煤科总院荣艺杰：煤矿机器人防爆结构轻量化与稳健化技术发展方向

2025年12月16日 16:32 智能矿山杂志责编：戚金荣作者：智能矿山杂志

摘要

煤矿机器人作业技术和防爆技术广泛应用，但煤矿井下场所存在爆炸性物质，当爆炸性物质与氧气的混合浓度处于爆炸极限范围内时，若存在爆炸源将会发生爆炸，因此需要防爆结构。煤矿机器人防爆结构质量大，导致机器人有效功率下降、性能受限，亟需研究防爆结构轻量化技术。针对加工误差与复杂矿区环境对防爆结构轻量化效果的不可控影响，提出融入稳健设计的优化方案。综述了防爆技术及结构轻量化研究现状，将兼具轻量化与稳健性的防爆结构协同设计方法。

文章来源：《智能矿山》2025年第11期“矿山机器人技术创新与实践特刊”

第一作者：荣艺杰，主要从事煤矿机器人机械设计工作。E-mail：1610836926@qq.com

作者单位：煤炭科学研究总院有限公司

引用格式：荣艺杰，王雷，徐瑶，等.煤矿机器人防爆结构轻量化与稳健化技术发展方向[J].智能矿山，2025，6(11)：82-85.

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煤矿井下作业环境的复杂性与管理环节的疏漏，粉尘积聚、瓦斯浓度超标等安全隐患长期存在，存在引发爆炸事故的风险。灾害事故发生后，井下空间常积聚大量易燃易爆气体（如瓦斯），且支护结构受损导致环境极不稳定。传统救援设备运行过程中产生的能量（如电火花、机械摩擦热），极易引燃爆炸性气体混合物，引发灾难性次生爆炸，严重威胁救援人员安全。因此，提升煤矿作业的安全性和效率是研究的重点。

防爆机器人可通过远程操控或自主作业替代人工深入危险区域，降低救援风险。随着机器人技术和防爆技术的发展，两者结合的煤矿防爆机器人在煤矿的应用，轻量化需求也逐渐显露。

防爆技术概述

1.1 防爆技术原理与标准

防爆技术通过工程控制阻断电气设备引燃危险物质。爆炸形成需同时满足3个关键要素：可燃性物质达到爆炸极限浓度、具备足够强度的点火源、助燃介质（通常为氧气）的持续供给。基于此原理，安全防控的核心策略为对任一要素实施精准干预，实现危险环境中的爆炸风险可控化。

为防止瓦斯、煤尘等可燃性物质引发的爆炸事故，保障矿工生命安全和煤矿基础设施稳定，减少因爆炸事故导致的生产中断和设备损坏。基于上述爆炸形成原理，国家制定了系列防爆标准，防爆设备分类见表1。

表1 防爆设备分类

根据爆炸性环境风险差异，设备防护级别划分为3级，根据不同的工作环境，设备保护等级（EPL）分类见表2。

表2 设备保护等级分类

（1）极高防护级别适用于高危爆炸区域，核心特征为多重冗余设计应对极端工况。除常规运行外，在突发气体泄漏时设备仍处于带电状态，或遭遇罕见复合型故障时，仍能确保不产生有效点火能量。

（2）高防护级别为设备具有足够的安全性，当设备处于正常作业状态或突发气体泄漏与系统断电过渡阶段时，电路能量释放始终低于可燃物最小点火阈值。

（3）一般防护级别面向低风险作业区，设备本体在标准工况下不产生引燃风险，通过结构强化或连锁保护装置，保证设备不会形成有效点燃。

1.2 外壳耐压试验与可靠性验证

为确保设备经受超压冲击后，壳体接合面无塑性变形且防爆结构完整性不受破坏，外壳耐压试验作为核心验证，第1步为参考压力测定阶段，通过在密闭外壳内注入规定的特定比例可燃气体混合物，参考压力见表3，采用多源点火装置触发爆燃，借助动态压力传感器捕捉爆炸压力峰值。

表3 参考压力与试验次数

根据GB/T3836爆炸环境文件，试验中需系统调整气体浓度、点火位置等变量，通过多次试验测试确定不同工况下的最大爆炸压力参数，为后续强度验证提供数据支撑。

在获得参考压力后，按照标准对设备施加1.5倍的参考压力，采用三维应变监测技术分析壳体形变特征，确保设备在极端工况下仍能维持几何稳定性与防爆性能。该试验体系通过压力参数标定与结构强度验证的双重机制，为不同防护等级设备建立了差异化的可靠性评估标准。

防爆轻量化在煤矿的技术及应用现状

2.1 防爆轻量化的意义

煤矿井下场景中，防爆机器人多采用电池供电模式以突破线缆束缚，扩展作业覆盖范围。金属壳体材料导致的结构性矛盾尤为突出。数据显示，防爆外壳质量通常占据整机质量60%以上，制约了设备负载能力与运动灵活性。为解决续航瓶颈，通过提升电池容量延长作业时长，但扩大电池模组体积，增加防爆壳体包裹面积，防爆结构质量大幅增长，形成恶性循环。

使用新型复合材料制造防爆外壳，优化设计防爆结构尺寸，在满足防爆性能前提下实现轻量化设计，打破传统方案中质量约束瓶颈。

2.2 防爆轻量化应用案例

围绕防爆技术轻量化的深入研究，在结构创新、参数优化等方面取得了许多成果。

（1）在结构创新方面，轻量化高吸能防爆复合结构，通过结合内凹型负泊松比蜂窝结构和传统正六边形蜂窝结构，实现了在保持结构强度的同时提高吸能性能；泄压装置防爆外壳减少防爆壁面厚度实现轻量化。

（2）在参数优化方面，轻量化设计矿用隔爆锂离子电源箱，通过薄板应力理论计算，确定壁厚以及加强肋间距，结合有限元仿真验证，在确保壳体抗爆性能达标的前提下，实现质量减轻与空间布局优化的双重目标。轻量化设计井下防爆巡检机器人，使用拓扑优化分析计算，根据分析结果重构零件，在满足防爆要求的条件下，2个零件分别减重33.9%和39.2%。利用正压型防爆结构简单、质量较小的特点，结合正压型与隔爆型，机器人主箱体正压型防爆研究，独立于主箱体的驱动电机的隔爆型防爆处理，使用拓扑优化轻量化设计主箱，实现了轻量化。

现有研究在轻量化设计上取得了一定成果，但实际应用中仍面临加工误差、环境扰动等挑战。为进一步提升轻量化设计的可靠性与适应性，需结合参数优化与稳健设计方法。

轻量化与稳健化协同设计技术

3.1 轻量化定义

煤矿方面防爆结构参数优化可快速、低成本地实现防爆结构轻量化，并且有较好的效果，稳健设计可保证轻量化水平的波动幅度小。轻量化现在没有完全明确的规定。每个机器人的功能要求不同，质量不同。轻量化不是指单纯的机器人质量降低，而是指质量相对的轻量化。

相同设计的机器人，相同质量下所能完成的工作、实现的指标越多，该机器人可定义为轻量化。目前轻量化没有具体的评价指标，可人为设定部分参数当作指标，包括使用功率密度、形变与质量的比值等衡量轻量化的水平。

3.2 DOE实验设计实现防爆结构轻量化

Isight作为多学科优化领域的标杆性工具平台，核心价值在于构建集成化工程优化生态系统。该平台将试验设计、近似建模、探索优化和6Sigma质量设计结合为整体，满足计算机自动化驱动CAE设计/仿真流程。

参数优化工程设计流程如图1所示，Isight建立分析模型，改动输入设计变量，利用软件分析模型，获得输出设计的目标变量，最终判定是否达到设计要求，Isight优化框架搭建，增强了迭代过程的自动化，并且支持灵活的集成方式，支持多级优化和多学科综合优化设计。

图1 参数优化工程设计流程

DOE实验设计首先需要保证均匀采样，通常使用的参数组合方法为参数试验、全因子设计、部分因子设计、正交数组、中心组合设计、Box-Behnken设计、拉丁超立方设计、最优拉丁超立方设计，选择合适的方法高效地减少试验次数，快速筛选出最优的设备配置和工艺方案，缩短研发周期、节省时间和资源。DOE试验设计深入剖析多因素间的相互作用，帮助设计师全面了解防爆结构中各参数的复杂联系，为防爆结构轻量化提供有力支持。

在防爆结构优化过程中，首先建立防爆结构模型、静力学分析，确定防爆结构的可改动结构参数以及约束，然后进行DOE试验设计，通过DOE的多目标优化技术，确定参数最优组合，使防爆性能达到最佳。

3.3 田口设计实现轻量化效果的稳健性

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图2 过程因子作用

田口稳健设计（TRD）是日本学者田口玄一提出的工程优化方法，通过参数优化实现产品性能的稳健性。该理论突破传统质量控制仅关注规格符合度的局限，强调以特性值与目标值的偏差程度作为质量评价标准，通过低成本元件与实验设计技术结合，在控制研发成本的同时提升产品品质。

田口方法设计过程分为系统设计、参数设计、容差设计。参数设计通过试验设计方法确定控制因子的最优组合，减弱系统对外部干扰因素的敏感性。过程因子作用如图2所示，通过调节可控因子与噪声因子的交互作用，增强系统稳健性。

在防爆结构轻量化技术中，多目标优化确定不考虑产品性能的参数组合。引入田口稳健设计是因为生产中存在误差，应用中面对不同工况，外界变化对产品的实际质量产生重大影响。

在田口稳健设计中，对多目标优化后的参数附近取值，引入噪声因子进行实验分析，实现防爆结构的稳健性，保证轻量化技术的实际生产与工作效果。煤矿机器人防爆结构的轻量化已经取得一定进展，引入田口稳健设计方法，实现轻量化结构鲁棒性的研究与实践仍相对匮乏。

结语

防爆结构在机器人质量中占比最大，直接影响机器人的运动性能、续航能力及作业效率。在推进轻量化的同时，亟需提升设计稳健性，应对煤矿井下复杂多变工况带来的不确定性。笔者提出融合DOE实验设计与田口稳健设计的方法体系，实现协同优化防爆结构的轻量化与稳健性。可以高效、低成本地实现防爆结构轻量化，并降低产品性能在实际应用环境中的质量波动，提升煤矿机器人整体性能与可靠性。

编辑丨李莎

审核丨赵瑞

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