呼延曹婧，蔣大勇，賈 鵬

(1.武警工程大學(xué)， 西安 710086； 2.武警裝備部， 北京 100038)

為豐富排爆器材種類，提高排爆過(guò)程的安全性，本文結(jié)合前混合磨料水射流技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型排爆機(jī)器人，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)機(jī)械排爆方式的缺陷和不足[1-4]。該款排爆機(jī)器人在切割時(shí)無(wú)需移動(dòng)爆炸物，依托自身動(dòng)力和水源便可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)排爆，切割過(guò)程安全、迅速，對(duì)人員的操作水平要求低，可在安全距離外遙控完成對(duì)爆炸物的銷毀，在使其喪失爆炸威力的前提下盡可能保留原貌，以利于后續(xù)偵破工作的開(kāi)展。本文研究了排爆機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、部件選型與相關(guān)切割試驗(yàn)，為排爆機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

1 機(jī)器人整體設(shè)計(jì)

該排爆機(jī)器人主要包括手持遙控器、機(jī)架(1)、行走與執(zhí)行機(jī)構(gòu)(2)、機(jī)箱(3)、磨料水射流發(fā)生裝置(4)和控制系統(tǒng)(5)等部件，其外型與結(jié)構(gòu)如圖1所示。

行走與執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括履帶式行走機(jī)構(gòu)(含左、右側(cè)行走履帶和電機(jī))和機(jī)械臂式執(zhí)行機(jī)構(gòu)(含X、Y、Z三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和噴嘴)；磨料水射流發(fā)生裝置主要包括高壓柱塞泵、磨料罐、蓄水罐和汽油機(jī)；控制系統(tǒng)主要包括控制站微機(jī)系統(tǒng)、紅外發(fā)射、紅外接收、車載微機(jī)系統(tǒng)、無(wú)刷直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。

圖1 排爆機(jī)器人的外形與結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 行走與執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1) 履帶式行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照總體設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人自重150 kg，履帶寬度20 cm，行走機(jī)構(gòu)可以翻越14°的障礙物。根據(jù)轉(zhuǎn)軸與斜面傾角之間的關(guān)系，轉(zhuǎn)矩不斷增大時(shí)，可翻越坡度不斷增大。因此在轉(zhuǎn)軸、自重、履帶寬度和驅(qū)動(dòng)功率等參數(shù)確定的前提下，經(jīng)過(guò)計(jì)算[5-6]，履帶前角為52.2°。其總體設(shè)計(jì)采用左右行走機(jī)構(gòu)對(duì)稱布置，主要包括電機(jī)、減速器模塊、內(nèi)外側(cè)板以及履帶模塊上的尾部支撐輪。由硬質(zhì)鋁合金制造內(nèi)外側(cè)板用于支撐行走機(jī)構(gòu)。履帶采用定制的齒形同步傳動(dòng)帶，其優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，效率較高，加工較容易。采用CAD/CAM軟件進(jìn)行三維實(shí)體造型和參數(shù)化設(shè)計(jì)，通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)變量驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)尺寸的變化，縮短設(shè)計(jì)周期。利用仿真和動(dòng)力學(xué)分析確定結(jié)構(gòu)方案，達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 履帶式行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

2) 機(jī)械臂式執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械臂的執(zhí)行能力是排爆機(jī)器人是否具有較強(qiáng)作業(yè)能力的關(guān)鍵體現(xiàn)[7]。該排爆機(jī)器人的機(jī)械臂設(shè)計(jì)質(zhì)量約20 kg，用于固定噴頭和連接高壓出水管，其中噴嘴的進(jìn)水口通過(guò)高壓輸水管與磨料罐的出水口連接。采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)可實(shí)施X、Y、Z三個(gè)軸向的切割作業(yè)，其顯著的優(yōu)點(diǎn)在于快速啟停能力。負(fù)荷在步進(jìn)電機(jī)提供的最大動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值之內(nèi)，就能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的快速啟動(dòng)和反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)換精度高，正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)控制靈活。機(jī)械臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 機(jī)械臂式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

3) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)與動(dòng)力源設(shè)計(jì)

直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速平滑、調(diào)整范圍廣、過(guò)載能力強(qiáng)，可以頻繁的無(wú)極快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，能滿足生成過(guò)程自動(dòng)化的系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行的基本要求[8]。其中，合適的尺寸和功率、電機(jī)的熱容限、防止電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)過(guò)熱是選擇直流電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的關(guān)鍵指標(biāo)。直流無(wú)刷電機(jī)型號(hào)選擇西安驪山電子總廠的LS70BL3A90-C30，驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為BL03-36-08，采用定頻調(diào)寬法對(duì)PWM波進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制車體運(yùn)動(dòng)速度的目的。電源由3塊12 V的鋰電池串聯(lián)組成，36 V的總電源負(fù)責(zé)直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的供電。

4) 攝像機(jī)及云臺(tái)設(shè)計(jì)

一個(gè)全方位觀察能力的攝像機(jī)是排爆機(jī)器人的偵查系統(tǒng)中關(guān)鍵點(diǎn)[9]，應(yīng)具有垂直120～150°、水平360°的旋轉(zhuǎn)功能并具有變焦放大圖像功能。攝像機(jī)需要通過(guò)二自由度云臺(tái)進(jìn)行搭載，其通常安裝在機(jī)器人后部，以便通過(guò)復(fù)雜地形實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.2 磨料水射流發(fā)生裝置設(shè)計(jì)

1.2.1系統(tǒng)組成與運(yùn)行方式

磨料水射流發(fā)生裝置的組成包括壓力部分、磨料部分、內(nèi)部控制部分等主要部件，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇給水方式，可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)水射流的流量、含沙量、壓力和噴嘴行進(jìn)的速度等參數(shù)。其工作原理如圖4所示。

1.過(guò)濾器; 2.高壓柱塞泵; 3.安全閥; 4.調(diào)壓閥; 5.壓力表; 6.單向閥; 7.磨料罐; 8.噴嘴

圖4 磨料水射流發(fā)生裝置工作原理示意圖

壓力部分包括蓄水罐、水箱、直列式臥式三柱塞泵、固定底座、進(jìn)出水控制閥、壓力表、調(diào)壓溢流閥等，水箱配有液位計(jì)，可外接水源；柱塞泵站安裝調(diào)壓閥和安全閥，實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)和方便調(diào)壓，其調(diào)壓范圍為10～50 MPa。磨料部分包括壓力罐、噴嘴、磨料濃度調(diào)節(jié)閥、磨料罐底座、高壓進(jìn)出水口、卸荷閥、排氣泄壓閥等，磨料濃度調(diào)節(jié)閥可進(jìn)行磨料濃度的調(diào)節(jié)，關(guān)閉后可形成純水射流。發(fā)動(dòng)機(jī)、啟動(dòng)手柄、功率匹配器、燃油開(kāi)關(guān)等構(gòu)成了內(nèi)部控制系統(tǒng)。其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1所示。

使用前，加裝80～100目專用磨料至磨料罐罐體的2/3處，再打開(kāi)磨料罐上端旋蓋上的卸壓閥卸壓，然后旋下旋蓋進(jìn)行加裝。裝滿后清理旋口邊緣，關(guān)閉卸壓閥等待啟動(dòng)。啟動(dòng)后，泵站向工作系統(tǒng)提供壓力水，磨料系統(tǒng)由壓力水通過(guò)發(fā)生裝置即可調(diào)制出具有一定濃度的磨料漿體，通過(guò)高壓膠管送至噴嘴噴出，形成磨料射流用于切割。

表1 泵站其主要技術(shù)指標(biāo)

1.2.2關(guān)鍵組件設(shè)計(jì)

磨料水射流發(fā)生裝置中除罐體和噴嘴外，其他均為成品選型部件。其中，磨料罐體采用碳纖維材質(zhì)，需計(jì)算其有效載荷和容積；噴嘴采用紅寶石材質(zhì)，需計(jì)算外接管道直徑和噴嘴直徑，二者均為磨料水射流發(fā)生裝置的關(guān)鍵設(shè)計(jì)組件。

1) 筒體壁厚校核

壁厚可按中厚壁壓力容器計(jì)算，外徑設(shè)計(jì)D=230 mm，內(nèi)徑設(shè)計(jì)d=190 mm。

δ=pd/(2.3[σ])=17.1 mm

式中：p為設(shè)計(jì)壓力，40 MPa；[σ]為碳纖維許用應(yīng)力，196 MPa。

實(shí)際筒體壁厚：

δs=(D-d)/2=20 mm，δs-δ=2.9 mm

結(jié)論：筒體壁有2.9 mm腐蝕裕量，滿足強(qiáng)度條件。

2) 磨料罐容積的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)連續(xù)切割時(shí)間10 min以上，根據(jù)常用工況條件，計(jì)算并確定磨料罐容積可得

V=Vx/η=16.7 L

式中：η為磨料罐容積利用系數(shù)，0.9；Vx為磨料罐有效容積，

Vx=NQt/[(1-N)γ]

設(shè)計(jì)磨料重度γ=2 kg/L，磨料濃度N=25%，射流水流量Q=12 L/min，且滿足切割時(shí)間t=30 min時(shí)

Vx=15.7 L

結(jié)論：磨料罐的容積按16 L設(shè)計(jì)。

3) 確定管道內(nèi)徑

設(shè)計(jì)磨料平均粒徑0.25 mm，漿體質(zhì)量濃度50%～60%時(shí)，磨粒不沉降流速(壓力管道臨界流速)v>2.2 m/s；當(dāng)p>21 MPa時(shí)，v<6 m/s，由此推薦的經(jīng)濟(jì)流速vs=6 m/s。

計(jì)算并確定管道內(nèi)徑：

d=(4Q/πvs)1/2

結(jié)論：管道內(nèi)徑按23 mm設(shè)計(jì)。

4) 噴嘴直徑設(shè)計(jì)

作為射流的執(zhí)行元件，噴嘴的設(shè)計(jì)尤為重要。對(duì)高壓水的收斂性能和加速最好的噴嘴是傾角為30°的圓錐收斂型噴嘴。噴嘴的直徑則取決于壓力和流量，以及比值、收縮角和兩個(gè)曲率半徑的綜合作用，由小孔出流基本理論[7]，可推導(dǎo)出：

式中：φ1為流速系數(shù)；ρ為水的密度。對(duì)于磨料射流，設(shè)計(jì)初選噴嘴直徑為：

式中：φ2為綜合系數(shù)，φ2=2。

結(jié)論：噴嘴直徑按0.9 mm選擇。

1.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行原理

根據(jù)排爆距離要求，該排爆機(jī)器人采用無(wú)線輔以紅外方式遙控設(shè)計(jì)，控制距離≤80 m。同時(shí)采用計(jì)算機(jī)輔助遙控(CAT)方式來(lái)控制車體，包括控制站微機(jī)系統(tǒng)、車載微機(jī)系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)連接如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)連接框圖

控制站微機(jī)系統(tǒng)通過(guò)串口將指令傳送至上位機(jī)紅外發(fā)射裝置，紅外脈沖發(fā)射由需要傳輸?shù)男盘?hào)經(jīng)數(shù)字化后，進(jìn)行基帶、傳輸調(diào)制，用電信號(hào)驅(qū)動(dòng)電光變換電路完成發(fā)射過(guò)程。車載微機(jī)系統(tǒng)中的紅外接收器部分實(shí)現(xiàn)光電變換，接收到的載波頻率為38 kHz的脈沖調(diào)制紅外光信號(hào)通過(guò)紅外光敏元件轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由前放大器和自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行放大處理，由解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)濾波后的信號(hào)。最后通過(guò)解調(diào)后的信息利用STC89C52實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的控制，最終利用對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制實(shí)現(xiàn)排爆機(jī)器人動(dòng)作。

1.4 整體裝配及基本性能測(cè)試

最后將履帶式行走機(jī)構(gòu)、磨料水射流發(fā)生裝置和控制系統(tǒng)進(jìn)行組合，完成排爆機(jī)器人的裝配工作，如圖6所示。

圖6 排爆機(jī)器人

其中，履帶式行走機(jī)構(gòu)包括用于帶動(dòng)左側(cè)行走履帶行走的左側(cè)行走電機(jī)和用于帶動(dòng)右側(cè)行走履帶行走的右側(cè)行走電機(jī)；水射流發(fā)生裝置包括高壓柱塞泵以及控制系統(tǒng)裝置中的X、Y、Z軸運(yùn)動(dòng)電機(jī)，用于帶動(dòng)噴頭執(zhí)行切割作業(yè)；機(jī)箱內(nèi)與遙控器無(wú)線連接并通信的控制器，包括電壓轉(zhuǎn)換電路與電瓶的輸出端連接、微控制器和與微控制器相接，用于連接遙控器的串口通信模塊；微處理器型號(hào)為單片機(jī)U2，用于連接串口通信模塊的串口接口，可滿足傳輸距離要求。

在完成裝配和調(diào)試后，對(duì)該排爆機(jī)器人整體的體積和質(zhì)量進(jìn)行了精確測(cè)量，并按照集成智能行走、紅外與無(wú)線遠(yuǎn)距離控制和流體力學(xué)研究等多項(xiàng)技術(shù)的測(cè)試條件(前混合磨料水射流的切割性能在第2節(jié)單獨(dú)測(cè)試)，對(duì)包括行進(jìn)控制、執(zhí)行控制、圖像傳輸和水力壓強(qiáng)切割力等多種動(dòng)作進(jìn)行了逐一測(cè)試，結(jié)果證明該排爆機(jī)器人能夠在復(fù)雜環(huán)境下發(fā)揮作用，其基本技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2所示。

表2 排爆機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)

2 切割試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該部分主要測(cè)試排爆機(jī)器人的切割能力和過(guò)程中的安全性能，通過(guò)設(shè)計(jì)3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的試驗(yàn)，分別測(cè)量切割能力(速度)，切割作業(yè)溫度和切割時(shí)的靜電電壓，其試驗(yàn)條件見(jiàn)表3所示。經(jīng)試切割試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)出口壓力達(dá)到30 MPa時(shí)，機(jī)器人可以對(duì)45#鋼板實(shí)施有效切割，為提高試驗(yàn)效率同時(shí)降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，將3種試驗(yàn)中的出口壓力均固定為40 MPa。首先將噴頭對(duì)準(zhǔn)被切割物體，驅(qū)動(dòng)高壓泵，當(dāng)泵壓達(dá)到工作壓力后，打開(kāi)磨料罐下端的磨料截止閥，5～8 s后，磨料射流可到達(dá)噴頭并由噴嘴射出。啟動(dòng)按鈕，噴頭按照設(shè)定的速度切割。結(jié)束切割或達(dá)到最高時(shí)限10 min后，關(guān)閉磨料截止閥，清洗高壓膠管中的磨料，5～8 s后關(guān)閉排爆機(jī)器人。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1切割能力(速度)測(cè)試

假設(shè)爆炸物的外殼材質(zhì)為45#鋼板，在排爆過(guò)程中需要將外殼完全切透才能對(duì)內(nèi)部的裝藥進(jìn)行處理。當(dāng)切割的鋼板厚度為6 mm時(shí)，測(cè)量出的切割速度為47 mm/min；在20 mm厚的鋼板上取3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行穿透試驗(yàn)，穿透時(shí)間分別為181 s，188 s，175 s，平均時(shí)間為181.3 s。

表3 切割試驗(yàn)條件

由結(jié)果可知，壓力和流量是影響排爆機(jī)器人切割性能的敏感參數(shù)，要想獲得較短的噴射時(shí)間和較大的出口速度，應(yīng)當(dāng)有較大的初始?jí)毫蛘咻^小的初始水量。磨料水射流在低壓力下仍具有較強(qiáng)的切割能力，可以在較短時(shí)間內(nèi)穿透常見(jiàn)爆炸物的硬質(zhì)外殼，軟質(zhì)外殼的效果更佳。

2.2.2切割作業(yè)溫度

爆炸物中的主裝藥和起爆裝置均屬于易燃易爆的危險(xiǎn)化學(xué)品，采用前混合磨料水射流處理需要事先解決切割全程的安全性問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題提出如下解決假設(shè)：發(fā)生熱起爆和靜電起爆的可能性是切割過(guò)程中要考慮的重要因素。通過(guò)紅外熱像儀，當(dāng)射流壓力作用于界面時(shí)，通過(guò)比較表面溫升變化與爆炸物的臨界溫度來(lái)進(jìn)行安全性判斷。試驗(yàn)記錄了1 min內(nèi)被切割鋼板和磨料水射流區(qū)域的升溫變化，如圖7所示。

根據(jù)切割作業(yè)過(guò)程的紅外熱圖分析，在切割作業(yè)過(guò)程中，磨料水射流沖擊溫度最高為38.1 ℃，溫差為13.4 ℃，遠(yuǎn)小于常見(jiàn)爆炸物的爆發(fā)點(diǎn)[10-11]，因此不會(huì)引發(fā)熱起爆。由此可知，磨料水射流具有較強(qiáng)的降溫作用和火花湮滅功能，常見(jiàn)爆炸物在此溫度下被切割應(yīng)處于安全狀態(tài)。

2.2.3切割起電電位

試驗(yàn)對(duì)切割前后噴嘴和鋼板切割部位的電位進(jìn)行測(cè)量，判斷靜電影響程度。首先測(cè)量被切割鋼板的起點(diǎn)電位為60 V，再測(cè)量噴頭的起點(diǎn)電位均小于10 V，此時(shí)鋼板與潮濕的水泥地相接觸。操作人員在切割現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)穿著防靜電服和防靜電鞋，按防靜電有關(guān)要求進(jìn)行操作。

圖7 切割過(guò)程的紅外熱圖及溫度變化曲線

在排爆機(jī)器人切割鋼板的整個(gè)過(guò)程中，由于切割噴頭與被切割鋼板的起點(diǎn)電位都小于100 V。由表4可知[12]，該電位下的靜電能量無(wú)法引爆常見(jiàn)爆炸物。試驗(yàn)表明基于前混合磨料水射流切割技術(shù)的排爆機(jī)器人排爆過(guò)程安全、高效、可靠。

表4 典型爆炸物的經(jīng)典電火花感度

3 結(jié)論

1) 排爆機(jī)器人整體設(shè)計(jì)科學(xué)，結(jié)構(gòu)緊湊。行走與執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括履帶式行走機(jī)構(gòu)和機(jī)械臂式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，磨料水射流發(fā)生裝置包括蓄水罐、高壓柱塞泵、磨料罐和汽油機(jī)等部件，控制系統(tǒng)包括電壓轉(zhuǎn)換電路、微控制器、通信模塊等部件，以上部件能夠滿足排爆的預(yù)定任務(wù)需要。

2) 排爆機(jī)器人充分利用前混合磨料水射流技術(shù)壓力低，能耗小的特點(diǎn)，在保證安全的前提下能夠滿足常見(jiàn)爆炸物的切割作業(yè)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)可得，在磨料水射流壓力達(dá)到40 MPa 以上、水流量達(dá)到12 L/min，切割速度達(dá)到47 mm/min的條件下，可以切割6 mm厚45#鋼板的，20 mm厚鋼板的穿孔平均時(shí)間為181.3 s，被切割物體的溫升和靜電變化在切割過(guò)程中均在安全范圍內(nèi)。

3) 排爆機(jī)器人自帶動(dòng)力與水源，機(jī)動(dòng)性好，抗干擾能力強(qiáng)，能在多種復(fù)雜環(huán)境下快速、高效、安全的完成設(shè)定的反恐排爆任務(wù)，可達(dá)到“戰(zhàn)時(shí)排爆，平時(shí)處廢”的目標(biāo)。這對(duì)于避免災(zāi)難發(fā)生、挫敗恐怖陰謀、挽救人民生命財(cái)產(chǎn)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，具有廣闊的軍事和社會(huì)效益。