煤礦機(jī)器人檢測(cè)檢驗(yàn)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及存在的問題

郭長(zhǎng)娜

（1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

目前煤礦井下安裝有視頻監(jiān)視系統(tǒng)等，基本均能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)處監(jiān)視功能，但由于視頻監(jiān)視系統(tǒng)存在監(jiān)視死角，主要依賴于調(diào)度人員的人工監(jiān)看，且不具備智能識(shí)別、故障判斷、與安全監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的智能功能，所以不能及時(shí)準(zhǔn)確的對(duì)生產(chǎn)過程及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，因此提高礦井智能化程度，降低礦井工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，確保設(shè)備的連續(xù)運(yùn)行，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在風(fēng)險(xiǎn)，引進(jìn)煤礦用機(jī)器人非常必要。國(guó)家煤礦安監(jiān)局局長(zhǎng)黃玉冶在《2019 世界機(jī)器人大會(huì)煤礦機(jī)器人專題論壇》中指出“煤礦機(jī)器人研發(fā)應(yīng)用是堅(jiān)持以人民為中心發(fā)展思想的必然要求，是實(shí)現(xiàn)煤礦本質(zhì)安全的有效舉措，是實(shí)現(xiàn)煤炭高質(zhì)量發(fā)展的必由之路”[1]。然而，當(dāng)前煤礦用機(jī)器人生產(chǎn)企業(yè)越來越多，質(zhì)量良莠不齊，作為新興產(chǎn)業(yè)，安全標(biāo)志礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心多次組織專家會(huì)議，討論煤礦用機(jī)器人的技術(shù)要求及檢測(cè)檢驗(yàn)等，這將意味煤礦用機(jī)器人的檢測(cè)檢驗(yàn)工作的全面開展將提上日程。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)于不同用途機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)檢驗(yàn)技術(shù)處于推進(jìn)的過程中，尤其煤礦領(lǐng)域機(jī)器人的檢測(cè)檢驗(yàn)基本處于起步階段，各國(guó)家煤礦質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)檢驗(yàn)中心均未建立完整、專業(yè)的檢測(cè)檢驗(yàn)體系，為此分析煤礦機(jī)器人在井下高低溫、高濕、劇烈振動(dòng)、環(huán)境照度低、電磁干擾及爆炸性氣體濃度高等應(yīng)急救援環(huán)境下的爬坡性能、越障性能、防爆安全及充電安全性等主要性能的檢測(cè)檢驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及存在的問題。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)外在20 世紀(jì)80 年代末90 年代初就已經(jīng)開始研究煤礦用機(jī)器人，澳大利亞、美國(guó)等相繼研制了多種煤礦救援機(jī)器人，并已用于煤礦救援工作[2]。2006 年初，美國(guó)西弗吉尼亞Sago 煤礦發(fā)生礦難，造成12 名礦工死亡，事故發(fā)生后，美國(guó)勞工部礦業(yè)安全與衛(wèi)生局通過深孔向井下派出了1 個(gè)救援機(jī)器人，這是搜救機(jī)器人被第1 次用于礦難的救援，但最終因機(jī)器人中途行進(jìn)過程中陷入泥潭而受阻[3]。2010 年，位于新西蘭南島西部阿塔勞的派克河煤礦發(fā)生瓦斯爆炸事故，29 名礦工被困井下，新西蘭國(guó)防部提供1 臺(tái)改裝后的機(jī)器人進(jìn)行搜救，而很不幸的是，這臺(tái)搜救機(jī)器人在水中行走了550 m 就發(fā)生了短路，不到它的設(shè)計(jì)行程的1/4[4]。通過上述例子來看，應(yīng)用機(jī)器人進(jìn)行井下工作面臨諸多難題，惡劣的井下環(huán)境很容易造成機(jī)器人發(fā)生故障。朱華[5]在總結(jié)國(guó)內(nèi)外礦井救災(zāi)機(jī)器人研究工作的基礎(chǔ)上，認(rèn)為目前研制的機(jī)器人與實(shí)際應(yīng)用還存在較大差距，研發(fā)機(jī)器人時(shí)應(yīng)充分了解礦井下的自然環(huán)境和災(zāi)害環(huán)境的特點(diǎn)，提高機(jī)器人的機(jī)械可靠性、避障能力、通訊能力和安全防爆性能，同時(shí)在研發(fā)機(jī)器人的過程中必須堅(jiān)持創(chuàng)新設(shè)計(jì)的理念[6]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)煤礦用機(jī)器人已進(jìn)行了大量的研究，但是，由于各個(gè)國(guó)家煤礦條件不同，所以防爆安全要求標(biāo)準(zhǔn)也不同，因此國(guó)外較成熟的煤礦用機(jī)器人不宜在我國(guó)使用。我國(guó)對(duì)煤礦用機(jī)器人的研究起步較晚，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)從2004 年開始研究，并成功研制了國(guó)內(nèi)第1 臺(tái)煤礦救援機(jī)器人樣機(jī)。但由于機(jī)器人體積龐大、笨重、遇水易短路等原因?qū)е聭?yīng)用效果并不理想。與之相反，在火災(zāi)及地震救援中，消防、地震救災(zāi)機(jī)器人的成功案例較多，造成這些差異的主要原因是煤礦井下災(zāi)后環(huán)境特殊，存在瓦斯等易燃、易爆氣體，一旦這些氣體的含量超限，易發(fā)生爆炸事故并可能造成更大的損失[7]。針對(duì)我國(guó)煤礦井下環(huán)境特點(diǎn)，在研發(fā)階段通過建立機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的模型，利用檢測(cè)評(píng)估技術(shù)對(duì)其煤礦用機(jī)器人防爆性能、環(huán)境適應(yīng)能力等進(jìn)行仿真分析十分重要。國(guó)內(nèi)高校已開始通過仿真軟件對(duì)煤礦用機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)行走性能進(jìn)行了仿真試驗(yàn)[2]，但缺少對(duì)煤礦井下機(jī)器人結(jié)構(gòu)耐壓、爆炸環(huán)境適應(yīng)性等綜合考慮。李允旺等[8]探討了防爆外殼的設(shè)計(jì)與加工，對(duì)用于我國(guó)煤礦井下災(zāi)后環(huán)境探測(cè)與救援工作的煤礦機(jī)器人進(jìn)行了防爆設(shè)計(jì)。王長(zhǎng)龍等[9]將靜態(tài)正壓技術(shù)引入機(jī)器人防爆外殼設(shè)計(jì)領(lǐng)域，很好地解決了防爆要求和機(jī)器人性能之間的矛盾。鞏利萍等[10]將彈塑性力學(xué)理論運(yùn)用到礦用機(jī)器人外殼的初始化設(shè)計(jì)中，根據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)結(jié)構(gòu)，再次計(jì)算實(shí)體力學(xué)以檢測(cè)改進(jìn)的煤礦機(jī)器人外殼結(jié)構(gòu)能否達(dá)到強(qiáng)度和剛度要求。但上述等研究均建立在理論研究基礎(chǔ)上，并未采取有效的檢測(cè)檢驗(yàn)手段對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

目前，國(guó)內(nèi)外煤礦機(jī)器人檢測(cè)檢驗(yàn)對(duì)于其非電氣部分的機(jī)械火花等組合型防爆安全、井下救援環(huán)境適應(yīng)能力等的檢測(cè)檢驗(yàn)處于空白階段，動(dòng)力電源井下充電問題仍無法更好的解決，且目前國(guó)內(nèi)并未編制相關(guān)的檢測(cè)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，因此煤礦用機(jī)器人的檢測(cè)檢驗(yàn)工作需加快推進(jìn)。煤礦領(lǐng)域機(jī)器人檢測(cè)檢驗(yàn)的推進(jìn)及檢驗(yàn)規(guī)范的制定是該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展到一定程度的必然結(jié)果，同時(shí)也是市場(chǎng)的需要，不僅能夠?yàn)槠髽I(yè)研發(fā)的煤礦機(jī)器人提供資質(zhì)評(píng)定，同時(shí)也可為用戶提供參考依據(jù)。

2 煤礦井下機(jī)器人檢測(cè)檢驗(yàn)技術(shù)存在的問題

縱觀國(guó)內(nèi)外已有研究，目前國(guó)內(nèi)外煤礦用機(jī)器人檢測(cè)檢驗(yàn)技術(shù)及規(guī)范正在推進(jìn)中，但仍存在以下主要問題亟待解決：

1）組合防爆型安全檢測(cè)檢驗(yàn)技術(shù)有待深入研究。煤礦用機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需由多種結(jié)構(gòu)組合而成，各部分主要有隔爆型，本安型，澆封型，光保護(hù)型等多種防爆型式，屬于組合防爆型電氣設(shè)備。由于機(jī)器人普遍具有機(jī)動(dòng)性，正常運(yùn)行時(shí)勢(shì)必會(huì)與外部或自身發(fā)生摩擦和碰撞，目前煤礦暫未考慮由此產(chǎn)生的機(jī)械火花，隨著技術(shù)的進(jìn)步機(jī)器人必將規(guī)?；瘧?yīng)用于煤礦井下，因此必須考慮其特殊性，迫切需要對(duì)機(jī)器人的非電氣部分進(jìn)行防爆試驗(yàn)研究，避免機(jī)械結(jié)構(gòu)引起的爆炸。同時(shí)，煤礦機(jī)器人需在整個(gè)礦井運(yùn)行，井下不同區(qū)域，如掘進(jìn)面、巷道、水泵房及臨界處等對(duì)其防爆安全要求不同，因此針對(duì)于組合型防爆電氣設(shè)備應(yīng)深入分析井下各不同區(qū)域?qū)γ旱V機(jī)器人安全性能的影響。

2）煤礦機(jī)器人檢測(cè)評(píng)估技術(shù)亟待迅速發(fā)展。目前，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)已開始初步研究了通過仿真軟件對(duì)煤礦用機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)行走性能部分驗(yàn)證，但缺少對(duì)其防爆結(jié)構(gòu)的考慮，應(yīng)結(jié)合對(duì)防爆安全要求，建立更加完善的煤礦井下特殊環(huán)境，更好的導(dǎo)入機(jī)器人設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行機(jī)器人爬坡性能、越障性能、行走能力及環(huán)境適應(yīng)能力的檢測(cè)評(píng)估，同時(shí)通過建立樣機(jī)三維立體模型，設(shè)定設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行仿真分析與計(jì)算，檢查防爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性及抗壓能力等。檢測(cè)評(píng)估技術(shù)將問題提前展現(xiàn)在研發(fā)階段，既節(jié)省了人員精力也大大縮減了整個(gè)研發(fā)周期，因此針對(duì)我國(guó)煤礦井下環(huán)境特點(diǎn)，在研發(fā)階段通過建立機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的模型，利用檢測(cè)評(píng)估技術(shù)對(duì)其煤礦用機(jī)器人防爆性能、環(huán)境適應(yīng)能力等進(jìn)行仿真的檢測(cè)評(píng)估技術(shù)亟待迅速發(fā)展。

3）煤礦井下應(yīng)急救援環(huán)境實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)檢驗(yàn)技術(shù)亟待開展。在國(guó)家的大力支持下，越來越多的研發(fā)團(tuán)隊(duì)投入到煤礦用機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)過程中，而普通的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境并不能滿足煤礦井下的特殊環(huán)境，如應(yīng)急救援環(huán)境下的高低溫、高濕、劇烈振動(dòng)、環(huán)境照度低、電磁干擾及爆炸性氣體濃度高等。經(jīng)過研究表明，煤礦用機(jī)器人在井救援環(huán)境下性能會(huì)大大衰減，到了煤礦井下會(huì)出現(xiàn)各種問題，并不適用。因此，建立煤礦井下嚴(yán)酷的應(yīng)急救援環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)論證，分析機(jī)器人環(huán)境適應(yīng)能力，在機(jī)器人投入使用前進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)，深入研究其煤礦井下復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性檢測(cè)檢驗(yàn)技術(shù)十分必要。

4）煤礦用機(jī)器人動(dòng)力電源井下充電可行性亟待驗(yàn)證。目前，煤礦用機(jī)器人多選用蓄電池供電方式，但煤礦井下具有瓦斯等易燃?xì)怏w，制約著蓄電池機(jī)器人在煤礦井下應(yīng)用，急需研究解決煤礦機(jī)器人蓄電池安全問題，包括使用安全和充電安全等[11]?，F(xiàn)井下充電安全問題仍存在諸多不確定因素，同時(shí)，因煤礦安全規(guī)程（2016 版）規(guī)定，目前移動(dòng)機(jī)車類動(dòng)力電源尚不允許在井下除專用硐室以外充電，這就大大降低了機(jī)器人在煤礦井下的應(yīng)用空間，使機(jī)器人在井下的推廣前景降低，因此，迫切需要經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)對(duì)井下充電安全問題進(jìn)行驗(yàn)證，為煤礦機(jī)器人在井下的充電安全性提供可靠數(shù)據(jù)。

5）煤礦用機(jī)器人檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)亟待制定。目前煤礦用機(jī)器人研發(fā)過程中無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行規(guī)范，很多企業(yè)均憑自身了解或是對(duì)其他行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的參考來進(jìn)行研發(fā)，導(dǎo)致研發(fā)的機(jī)器人質(zhì)量良莠不齊，致使出現(xiàn)的越來越多機(jī)器人不能得到質(zhì)量保障。因此，制定統(tǒng)一的檢驗(yàn)規(guī)范，對(duì)其性能、指標(biāo)、工作及貯存條件等進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范與限制，對(duì)其煤礦用機(jī)器人的發(fā)展非常關(guān)鍵。

3 結(jié) 語

煤礦用機(jī)器人檢測(cè)檢驗(yàn)技術(shù)的深入發(fā)展可大大促進(jìn)煤礦領(lǐng)域機(jī)器人行業(yè)的創(chuàng)新與研發(fā)，并且加快市場(chǎng)分級(jí)，有益于機(jī)器人產(chǎn)品的質(zhì)量保障，同時(shí)煤礦用機(jī)器人檢測(cè)檢驗(yàn)技術(shù)的深入研究也可促進(jìn)國(guó)際合作，提升國(guó)際影響力。分析了煤礦機(jī)器人檢測(cè)檢驗(yàn)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及存在的問題，總結(jié)如下：

1）應(yīng)進(jìn)一步完善煤礦機(jī)器人防爆安全檢測(cè)檢驗(yàn)技術(shù)，研究組合型防爆安全檢測(cè)檢驗(yàn)技術(shù)，考慮各部分在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)因摩擦與碰撞引起的機(jī)械火花安全問題，分析煤礦0 區(qū)、非0 區(qū)及臨界區(qū)對(duì)防爆型式的特殊要求及存在的安全隱患。

2）急需針對(duì)于煤礦機(jī)器人動(dòng)力電源井下充電安全性進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，研究其井下充電安全性，為推動(dòng)機(jī)器人在井下的使用提供技術(shù)支撐。

3）應(yīng)引進(jìn)基于模型仿真的檢測(cè)評(píng)估技術(shù)，建立移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)模型、三維立體模型并進(jìn)行仿真分析，針對(duì)煤礦機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的爬坡、越障及防爆機(jī)械設(shè)計(jì)合理性等在研發(fā)過程中進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估。

4）需搭建煤礦井下應(yīng)急救援環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，對(duì)其進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，分析煤礦用機(jī)器人環(huán)境適應(yīng)能力，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力的考核。

5）應(yīng)加快腳步研究并制定煤礦機(jī)器人檢測(cè)檢驗(yàn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或檢驗(yàn)規(guī)范，對(duì)其技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、工作及貯存條件等進(jìn)行管控，推動(dòng)煤礦用機(jī)器人的研發(fā)更上一層。