)計(jì)

輪轂電機(jī)電氣部件包括輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，外轉(zhuǎn)子式電機(jī)轉(zhuǎn)子為電機(jī)殼體，輪轂電機(jī)控制系統(tǒng)為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，軟件部分包括電機(jī)控制程序。結(jié)合礦用機(jī)器人設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，電機(jī)性能參數(shù)包括額定電壓等，定子繞組加工后檢測(cè)其性能。煤礦井下探測(cè)機(jī)器人為遙操作設(shè)備，基于數(shù)字式電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)防爆輪轂電機(jī)，為輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)合理運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。外轉(zhuǎn)子式直流無(wú)刷電機(jī)利用定子繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)。機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)減速帶動(dòng)履帶行走單元，可估算電機(jī)爬坡最大轉(zhuǎn)矩【4】。

設(shè)計(jì)煤礦井下探測(cè)機(jī)器人整機(jī)質(zhì)量不超過(guò)160kg，驅(qū)動(dòng)輪最大外徑為300mm，機(jī)器人所需驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)120N.m，輪轂電機(jī)所需提供最大持續(xù)扭矩不低于30N.m，目前永磁轉(zhuǎn)子采用燒結(jié)型永磁體，電機(jī)內(nèi)氣隙圓周磁通量決定定子繞組外徑。輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速要求不高，選用46片永磁體配合結(jié)構(gòu)，可減小輪轂電機(jī)運(yùn)行中齒槽轉(zhuǎn)矩，便于對(duì)輪轂電機(jī)定子繞組試制。電機(jī)旋轉(zhuǎn)由于定子繞組產(chǎn)生交變磁場(chǎng)作用，驅(qū)動(dòng)電路使用IGBT可解決電機(jī)定子繞組產(chǎn)生電磁場(chǎng)問(wèn)題。旋轉(zhuǎn)IGBT驅(qū)動(dòng)芯片影響直流無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器性能，大功率容量環(huán)境宜選用集成控制驅(qū)動(dòng)電路模塊【5】。依據(jù)輪轂電機(jī)額定電壓對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)模塊選型，選擇SCM6716MF有霍爾型直流無(wú)刷電機(jī)芯片，具有較大驅(qū)動(dòng)功率。

3.輪轂電機(jī)防爆部件設(shè)計(jì)

輪轂電機(jī)殼體應(yīng)具有抗爆炸能力，防爆輪轂電機(jī)內(nèi)可燃性混合物爆炸后隔爆殼體不損壞。對(duì)防爆輪轂電機(jī)防爆設(shè)計(jì)隔爆殼體有限元應(yīng)力分析。防爆部件設(shè)計(jì)要結(jié)合隔爆參數(shù)進(jìn)行，端蓋接合面是防爆輪轂電機(jī)防爆蓋板通過(guò)螺栓固定貼合成，旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸隔爆接合面設(shè)計(jì)要采用不磨損旋轉(zhuǎn)電機(jī)結(jié)構(gòu)。曲路式接合面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)電機(jī)使用環(huán)境要求高。旋轉(zhuǎn)圓筒形接合面為防爆輪轂電機(jī)出軸接合面。

分析防爆殼體受應(yīng)力情況，對(duì)隔爆殼體零部件設(shè)計(jì)。隔爆殼體內(nèi)部爆炸承受巨大突變應(yīng)力，爆炸氣體向四周擴(kuò)展燃燒，隔爆殼體成熟爆炸壓力值發(fā)生改變。圓筒形方包輪轂電機(jī)隔爆殼體比球形課題具有較低爆炸壓力。防爆輪轂電機(jī)隔爆殼體由防爆蓋板，電機(jī)中心軸等組成。設(shè)計(jì)防爆輪轂電機(jī)殼體強(qiáng)度，對(duì)防爆輪轂隔爆殼體抽象建模，以力學(xué)原理對(duì)數(shù)學(xué)模型公式推導(dǎo)。將防爆輪轂殼體抽象為簡(jiǎn)單中空?qǐng)A柱體，圓通壁厚平均直徑比小于0.1為薄壁圓通，設(shè)計(jì)防爆輪轂電機(jī)壁厚小于20mm為保密圓通，薄壁容器僅受拉伸變形。設(shè)計(jì)考慮引入安全余量，隔爆殼體圓柱殼體設(shè)計(jì)厚度選取3mm。

4.動(dòng)力電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

防爆輪轂電機(jī)工作電流較大，需單獨(dú)設(shè)計(jì)動(dòng)力電源，防爆輪轂電機(jī)動(dòng)力電源需滿足礦用產(chǎn)品相關(guān)表護(hù)岸。對(duì)電力電源電池類型選擇，為動(dòng)力電源你設(shè)計(jì)合適的管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)符合防爆輪轂電機(jī)功能需要的電池管理策略，確定動(dòng)力電池組后繪制動(dòng)力電源明細(xì)表。動(dòng)力電源組建后測(cè)試動(dòng)力電源，檢測(cè)內(nèi)容包括短路試驗(yàn)等。我國(guó)對(duì)礦井電池使用管理嚴(yán)格，允許井下使用電池有鉛酸電池，鋰電池具有更高穩(wěn)定性，礦用電源應(yīng)包含電池管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源電池電壓測(cè)量。

動(dòng)力電池選擇要素包括電池容量等，磷酸鐵鋰電池具有優(yōu)良抗爆特性，成為井下動(dòng)力首選電池。電池組只允許串聯(lián)，電池組負(fù)荷電流約16A，探測(cè)機(jī)器人最低工作環(huán)境溫度為0℃，0.5m/s下上位機(jī)可獲得清晰視覺(jué)圖像，探測(cè)機(jī)器人行使時(shí)間超過(guò)2h，計(jì)算所需電池容量QD為64An。磷酸鐵鋰電池具有較好工作特性，電池容量有效利用范圍較大。選用動(dòng)力電池容量為60An，礦井下探測(cè)機(jī)器人使用防爆輪轂電機(jī)采用對(duì)稱安裝形式。動(dòng)力電池選型應(yīng)關(guān)注1C放電曲線。收集部分適合動(dòng)力電池參數(shù)信息研究適合動(dòng)力電池，IFPE60動(dòng)力電池具有較小尺寸，選用動(dòng)力電池組容量為60An。

動(dòng)力電源檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)具有公正性，防爆輪轂電機(jī)動(dòng)力電源檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)力電源檢驗(yàn)項(xiàng)目包括過(guò)流試驗(yàn)等。設(shè)計(jì)防爆輪轂電機(jī)動(dòng)力電源為中低壓電源，充放電試驗(yàn)儀電路動(dòng)作由主控計(jì)算機(jī)控制，從充放電試驗(yàn)儀數(shù)據(jù)檢測(cè)端引出溫度檢測(cè)連接到動(dòng)力電源，上半部分為狀態(tài)檢測(cè)欄，下半部分用于充放電試驗(yàn)儀進(jìn)行監(jiān)控程序設(shè)計(jì)。動(dòng)力電源短路保護(hù)時(shí)間為31.24ms，電池檢測(cè)中心判定符合礦用動(dòng)力電源試行標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)短路保護(hù)為一次有效保護(hù)，需將防爆輪轂電機(jī)運(yùn)回地面拆蓋修復(fù)自毀后動(dòng)力電源。

結(jié)語(yǔ)

本文研究礦井下探測(cè)機(jī)器人輪轂電機(jī)技術(shù)，分析方包輪轂電機(jī)運(yùn)用優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)輪轂電機(jī)性能參數(shù)，獲得輪轂電機(jī)性能曲線，試制輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)器;計(jì)算隔爆殼體受壓參數(shù)，建立防爆殼體CAD模型，生成CAE模型，分析模型在1.5MPa壓力下的應(yīng)力云圖。完成樣機(jī)隔爆殼體耐壓試驗(yàn)，對(duì)動(dòng)力電源進(jìn)行檢驗(yàn)。研究對(duì)低速外轉(zhuǎn)子式輪轂電機(jī)進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)獨(dú)特安裝結(jié)構(gòu)，判斷電機(jī)在礦井下探測(cè)機(jī)器人適用隔爆型，實(shí)現(xiàn)防爆電機(jī)電器線纜不對(duì)危險(xiǎn)環(huán)境引出。本文設(shè)計(jì)輪轂防爆電機(jī)取得初步成果，但電機(jī)未經(jīng)長(zhǎng)期實(shí)踐檢驗(yàn)，涉及部分問(wèn)題有待深入研究。

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