掘進裝備攝像儀鏡面清掃裝置

董孟陽

(1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司， 山西 太原 030006；2.山西天地煤機裝備有限公司， 山西 太原 030006；3.煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室， 山西 太原 030006)

0 引言

煤礦掘進工作面無人化開采的實現需要掘進裝備具有觀察工作面環(huán)境的功能[1]，使用攝像儀代替人員進行環(huán)境觀察是基本條件之一[2-3]。掘進工作面具有粉塵大、濕度高的特點，掘進裝備工作時煤泥容易將攝像儀鏡面遮蓋[4-5]，如果由人工擦拭清潔勢必會影響工作面無人化發(fā)展，因此掘進裝備攝像儀鏡面自動清潔成為亟待解決的問題。

蘭熙等[6]、高超[7]設計了攝像頭自動清洗裝置，但清潔液配合雨刷的方式容易造成二次污染，且裝置復雜，維護困難；胡而已等[8]提出了一種揭膜式鏡頭除塵方法，根據圖像質量判斷粉塵過多后由三叉戟鉤爪將防塵膜揭開，但揭膜次數的限制導致部分工況下無法滿足鏡頭自動清潔的需要。丁振華等[9]設計了一種礦下風水組合沖洗攝像頭的除塵裝置，但在掘進工作面高粉塵環(huán)境中，水的存在更容易使攝像儀鏡面粘附煤泥。劉光輝等[10]在步進電動機轉子內設置清潔頭，通過對步進電動機的控制實現對攝像頭表面污漬的清潔，但步進電動機體積大，不便于安裝。張福明等[11]設計了一種防爆監(jiān)控攝像機視窗自動清潔裝置，通過采集的能見度數值判斷視窗清潔程度，實現快速自動除塵，但掘進工作面粉塵大，根據能見度控制自主清潔易發(fā)生誤判。針對上述問題，本文采用噴嘴吹掃與除塵刷清掃相結合的方式，研制了一種掘進裝備攝像儀鏡面清掃裝置，通過試驗研究了除塵刷不同工作參數對清掃效果的影響。

1 裝置原理

掘進裝備攝像儀鏡面清掃裝置如圖1所示，其工作原理：噴嘴進行吹掃將粘附在攝像儀鏡面上的煤泥吹干，轉臺帶動氣動馬達旋轉到攝像儀鏡面中心(即攝像儀鏡頭所在位置)處，氣動馬達帶動除塵刷進行旋轉清掃過程中，除塵刷與攝像儀鏡面之間的刷毛被擠壓，刷毛與鏡面之間產生摩擦力，粘附在攝像儀鏡面上的煤泥受力脫離。

圖1 掘進裝備攝像儀鏡面清掃裝置Fig.1 Tunneling equipment camera mirror cleaning device

轉臺最大轉矩為0.7 N·m，氣動馬達轉速為900 r/min。轉臺、氣動馬達和噴嘴均由空氣壓縮機提供壓縮空氣(壓力范圍為0.6～0.8 MPa)，空氣壓縮機流量為140 L/min。

2 除塵刷工作參數

根據掘進裝備攝像儀鏡面清掃裝置工作原理，攝像儀鏡面上的煤泥脫離效果主要與除塵刷工作參數密切相關。除塵刷選用滾筒式，植毛機將刷毛安裝在鐵皮內，鐵皮在一定螺距下焊接在除塵輥上。除塵刷旋轉到攝像儀鏡面中心處時，與攝像儀鏡面的相對位置關系如圖2所示。

圖2 除塵刷與攝像儀鏡面的相對位置關系Fig.2 Relative position between dust removal brush and camera mirror

由圖2可得

(1)

Δds=Dm/2-(dm2-Sd)

(2)

式中：Δd為除塵刷刷毛相對攝像儀鏡面的壓縮量(下文簡稱鏡面壓縮量)，mm；Dm為除塵刷外徑，mm；Dg為除塵輥外徑，取16.5 mm；Dt為鐵皮寬度，取4.25 mm；dm1為右側除塵輥至攝像儀鏡面的距離，mm；Δds為除塵刷刷毛相對攝像儀外殼端面的壓縮量(下文簡稱端面壓縮量)，mm；dm2為攝像儀鏡面至除塵刷中心的距離，mm；Sd為攝像儀外殼端面至攝像儀鏡面的距離，mm。

刷毛數量ns為

ns=Lta

(3)

Lt=HL/s

(4)

(5)

式中：Lt為鐵皮長度，mm；a為單位長度刷毛數量，根/mm；H為刷毛覆蓋長度，mm；L為單層螺旋線長度，mm；s為鐵皮安裝螺距，mm。

除塵刷工作參數主要包括鏡面壓縮量Δd、刷毛絲徑d和鐵皮安裝螺距s。其他條件不變的情況下，理論上除塵刷工作參數對清掃效果的影響如下[11]：鏡面壓縮量越大，刷毛與攝像儀鏡面之間的摩擦力越大，清掃效果越好；刷毛絲徑越大，刷毛硬度越高，刷毛與攝像儀鏡面之間的摩擦力越大，清掃效果越好；鐵皮安裝螺距越小，單位面積與攝像儀鏡面接觸的刷毛數量越多，清掃效果越好。然而除塵刷工作參數存在限制條件，轉臺旋轉過程中攝像儀外殼對除塵刷作用力過大會導致轉臺無法旋轉至預定位置，因此需要通過試驗對除塵刷工作參數進一步分析。

3 試驗分析

為確定合理的除塵刷工作參數，搭建掘進裝備攝像儀鏡面清掃裝置試驗平臺，對除塵刷不同工作參數下的清掃效果進行分析。

試驗所用物品：11008型噴嘴(開口110°)；不同型號除塵刷(除塵刷外徑均為60 mm，刷毛絲徑和鐵皮安裝螺距不同)，刷毛材料為PP復合絲，表面絕緣電阻為104～106Ω，除塵刷刷毛添加抗靜電材料，可避免靜電電荷聚集；80目煤粉；鏡面直徑為38 mm、鏡面中心直徑為16 mm的攝像儀。

試驗過程：將15 g煤粉和5 g水均勻混合成煤泥，涂抹到攝像儀鏡面處；使用噴嘴吹掃45 s；測量除塵刷刷毛壓縮量；打開氣動馬達帶動除塵刷清掃20 s；測量清掃后剩余煤泥質量。

裝置完成吹掃后，除塵刷旋轉清掃前后攝像儀鏡面煤泥附著情況如圖3所示?？煽闯鰯z像儀鏡面中心處煤泥實現完全清除；但由于攝像儀鏡面擋圈的存在，阻擋了除塵刷刷毛對擋圈上方位置的清掃，所以擋圈上方殘留少量煤泥。

(a) 清掃前

為更好地判斷裝置對攝像儀鏡面煤泥的清掃效果，定義煤泥清除率K、攝像儀鏡面中心煤泥清除率K1為裝置性能檢驗指標：

(6)

(7)

式中：W為清掃前攝像儀鏡面煤泥質量，g；Q為清掃后攝像儀鏡面殘余的煤泥質量，g；Q1為清掃后攝像儀鏡面中心處殘余的煤泥質量，g。

鐵皮安裝螺距為8 mm時，不同除塵刷刷毛絲徑和刷毛壓縮量下試驗結果見表1。可看出在相同刷毛絲徑條件下，刷毛壓縮量越大，攝像儀鏡面中心煤泥清除率越高，但當端面壓縮量達到一定程度時，除塵刷會被攝像儀外殼端面卡住，無法實現對攝像儀鏡面的清掃；相同刷毛壓縮量條件下，刷毛絲徑越大，攝像儀鏡面中心煤泥清除率越高，但刷毛絲徑為0.3 mm的除塵刷僅在鏡面壓縮量為2.6～3.5 mm時才滿足攝像儀鏡面中心煤泥清除率為100%的需求，而刷毛絲徑為0.4 mm的除塵刷由于刷毛過硬無法實現清掃工作。

表1 鐵皮安裝螺距8 mm時不同刷毛絲徑和刷毛壓縮量下試驗結果Table 1 Test results of different bristle diameter and bristle compression when iron sheet mounting pitch is 8 mm

鐵皮安裝螺距為5 mm時，不同除塵刷刷毛絲徑和刷毛壓縮量下試驗結果見表2?？煽闯鏊⒚z徑為0.1 mm的除塵刷在鏡面壓縮量為0.5 mm時可進行清掃，且清除率比鐵皮安裝螺距為8 mm時的高，但不滿足清掃需求；刷毛絲徑大于0.1 mm的除塵刷在端面壓縮量最小情況下均被攝像儀外殼端面卡住，無法進行清掃，這是由于鐵皮安裝螺距過小導致刷毛數量過多。

表2 鐵皮安裝螺距5 mm時不同刷毛絲徑和刷毛壓縮量下試驗結果Table 2 Test results of different bristle diameter and bristle compression when iron sheet mounting pitch is 5 mm

4 結語

掘進裝備攝像儀鏡面清掃裝置采用噴嘴吹掃與除塵刷清掃相結合的方式，使粘附在攝像儀鏡面上的煤泥被吹干并受力脫離。試驗結果表明：當鐵皮安裝螺距為8 mm、刷毛絲徑為0.2 mm、鏡面壓縮量為2.6～5.3 mm時，除塵刷工作性能最佳，煤泥清除率達90%以上，攝像儀鏡面中心煤泥清除率為100%。