掘進機鏡面清掃裝置除塵刷合理工作參數研究

　　摘 要: 礦井掘進工作面作業環境差，因粉塵濃度高、潮濕，掘進期間煤泥極易粘附于鏡面上。基于此，文章提出一種掘進機攝像儀鏡面清掃裝置。此裝置通過噴嘴吹掃和除塵刷清掃相結合的方法，迫使煤泥脫落。為獲得除塵刷合理工作參數，特開展現場試驗研究，試驗結果證明: 當鐵皮安裝螺距 s 取 8 mm、刷毛絲徑 d 取 0.2 mm、鏡面壓縮量△d 取 2.6～ 5.3 mm 時，除塵刷除塵效果最好。

　　關鍵詞: 掘進機; 攝像儀鏡面清掃; 刷毛絲徑; 煤泥清除率; 合理工作參數

　　李振東， 煤 發表時間：2021-10-11

　　隨著煤炭開采技術的快速發展，掘進技術得到迅猛突破，同時隨著國家煤礦智能化建設步伐的加快，按照人少則安的原則，掘進面無人化掘進已逐步提上日程。為達到這一目標，需要掘進機能夠自主識別掘進面的環境[1]，這就需要攝像儀替代掘進機司機來甄別作業環境[2-3]。由于掘進工作面作業條件惡劣、粉塵濃度高、潮濕等造成掘進機割煤期間煤泥極易聚集在攝像儀鏡面上[4-5]，若由工人進行現場清潔將會阻礙智能化掘進工作的進展，所以急需一種掘進機攝像儀鏡面清掃裝置。

　　我國科研工作者為此開展了大量的研究。胡而已等[6]研究出一種揭膜式鏡頭除塵技術，其可結合圖像質量判定當積塵增大時通過三叉戟鉤爪揭開防塵膜，而由于受到揭膜次數的限制，難以達到鏡頭自動清潔的要求; 劉光輝等[7]將清潔頭安設于步進電動機轉子內，控制步進電動機實現清潔攝像頭鏡面污漬，但因步進電動機結構復雜、體積龐大、安裝非常不便; 蘭熙等[8]設計了攝像頭自動清洗裝置，現場解決了部分除塵問題，但采用清潔液與雨刷相結合的方式易發生二次污染，另外此裝置結構較復雜、不便于維護保養; 丁振華等[9]研發出一種礦下風水組合沖洗攝像頭的除塵裝置，此設備的問題是，當作業環境中粉塵濃度高、濕度大時，水汽與粉塵結合后易粘附在攝像儀鏡面上; 張福明等[10]自主研發一種監控攝像機視窗自動清潔裝置，借助所搜集的能見度數據分析判定視窗的干凈程度，達到自動快速除塵的目的，而由于礦井掘進面粉塵濃度高，依據能見度來實現自主清潔時，很容易判斷失誤。

　　針對以上難題，本文引入噴嘴吹掃與除塵刷清掃相結合技術[11-12]，設計一種掘進機攝像儀鏡面清掃裝置，利用現場試驗、數據分析，依據清掃效果得到除塵刷的合理工作參數。

　　1 清掃裝置工作原理

　　掘進機攝像儀鏡面清掃裝置的原理為利用噴嘴吹掃攝像儀鏡面，把粘附在鏡面上的煤泥雜質吹干，接著轉臺工作牽引氣動馬達轉動到鏡面中部( 即鏡頭所處區域) ，氣動馬達開始旋轉，牽引除塵刷轉動執行鏡面清掃任務。在清掃階段，由于除塵刷刷毛受到擠壓作用，在鏡面形成摩擦力，處于鏡面上的煤泥受外力作用被去除[13-15]，清掃裝置結構如圖 1 所示，具體工作參數見表 1。

　　2 除塵刷工作參數

　　結合鏡面清掃裝置工作原理，掘進機攝像儀鏡面上的煤泥清潔效果由除塵刷工作參數決定。除塵刷結構為滾筒式，通過植毛機把刷毛鑲嵌在鐵皮內部，按照一定螺距將鐵皮焊接于除塵輥。當除塵刷轉動至鏡面中部時，除塵刷與鏡面的相對位置見圖 2。

　　式中: △d 為除塵刷刷毛相對攝像儀鏡面的壓縮量( 即鏡面壓縮量) ，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; △ds 為除塵刷刷毛相對攝像儀外殼端面的壓縮量( 即端面壓縮量) ，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 采用公式( 3) ～ ( 5) 計算: ns = Ltα ( 3) Lt =HL /s ( 4) L = ( πDg ) 2 槡 +s 2 ( 5) 式中: Lt 為鐵皮長度，mm; α 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。

　　除塵刷的工作參數由 3 個重要參數組成: 鏡面壓縮量△d、刷毛絲徑 d 以及鐵皮安裝螺距 s。在其他各條件不變時，鏡面的清掃效果與除塵刷工作參數之間的關系為[11]: 當鏡面壓縮量△d 升高時，刷毛和鏡面產生的摩擦力增大，清掃效果良好; 當刷毛絲徑 d 增大，刷毛硬度增強，刷毛和鏡面產生的摩擦力增大，清掃效果良好; 當鐵皮安裝螺距 s 減小，單位面積上作用于鏡面的刷毛數量增多，清掃效果良好。但由于除塵刷自身工作參數限制，在轉臺轉動時，攝像儀外殼對除塵刷產生的作用力過大，使得轉臺難以轉到預定區域，導致除塵效果不佳，所以需進一步開展試驗研究除塵刷的合理工作參數。

　　3 現場試驗

　　為獲得除塵刷合理的工作參數，構建掘進機攝像儀鏡面清掃裝置試驗平臺，分析除塵刷在不同工作參數下的清掃效果。所用的試驗物品主要有: ① 選用開口角度 110°的 11008 型噴嘴; ②挑選型號不同的除塵刷，要求除塵刷外徑 Dm 均達到 60 mm，但刷毛絲徑 d 和鐵皮安裝螺距 s 不同，刷毛材質選用 PP 復合絲，表面絕緣電阻要求在 104 ～ 106 Ω 范圍，在刷毛內需要鑲嵌抗靜電材料，以杜絕靜電電荷大面積聚集; ③選用 80 目煤粉; ④選用攝像儀的鏡面直徑要達到 38 mm、鏡面中心直徑要達到 16 mm。

　　試驗步驟如下: ①首先把煤粉和水按照一定比例( 15 g 煤粉和 5 g 水) 均勻攪拌成煤泥，在攝像儀鏡面進行涂抹; ②啟動噴嘴開始吹掃 45 s; ③測量除塵刷鏡面壓縮量△d 及端面壓縮量△ds; ④啟動氣動馬達牽引除塵刷執行清掃 20 s; ⑤測量鏡面上的剩余煤泥質量。除塵刷在清掃前后攝像儀鏡面煤泥情況如圖 3 所示。從圖 3 發現: 鏡面清掃裝置吹掃結束之后，處于攝像儀鏡面中心的煤泥基本被完全去除。然而因攝像儀鏡面存在擋圈，除塵刷刷毛工作區域受到阻擋，難以清掃擋圈的上方區域，因此在擋圈上部仍遺存少許煤泥。

　　為進一步衡量清掃裝置對鏡面的清掃效果，引入煤泥清除率 K、攝像儀鏡面中心煤泥清除率△K1 這兩個性能檢驗指標: K =W-Q W ×100% ( 6) K1 = W-Q1 W ×100% ( 7) 式中: W 為清掃前鏡面煤泥質量，g; Q 為清掃后鏡面殘余煤泥質量，g; Q1 為清掃后鏡面中心處殘余煤泥質量，g。在鐵皮安裝螺距 s 取 8 mm 的條件下，刷毛絲徑 d、鏡面壓縮量△d 及端面壓縮量△ds 不同時清除率的試驗結果具體見表 2。

　　由表 2 得到，在刷毛絲徑 d 保持不變時，鏡面壓縮量△d 和端面壓縮量△ds 增大，鏡面中心煤泥清除率 K1 升高，然而當端面壓縮量△ds 增大至一定值時，攝像儀外殼將除塵刷卡住，難以清掃攝像儀鏡面; 在鏡面壓縮量△d 和端面壓縮量△ds 相同時，刷毛絲徑 d 增加，鏡面中心煤泥清除率 K1 升高。在刷毛絲徑 d 取 0.2 mm、鏡面壓縮量△d 取 2.6～ 5.3 mm 時，煤泥清除率 K 均超過 90%，鏡面中心煤泥清除率 K1 達到 100%; 然而當刷毛絲徑 d 取0.3 mm、僅在鏡面壓縮量△d 取 2.6 ～ 3.5 mm 時，煤泥清除率 K 均超過 90%，鏡面中心煤泥清除率 K1 才 會 達 到 100%; 當鏡面壓縮量△d 取 0.5 mm 和端面壓縮量 △ds 取 4.5 mm，刷毛絲徑 d 由 0.2 mm 增到 0.3 mm，鏡面中心煤泥清除率 K1 僅僅增大1.2%; 當刷毛絲徑 d 取 0.4 mm 時，因除塵刷的刷毛硬度較大，難以完成清掃任務。因此可得到除塵刷的合理工況點為鐵皮安裝螺距 s 取 8 mm、刷毛絲徑 d 取 0.2 mm、鏡面壓縮量△d 取 2.6～5.3 mm 時，除塵刷除塵效果最好。

　　在鐵皮安裝螺距 s 取 5 mm 的條件下，刷毛絲徑 d、鏡面壓縮量△d 和端面壓縮量△ds 不同時清除率的試驗結果見表 3。

　　由表 3 發現: 當刷毛絲徑 d 取 0.1 mm、鏡面壓縮量△d 取 0.5 mm 時，除塵刷能執行清掃任務，煤泥清除率 K 達到 73.9%，鏡面中心煤泥清除率 K1 達到 81.4%，比鐵皮安裝螺距 s 取 8 mm 時要高，但是達不到鏡面清掃標準; 當 刷 毛 絲 徑 d 分 別 取 0.2 mm、0.3 mm 和 0.4 mm 時，在端面壓縮量△ds 取最小值條件下，攝像儀外殼將除塵刷卡住，難以開展清掃任務，原因是鐵皮安裝螺距 s 太低，使得刷毛數量太高。

　　4 結 語

　　鏡面清掃裝置的工作方式為通過噴嘴吹掃與除塵刷清掃的手段，迫使粘結于鏡面上的煤泥風化去除。現場試驗結果證明: 除塵刷的合理工況點為鐵皮安裝螺距 s 取 8 mm、刷毛絲徑 d 取 0.2 mm、鏡面壓縮量△d 取 2.6～5.3 mm 時，煤泥清除率 K 超過 90%，鏡面中心煤泥清除率 K1 達到 100%，除塵刷除塵效果最好。