煤礦機(jī)器人防爆外殼纖維復(fù)合增強(qiáng)材料研究與應(yīng)用

王海燕，張 梅，代衛(wèi)衛(wèi)，郭偉柱，郭向東

(1.中煤華晉集團(tuán)韓咀煤業(yè)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(duì)來(lái)說(shuō)，井工煤礦井下人員集中且人數(shù)較多，研發(fā)應(yīng)用于井下的煤礦機(jī)器人有利于減少井下作業(yè)人數(shù)，降低安全風(fēng)險(xiǎn)及傷亡概率，提高生產(chǎn)效率，減輕礦工勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)推動(dòng)煤礦智能化建設(shè)、實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、保障國(guó)家能源安全供應(yīng)具有重要意義。2019年1月9日，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局研究制定并發(fā)布了《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》(以下簡(jiǎn)稱“《目錄》”)，聚焦關(guān)鍵崗位、危險(xiǎn)崗位，重點(diǎn)研發(fā)應(yīng)用掘進(jìn)、采煤、運(yùn)輸、安全監(jiān)控和救援5類38種煤礦機(jī)器人，同時(shí)對(duì)每種機(jī)器人的功能提出了具體要求[1]。發(fā)布《目錄》的目的是引導(dǎo)煤炭企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)、機(jī)器人制造企業(yè)和全社會(huì)參與研發(fā)應(yīng)用，把握煤礦安全需求重點(diǎn)，鼓勵(lì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，力爭(zhēng)盡快在煤礦機(jī)器人技術(shù)上有新的突破，使煤礦實(shí)現(xiàn)“少人則安、無(wú)人則安”。

根據(jù)《關(guān)于礦用產(chǎn)品使用的鋰離子蓄電池安全標(biāo)志管理意見(jiàn)》[2]，礦用隔爆型設(shè)備用鋰離子蓄電池電池組額定能量大于200 Wh時(shí)，應(yīng)滿足《礦用隔爆(兼本安)型鋰離子蓄電池電源安全技術(shù)要求》[3]。安徽玄離智能科技股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“安徽玄離”)所開(kāi)發(fā)的煤礦機(jī)器人產(chǎn)品電池總能量為1 056 Wh，采用串聯(lián)方式連接，電池組額定能量滿足不超過(guò)3 200 Wh要求。采用金屬防爆外殼的重量約1 500 kg，整機(jī)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(guò)3 200 Wh要求，無(wú)法下井使用?；诖?，從煤礦機(jī)器人外殼輕量化著手，減輕外殼重量設(shè)計(jì)和整機(jī)重量設(shè)計(jì)十分必要。安徽玄離從2019年開(kāi)始?xì)v時(shí)4年研發(fā)、設(shè)計(jì)、制作的防爆外殼通過(guò)了防爆國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 3836)的全部檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)全部合格。

1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料防爆外殼的研制

以安徽玄離生產(chǎn)的井下巡檢機(jī)器人為例，滿足7 h同等續(xù)航條件下，安徽玄離采用的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料防爆外殼重量為120 kg，整機(jī)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(jī)重量為2 000 kg。采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的設(shè)備比使用金屬材料的設(shè)備外殼重量輕80%左右，整機(jī)輕90%左右，由此帶來(lái)設(shè)備制造成本和使用成本的大幅降低。

防爆國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB 3836.2-2010)要求，采掘工作面使用的電氣設(shè)備外殼采用鋼板或鑄鐵制成，外殼容積不大于2 000 cm3時(shí)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(jī)器人產(chǎn)品外殼的多樣性選擇。另外，防爆國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 3836.1)中對(duì)于非金屬材料，只介紹了塑料材質(zhì)和彈性材料的基本要求，對(duì)于纖維及其復(fù)合增強(qiáng)材料可否用于井下沒(méi)有相應(yīng)規(guī)定。

復(fù)合材料是由2種或2種以上不同屬性的材料通過(guò)專門的成型工藝組合而成的機(jī)械工程材料，其中每種組成材料可以根據(jù)性能要求進(jìn)行調(diào)配，從而使復(fù)合材料滿足不同性能要求，且綜合性能要優(yōu)于原組成材料。

通常復(fù)合材料的組成包括基體和增強(qiáng)材料2個(gè)部分，基體是復(fù)合材料中的連續(xù)相，其作用是將增強(qiáng)體固結(jié)在一起并在增強(qiáng)體之間傳遞載荷；增強(qiáng)材料是復(fù)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(jī)纖維和碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲及硬質(zhì)細(xì)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(dòng)化、無(wú)人化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，不受傳統(tǒng)纖維增強(qiáng)材料手工制作人為因素的影響。安徽玄離井下巡檢機(jī)器人的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料防爆外殼經(jīng)過(guò)了防爆性能、靜壓試驗(yàn)、抗沖擊試驗(yàn)，外殼耐壓和內(nèi)部點(diǎn)燃不傳爆試驗(yàn)，20 000 h的老化試驗(yàn)，密封膠圈的耐熱耐寒試驗(yàn)，引入裝置的抗沖擊、夾緊、密封、機(jī)械試驗(yàn)，以及碳纖維(玄武巖)復(fù)合材料外殼的耐熱、耐寒、光老化試驗(yàn)，I類電氣設(shè)備耐化學(xué)試劑試驗(yàn)、非金屬材料外殼部件的表面電阻測(cè)定、耐燃燒試驗(yàn)，火焰燒蝕試驗(yàn)等各項(xiàng)嚴(yán)格的檢測(cè)，全部符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5]。

2 防爆外殼安全性控制研究

2.1 防爆外殼分腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防爆外殼作為巡檢機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)和電器件的載體，主要承載設(shè)備自身重量以及電氣爆炸對(duì)殼體內(nèi)壁造成的壓力，殼體受力變形對(duì)巡檢機(jī)器人行走及電器件運(yùn)行的影響不大，而內(nèi)部電器件起爆會(huì)造成殼體破損開(kāi)裂造成傳爆，影響井下安全。

巡檢機(jī)器人殼體總體設(shè)計(jì)思路是各功能模塊單獨(dú)設(shè)置腔室，各腔室通過(guò)金屬件連接，各腔室之間的線路通過(guò)防爆接線頭連接，把各腔室完全隔離，避免各腔室之間出現(xiàn)相互傳爆現(xiàn)象，分腔設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)單腔問(wèn)題單腔檢修，減少模塊出現(xiàn)故障后整體拆卸維修，降低后期維護(hù)難度和成本。防爆外殼分腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 防爆外殼分腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 防爆外殼強(qiáng)度設(shè)計(jì)

防爆外殼強(qiáng)度設(shè)計(jì)思路主要來(lái)源于蔡-胡強(qiáng)度理論，復(fù)合材料由多層纖維組成，在一定載荷條件下不會(huì)同時(shí)發(fā)生破壞情況，殼體某個(gè)最薄弱地方的最外層首先發(fā)生破壞后，本體仍能繼續(xù)承載，隨著進(jìn)一步增加載荷，破壞逐層延伸，直至最終破壞。依據(jù)此破壞機(jī)理，防爆外殼的設(shè)計(jì)思路為：通過(guò)改變殼體局部截面尺寸調(diào)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(duì)各面明顯加厚，讓殼體最薄弱的位置出現(xiàn)在平面區(qū)域，這樣超載損傷區(qū)域的位置便可預(yù)期。然后重點(diǎn)校核薄弱點(diǎn)的強(qiáng)度，以達(dá)到整體力學(xué)性能均滿足使用要求的目標(biāo)，大大減小試驗(yàn)的工作量。

當(dāng)出現(xiàn)電氣爆炸時(shí)，內(nèi)部壓力增加，殼體各平面受力后彎曲變形，平面區(qū)域的最大變形處表層的纖維拉應(yīng)力最大，若超出外層纖維層的抗拉強(qiáng)度則會(huì)出現(xiàn)外層纖維斷裂情況，隨著載荷的進(jìn)一步提高，斷裂層逐步向內(nèi)延伸，直至完全斷裂。為了驗(yàn)證樣條與理論的符合程度，制作一批樣條進(jìn)行了測(cè)試，損傷效果如圖2所示。

圖2 測(cè)試樣條損傷效果

通過(guò)多次試驗(yàn)證明，樣條損傷機(jī)理符合防爆外殼強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論，確定了設(shè)計(jì)思路的正確性。

2.3 簡(jiǎn)化模型、接觸屬性、載荷與邊界條件

為了提高計(jì)算速率，去除一些不影響計(jì)算結(jié)果的孔、倒角以及部分微小特征，簡(jiǎn)化模型如圖3所示。

圖3 簡(jiǎn)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(jì)算的結(jié)果準(zhǔn)確，約束剛性最好、變形最小的金屬連接件的各個(gè)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(nèi)部承受1.5 MPa的均勻靜壓，載荷加載如圖6所示。底殼內(nèi)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(wěn)定的國(guó)產(chǎn)碳纖維紗編織布、國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)玻纖和雙組份低粘度真空灌注環(huán)氧阻燃樹(shù)脂。

3.1 碳纖維復(fù)合材料

碳纖維是由有機(jī)纖維如粘膠纖維、聚丙烯晴纖維或?yàn)r青基纖維在熱處理?xiàng)l件下碳化而成的含碳量90%～100%的纖維。碳纖維復(fù)合材料主要包括碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料、C/C復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料(CFRM)、碳纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料等。碳纖維復(fù)合材料(CFRP)作為一種先進(jìn)的復(fù)合材料，具有重量輕、模量高、比強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)低、耐高溫、耐熱沖擊、耐腐蝕、吸振性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車等領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用。

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

(2)熱性能。碳纖維復(fù)合材料的耐高低溫性能較好，在隔絕空氣(惰性氣體保護(hù)下)且溫度在2 000 ℃時(shí)，碳纖維復(fù)合材料仍有強(qiáng)度，液氮下也不脆斷。碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能較好，導(dǎo)熱系數(shù)較高，但隨溫度升高有減小趨勢(shì)。碳纖維復(fù)合材料沿纖維軸向?qū)嵯禂?shù)為0.04 cal/(cm·s·℃)；垂直纖維方向的導(dǎo)熱系數(shù)為0.002 cal/(cm·s·℃)。碳纖維復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)沿纖維軸向具有負(fù)的溫度效應(yīng)，即隨著溫度的升高，碳纖維復(fù)合材料有收縮的趨勢(shì)，尺寸穩(wěn)定性好，耐疲勞性好。

(3)耐腐蝕性。碳纖維復(fù)合材料除了能被強(qiáng)氧化劑如濃硝酸、次氯酸及重鉻酸鹽氧化外，一般的酸堿對(duì)它的作用較小，比硅基纖維復(fù)合材料具有更好的耐腐蝕性。碳纖維復(fù)合材料不會(huì)像硅基纖維復(fù)合材料在濕空氣中會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)，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(shè)計(jì)性。碳纖維復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，具有高比強(qiáng)度和高比剛度，性能可以在一個(gè)很寬的范圍內(nèi)變化，可以通過(guò)使用不同的纖維材料、纖維含量和鋪層方向及樹(shù)脂基體設(shè)計(jì)出各種強(qiáng)度指標(biāo)、彈性模量以及阻燃性能要求的產(chǎn)品，同時(shí)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的成型工藝適合不同結(jié)構(gòu)和形狀的產(chǎn)品，在保證復(fù)雜部件成型的同時(shí)，性能保持不變，形狀可靈活設(shè)計(jì)。

3.2 殼體材料選型及性能檢測(cè)

防爆外殼主要材料采用碳纖維和國(guó)產(chǎn)環(huán)氧樹(shù)脂，由于純碳纖維復(fù)合材料層合板受力達(dá)到應(yīng)力極限時(shí)會(huì)沿厚度方向傳遞裂紋且會(huì)迅速失效，因此考慮加入高強(qiáng)玻璃纖維，玻璃纖維的斷裂伸長(zhǎng)率高、韌性好，可對(duì)表層裂紋進(jìn)行有效隔離，確保表層纖維受損后有剩余強(qiáng)度，避免殼體的瞬間失效。

3.2.1 碳纖維防爆外殼性能檢測(cè)

本項(xiàng)目使用的碳纖維材料為國(guó)產(chǎn)的T300級(jí)碳砂，對(duì)碳纖維防爆外殼進(jìn)行拉伸強(qiáng)力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 碳纖維防爆外殼經(jīng)向拉伸強(qiáng)力測(cè)試結(jié)果

表2 碳纖維織物緯向拉伸強(qiáng)力測(cè)試結(jié)果

防爆外殼承受壓力時(shí)殼體的各個(gè)面以彎曲變形為主，因此主要測(cè)試?yán)w維層合板樣條的彎曲強(qiáng)度，并進(jìn)行指標(biāo)分析，并對(duì)設(shè)計(jì)好的纖維鋪層制作樣條進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，碳纖維復(fù)合材料樣條的彎曲強(qiáng)度在500 MPa以上，碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235-A的彎曲強(qiáng)度為215 MPa，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼45號(hào)鋼的彎曲強(qiáng)度在450 MPa左右，由此可見(jiàn)碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)比較明顯。

3.2.2 高強(qiáng)玻璃纖維性能檢測(cè)

高強(qiáng)玻璃纖維強(qiáng)度與無(wú)堿E玻璃纖維相比，拉伸強(qiáng)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(qiáng)材料制品的耐疲勞特性提高了近10倍，而且高強(qiáng)度玻璃纖維的斷裂伸長(zhǎng)量較大，抗沖擊性能較好，并具有耐老化、耐腐蝕性能和樹(shù)脂浸透性能好等特點(diǎn)。

3.2.3 樹(shù)脂性能檢測(cè)

復(fù)合材料常用的熱固性樹(shù)脂有不飽和聚酯、乙烯基酯、環(huán)氧、酚醛、聚酰亞胺樹(shù)脂等，各類樹(shù)脂的性能優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表3。

表3 各類樹(shù)脂的性能優(yōu)缺點(diǎn)

其中，環(huán)氧樹(shù)脂是分子結(jié)構(gòu)中含有2個(gè)以上環(huán)氧基團(tuán)的有機(jī)高分子聚合物的統(tǒng)稱，是一種熱固性材料，可與多種類型固化劑交聯(lián)反應(yīng)形成具有三向網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、不溶、不熔的高聚物，具有優(yōu)良的物理機(jī)械性能、電絕緣性能、耐藥品性能和粘結(jié)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(huán)氧樹(shù)脂基體產(chǎn)品使用的溫度指標(biāo)為熱變形溫度HDT，該指標(biāo)決定了樹(shù)脂基體產(chǎn)品的長(zhǎng)期允許工作溫度，即長(zhǎng)期處于熱變形溫度下，樹(shù)脂的強(qiáng)度會(huì)降低、模量降低、抗蠕變特性變差，從而影響產(chǎn)品使用壽命。短時(shí)小幅度超出熱變形溫度，待降至常溫后樹(shù)脂性能指標(biāo)可恢復(fù)。

綜合考慮樹(shù)脂的力學(xué)性能、工藝性以及使用環(huán)境溫度適應(yīng)性，防爆外殼采用環(huán)氧樹(shù)脂作為基體材料。防爆外殼所采用的樹(shù)脂是國(guó)產(chǎn)低粘度真空灌注阻燃環(huán)氧樹(shù)脂，一是可操作時(shí)間長(zhǎng)，可專門用于大型碳纖維復(fù)合材料的真空灌注；二是混合后的粘度低，可對(duì)織物(特別是碳纖)進(jìn)行充分潤(rùn)濕；三是固化后的樹(shù)脂具有良好的力學(xué)性能、耐化學(xué)藥品性能和電絕緣性能。

3.2.4 樣條彎曲試驗(yàn)

對(duì)碳纖維復(fù)合材料、高強(qiáng)玻璃纖維、環(huán)氧樹(shù)脂原材料制作的樣條進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。經(jīng)檢測(cè)，彎曲強(qiáng)度熱重點(diǎn)斜法溫度指數(shù)為143，根據(jù)計(jì)算所得熱壽命方程對(duì)該材料進(jìn)行推算，在使用溫度為110 ℃時(shí)，其使用壽命可達(dá)50 a。

4 應(yīng)用情況

2022年12月，應(yīng)用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的安徽玄離巡檢機(jī)器人在中煤華晉集團(tuán)韓咀煤業(yè)有限公司井下進(jìn)行了為期3個(gè)月的工業(yè)性試驗(yàn)，并最終投入使用。通過(guò)試驗(yàn)及應(yīng)用表明，該巡檢機(jī)器人可在盲巷、大巷、回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷、輔運(yùn)巷、盤(pán)區(qū)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(wú)極繩絞車硐室、井下充電硐室等場(chǎng)所以及各種硐室開(kāi)展巡檢作業(yè)，可替代巡檢工、測(cè)氣員、瓦檢員、安全員等崗位人員進(jìn)行無(wú)人化值守，實(shí)現(xiàn)井下“少人為安、無(wú)人則安”。

(1)安徽玄離巡檢機(jī)器人可發(fā)現(xiàn)裂紋縫隙，并能夠?qū)崿F(xiàn)2 m范圍內(nèi)儀器儀表的識(shí)別和判斷。巡檢機(jī)器人的云臺(tái)搭載可視360°高清攝像頭，在行駛過(guò)程中遇見(jiàn)車輛和行人不僅可聲光報(bào)警，還能實(shí)現(xiàn)人員動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、人員抓拍等功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)人員不帶安全帽等不規(guī)范行為，提前發(fā)現(xiàn)安全隱患。

(2)安徽玄離巡檢機(jī)器人可在盲巷等無(wú)通訊的地方開(kāi)啟不同場(chǎng)景下的無(wú)人駕駛狀態(tài)并采集數(shù)據(jù)，地面可實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程操控，反饋現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，同時(shí)可以定點(diǎn)對(duì)盲巷進(jìn)行探測(cè)。

(3)安徽玄離巡檢機(jī)器人不僅能夠?qū)崿F(xiàn)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(cè)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、濕度、壓強(qiáng)、風(fēng)速、粉塵等多項(xiàng)環(huán)境參數(shù)感知功能，可以精準(zhǔn)檢測(cè)各種環(huán)境參數(shù)，同時(shí)還可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的未來(lái)走向。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)防爆外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性驗(yàn)證，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料纖維從外層向內(nèi)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(guān)要求，井下巡檢機(jī)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(shí)在運(yùn)輸和使用過(guò)程中更加便捷，為實(shí)現(xiàn)井下機(jī)器替代人、減少人員傷亡的目標(biāo)提供了條件。