煤矿机器人防爆外壳纤维复合增强材料研究与应用
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粒等纤维体.
安 徽 玄 离 XL JX 工 艺 流 程 和 制 作 方 法 完 全
采用自动化、无人 化、智 能 化、标 准 化 生 产,不
受传统纤 维 增 强 材 料 手 工 制 作 人 为 因 素 的 影 响.
安徽玄离井下巡检机器人的纤维增强 复 合 材 料 防
定能量满足不超过 ３２００ Wh 要 求. 采 用 金 属 防 爆
创新创业,力争尽快在煤矿机器人技术上有新的突
强体固结在一起并在增强体之间传递载荷;增强材
破,使煤矿实现 “少人则安、无人则安”.
根据 «关于矿用产品使用的锂离子蓄电池安全
标志管理意见» ,矿用 隔 爆 型 设 备 用 锂 离 子 蓄 电
[
２]
池电池组额定能量大于 ２００ Wh 时,应满足 «矿用
隔爆 (兼 本 安) 型 锂 离 子 蓄 电 池 电 源 安 全 技 术 要
料制成 [４].这一部分外壳容积的大小限制了机器人
产品 外 壳 的 多 样 性 选 择. 另 外, 防 爆 国 家 标 准
(
GB/T３８３６
１) 中 对 于 非 金 属 材 料, 只 介 绍 了 塑
料材质和弹性材料的基本要求,对于纤维及其复合
具有重要意 义.２０１９ 年 １ 月 ９ 日, 国 家 煤 矿 安 全
０ 引言
相对来 说, 井 工 煤 矿 井 下 人 员 集 中 且 人 数 较
多,研发应用于井下的煤矿机器人有利于减少井下
作业人数,降低安全风险及伤亡概率,提高生产效
率,减轻矿工 劳 动 强 度,对 推 动 煤 矿 智 能 化 建 设、
实现煤炭工业高质量发展、保障国家能源安全供应
成,外壳容积不大于 ２０００cm３ 时可采用非金属材
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第 ５０ 卷第 １ 期
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★ 科技引领 ★
引用格式:王海燕,张梅,代卫卫,等 煤矿机器人防 爆 外 壳 纤 维 复 合 增 强 材 料 研 究 与 应 用 [
J] 中 国 煤 炭,２０２４,
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是引导煤炭企业、科研机构、机器人制造企业和全
通常复合材料的组成包括基体和增强材料 ２ 个
监察局研究制定并发布了 «煤矿机器人重点研发目
人的功能提出了具体要求
.发布 «目录»的目的
[
１]
复合材料是由 ２ 种或 ２ 种以上不同属性的材料
原组成材料.
社会参与研发应用,把握煤矿安全需求重点,鼓励
部分,基体是复合材料中的连续相,其作用是将增
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基于此,从煤矿机器人外壳轻量化着手,减轻外壳
重量设计 和 整 机 重 量 设 计 十 分 必 要. 安 徽 玄 离 从
２０１９ 年开始 历 时 ４ 年 研 发、 设 计、 制 作 的 防 爆 外
壳通过了 防 爆 国 家 标 准 (
GB/T３８３６) 的 全 部 检
测,各项指标全部合格.
１ 纤维增强复合材料防爆外壳的研制
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２０２４ 年第 １ 期 中
国 煤 炭
第 ５０ 卷
防爆国家标 准 (
GB３８３６
２－２０１０) 要 求, 采
掘工作面 使 用 的 电 气 设 备 外 壳 采 用 钢 板 或 铸 铁 制
求» .安徽玄离智能 科 技 股 份 有 限 公 司 (以 下 简
[
３]
称 “安徽玄离”)所开发的煤矿机器人产品电池总
能量为 １０５６ Wh, 采 用 串 联 方 式 连 接, 电 池 组 额
料是复合材料中的承载主体,主要有碳纤维、玻璃
纤维、玄武岩纤维、硼纤维、芳纶纤维等有机纤维
和碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝及硬质细
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以安徽玄离生产的井下巡检机器人为例,满足
７h 同等续航条件下,安徽玄离采用的纤维增强复
合材 料 防 爆 外 壳 重 量 为 １２０ kg, 整 机 重 量 为
２２０kg, 如 果 采 用 金 属 防 爆 外 壳 的 重 量 约 为
１５００kg,整机重量为 ２０００kg.采 用 纤 维 增 强 复
合材料的 设 备 比 使 用 金 属 材 料 的 设 备 外 壳 重 量 轻
化 试 验 ,I类 电 气 设 备 耐 化 学 试 剂 试 验 、 非 金 属
材料外壳部件的表面电 阻 测 定、耐 燃 烧 试 验,火
焰烧 蚀 试 验 等 各 项 严 格 的 检 测, 全 部 符 合 相 关
标 准 [５].
２ 防爆外壳安全性控制研究
２
１ 防爆外壳分腔结构设计
防爆外壳作为巡检机器人行走机构和电器件的
下巡 检 机 器 人 的 防 爆 外 壳 . 对 可 做 煤 矿 机 器 人 防 爆 外 壳 的 纤 维 增 强 复 合 材 料 相 关 性 能 和
安全性控制进行了 深 入 研 究;巡 检 机 器 人 采 用 这 种 自 主 研 发 的 轻 量 化 复 合 增 强 材 料 后,
机 器 人 总 重 量 只 有 ２２０kg, 是 采 用 传 统 金 属 材 料 制 作 同 类 产 品 重 量 的 １/１０, 可 以 节 省
９０％ 以 上 的 设 备 制 造 成 本 , 并 可 大 幅 降 低 能 耗 , 从 而 增 加 了 续 航 时 间 , 进 一 步 提 升 了 产
品性能.
关键词 煤矿机器人;防爆外壳;复合增强材料;碳纤维;巡检机器人
中图分类号 TD６７ 文献标志码 A
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煤矿机器人防爆外壳纤维复合增强
材料研究与应用
王海燕１,张 梅２,代卫卫１,郭伟柱１,郭向东１
(
１
中煤华晋集团韩咀煤业有限公司,山西省临汾市,０４２１００;
增强材料可否用于井下没有相应规定.
录»(以下简称 “«目录»”),聚焦关键岗位、危
通过专门的成型工艺组合而成的机械工程材料,其
险岗位,重点研发应用掘进、采煤、运输、安全监
中每种组成材料可以根据性能要求进行调配,从而
控和救援 ５ 类 ３８ 种 煤 矿 机 器 人, 同 时 对 每 种 机 器
使复合材料满足不同性能要求,且综合性能要优于
载体,主要承载设备自身重量以及电气爆炸对壳体
内壁造成的压力,壳体受力变形对巡检机器人行走
及电器件运行的影响不大,而内部电器件起爆会造
成壳体破损开裂造成传爆,影响井下安全.
巡检机器人壳体总体设计思路是各功能模块单
独设置腔室,各腔室通过金属件连接,各腔室之间
王海燕等:煤矿机器人防爆外壳纤维复合增强材料研究与应用 ２０２４ 年第 １ 期
８０％ 左右,整 机 轻 ９０％ 左 右, 由 此 带 来 设 备 制 造
成本和使用成本的大幅降低.
８８
验 , 外 壳 耐 压 和 内 部 点 燃 不 传 爆 试 验 ,２００００h
安 徽 玄 离 XL JX 工 艺 流 程 和 制 作 方 法 完 全
采用自动化、无人 化、智 能 化、标 准 化 生 产,不
受传统纤 维 增 强 材 料 手 工 制 作 人 为 因 素 的 影 响.
安徽玄离井下巡检机器人的纤维增强 复 合 材 料 防
定能量满足不超过 ３２００ Wh 要 求. 采 用 金 属 防 爆
创新创业,力争尽快在煤矿机器人技术上有新的突
强体固结在一起并在增强体之间传递载荷;增强材
破,使煤矿实现 “少人则安、无人则安”.
根据 «关于矿用产品使用的锂离子蓄电池安全
标志管理意见» ,矿用 隔 爆 型 设 备 用 锂 离 子 蓄 电
[
２]
池电池组额定能量大于 ２００ Wh 时,应满足 «矿用
隔爆 (兼 本 安) 型 锂 离 子 蓄 电 池 电 源 安 全 技 术 要
料制成 [４].这一部分外壳容积的大小限制了机器人
产品 外 壳 的 多 样 性 选 择. 另 外, 防 爆 国 家 标 准
(
GB/T３８３６
１) 中 对 于 非 金 属 材 料, 只 介 绍 了 塑
料材质和弹性材料的基本要求,对于纤维及其复合
具有重要意 义.２０１９ 年 １ 月 ９ 日, 国 家 煤 矿 安 全
０ 引言
相对来 说, 井 工 煤 矿 井 下 人 员 集 中 且 人 数 较
多,研发应用于井下的煤矿机器人有利于减少井下
作业人数,降低安全风险及伤亡概率,提高生产效
率,减轻矿工 劳 动 强 度,对 推 动 煤 矿 智 能 化 建 设、
实现煤炭工业高质量发展、保障国家能源安全供应
成,外壳容积不大于 ２０００cm３ 时可采用非金属材
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引用格式:王海燕,张梅,代卫卫,等 煤矿机器人防 爆 外 壳 纤 维 复 合 增 强 材 料 研 究 与 应 用 [
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是引导煤炭企业、科研机构、机器人制造企业和全
通常复合材料的组成包括基体和增强材料 ２ 个
监察局研究制定并发布了 «煤矿机器人重点研发目
人的功能提出了具体要求
.发布 «目录»的目的
[
１]
复合材料是由 ２ 种或 ２ 种以上不同属性的材料
原组成材料.
社会参与研发应用,把握煤矿安全需求重点,鼓励
部分,基体是复合材料中的连续相,其作用是将增
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基于此,从煤矿机器人外壳轻量化着手,减轻外壳
重量设计 和 整 机 重 量 设 计 十 分 必 要. 安 徽 玄 离 从
２０１９ 年开始 历 时 ４ 年 研 发、 设 计、 制 作 的 防 爆 外
壳通过了 防 爆 国 家 标 准 (
GB/T３８３６) 的 全 部 检
测,各项指标全部合格.
１ 纤维增强复合材料防爆外壳的研制
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２０２４ 年第 １ 期 中
国 煤 炭
第 ５０ 卷
防爆国家标 准 (
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２－２０１０) 要 求, 采
掘工作面 使 用 的 电 气 设 备 外 壳 采 用 钢 板 或 铸 铁 制
求» .安徽玄离智能 科 技 股 份 有 限 公 司 (以 下 简
[
３]
称 “安徽玄离”)所开发的煤矿机器人产品电池总
能量为 １０５６ Wh, 采 用 串 联 方 式 连 接, 电 池 组 额
料是复合材料中的承载主体,主要有碳纤维、玻璃
纤维、玄武岩纤维、硼纤维、芳纶纤维等有机纤维
和碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝及硬质细
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以安徽玄离生产的井下巡检机器人为例,满足
７h 同等续航条件下,安徽玄离采用的纤维增强复
合材 料 防 爆 外 壳 重 量 为 １２０ kg, 整 机 重 量 为
２２０kg, 如 果 采 用 金 属 防 爆 外 壳 的 重 量 约 为
１５００kg,整机重量为 ２０００kg.采 用 纤 维 增 强 复
合材料的 设 备 比 使 用 金 属 材 料 的 设 备 外 壳 重 量 轻
化 试 验 ,I类 电 气 设 备 耐 化 学 试 剂 试 验 、 非 金 属
材料外壳部件的表面电 阻 测 定、耐 燃 烧 试 验,火
焰烧 蚀 试 验 等 各 项 严 格 的 检 测, 全 部 符 合 相 关
标 准 [５].
２ 防爆外壳安全性控制研究
２
１ 防爆外壳分腔结构设计
防爆外壳作为巡检机器人行走机构和电器件的
下巡 检 机 器 人 的 防 爆 外 壳 . 对 可 做 煤 矿 机 器 人 防 爆 外 壳 的 纤 维 增 强 复 合 材 料 相 关 性 能 和
安全性控制进行了 深 入 研 究;巡 检 机 器 人 采 用 这 种 自 主 研 发 的 轻 量 化 复 合 增 强 材 料 后,
机 器 人 总 重 量 只 有 ２２０kg, 是 采 用 传 统 金 属 材 料 制 作 同 类 产 品 重 量 的 １/１０, 可 以 节 省
９０％ 以 上 的 设 备 制 造 成 本 , 并 可 大 幅 降 低 能 耗 , 从 而 增 加 了 续 航 时 间 , 进 一 步 提 升 了 产
品性能.
关键词 煤矿机器人;防爆外壳;复合增强材料;碳纤维;巡检机器人
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l,２０２４,５０ (
１):８７－９２
DOI:
p
１０
１９８８０/
cnk
i
c
cm２０２４
０１
０１３
j
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煤矿机器人防爆外壳纤维复合增强
材料研究与应用
王海燕１,张 梅２,代卫卫１,郭伟柱１,郭向东１
(
１
中煤华晋集团韩咀煤业有限公司,山西省临汾市,０４２１００;
增强材料可否用于井下没有相应规定.
录»(以下简称 “«目录»”),聚焦关键岗位、危
通过专门的成型工艺组合而成的机械工程材料,其
险岗位,重点研发应用掘进、采煤、运输、安全监
中每种组成材料可以根据性能要求进行调配,从而
控和救援 ５ 类 ３８ 种 煤 矿 机 器 人, 同 时 对 每 种 机 器
使复合材料满足不同性能要求,且综合性能要优于
载体,主要承载设备自身重量以及电气爆炸对壳体
内壁造成的压力,壳体受力变形对巡检机器人行走
及电器件运行的影响不大,而内部电器件起爆会造
成壳体破损开裂造成传爆,影响井下安全.
巡检机器人壳体总体设计思路是各功能模块单
独设置腔室,各腔室通过金属件连接,各腔室之间
王海燕等:煤矿机器人防爆外壳纤维复合增强材料研究与应用 ２０２４ 年第 １ 期
８０％ 左右,整 机 轻 ９０％ 左 右, 由 此 带 来 设 备 制 造
成本和使用成本的大幅降低.
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验 , 外 壳 耐 压 和 内 部 点 燃 不 传 爆 试 验 ,２００００h