董孟陽(yáng)

(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司， 山西 太原 030006；2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司， 山西 太原 030006；3.煤礦采掘機(jī)械裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030006)

0 引言

煤礦掘進(jìn)工作面無(wú)人化開(kāi)采的實(shí)現(xiàn)需要掘進(jìn)裝備具有觀察工作面環(huán)境的功能[1]，使用攝像儀代替人員進(jìn)行環(huán)境觀察是基本條件之一[2-3]。掘進(jìn)工作面具有粉塵大、濕度高的特點(diǎn)，掘進(jìn)裝備工作時(shí)煤泥容易將攝像儀鏡面遮蓋[4-5]，如果由人工擦拭清潔勢(shì)必會(huì)影響工作面無(wú)人化發(fā)展，因此掘進(jìn)裝備攝像儀鏡面自動(dòng)清潔成為亟待解決的問(wèn)題。

蘭熙等[6]、高超[7]設(shè)計(jì)了攝像頭自動(dòng)清洗裝置，但清潔液配合雨刷的方式容易造成二次污染，且裝置復(fù)雜，維護(hù)困難；胡而已等[8]提出了一種揭膜式鏡頭除塵方法，根據(jù)圖像質(zhì)量判斷粉塵過(guò)多后由三叉戟鉤爪將防塵膜揭開(kāi)，但揭膜次數(shù)的限制導(dǎo)致部分工況下無(wú)法滿足鏡頭自動(dòng)清潔的需要。丁振華等[9]設(shè)計(jì)了一種礦下風(fēng)水組合沖洗攝像頭的除塵裝置，但在掘進(jìn)工作面高粉塵環(huán)境中，水的存在更容易使攝像儀鏡面粘附煤泥。劉光輝等[10]在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)設(shè)置清潔頭，通過(guò)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭表面污漬的清潔，但步進(jìn)電動(dòng)機(jī)體積大，不便于安裝。張福明等[11]設(shè)計(jì)了一種防爆監(jiān)控?cái)z像機(jī)視窗自動(dòng)清潔裝置，通過(guò)采集的能見(jiàn)度數(shù)值判斷視窗清潔程度，實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)除塵，但掘進(jìn)工作面粉塵大，根據(jù)能見(jiàn)度控制自主清潔易發(fā)生誤判。針對(duì)上述問(wèn)題，本文采用噴嘴吹掃與除塵刷清掃相結(jié)合的方式，研制了一種掘進(jìn)裝備攝像儀鏡面清掃裝置，通過(guò)試驗(yàn)研究了除塵刷不同工作參數(shù)對(duì)清掃效果的影響。

1 裝置原理

掘進(jìn)裝備攝像儀鏡面清掃裝置如圖1所示，其工作原理：噴嘴進(jìn)行吹掃將粘附在攝像儀鏡面上的煤泥吹干，轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)氣動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)到攝像儀鏡面中心(即攝像儀鏡頭所在位置)處，氣動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)除塵刷進(jìn)行旋轉(zhuǎn)清掃過(guò)程中，除塵刷與攝像儀鏡面之間的刷毛被擠壓，刷毛與鏡面之間產(chǎn)生摩擦力，粘附在攝像儀鏡面上的煤泥受力脫離。

圖1 掘進(jìn)裝備攝像儀鏡面清掃裝置Fig.1 Tunneling equipment camera mirror cleaning device

轉(zhuǎn)臺(tái)最大轉(zhuǎn)矩為0.7 N·m，氣動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速為900 r/min。轉(zhuǎn)臺(tái)、氣動(dòng)馬達(dá)和噴嘴均由空氣壓縮機(jī)提供壓縮空氣(壓力范圍為0.6～0.8 MPa)，空氣壓縮機(jī)流量為140 L/min。

2 除塵刷工作參數(shù)

根據(jù)掘進(jìn)裝備攝像儀鏡面清掃裝置工作原理，攝像儀鏡面上的煤泥脫離效果主要與除塵刷工作參數(shù)密切相關(guān)。除塵刷選用滾筒式，植毛機(jī)將刷毛安裝在鐵皮內(nèi)，鐵皮在一定螺距下焊接在除塵輥上。除塵刷旋轉(zhuǎn)到攝像儀鏡面中心處時(shí)，與攝像儀鏡面的相對(duì)位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 除塵刷與攝像儀鏡面的相對(duì)位置關(guān)系Fig.2 Relative position between dust removal brush and camera mirror

由圖2可得

(1)

Δds=Dm/2-(dm2-Sd)

(2)

式中：Δd為除塵刷刷毛相對(duì)攝像儀鏡面的壓縮量(下文簡(jiǎn)稱鏡面壓縮量)，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(cè)除塵輥至攝像儀鏡面的距離，mm；Δds為除塵刷刷毛相對(duì)攝像儀外殼端面的壓縮量(下文簡(jiǎn)稱端面壓縮量)，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(shù)量ns為

ns=Lta

(3)

Lt=HL/s

(4)

(5)

式中：Lt為鐵皮長(zhǎng)度，mm；a為單位長(zhǎng)度刷毛數(shù)量，根/mm；H為刷毛覆蓋長(zhǎng)度，mm；L為單層螺旋線長(zhǎng)度，mm；s為鐵皮安裝螺距，mm。

除塵刷工作參數(shù)主要包括鏡面壓縮量Δd、刷毛絲徑d和鐵皮安裝螺距s。其他條件不變的情況下，理論上除塵刷工作參數(shù)對(duì)清掃效果的影響如下[11]：鏡面壓縮量越大，刷毛與攝像儀鏡面之間的摩擦力越大，清掃效果越好；刷毛絲徑越大，刷毛硬度越高，刷毛與攝像儀鏡面之間的摩擦力越大，清掃效果越好；鐵皮安裝螺距越小，單位面積與攝像儀鏡面接觸的刷毛數(shù)量越多，清掃效果越好。然而除塵刷工作參數(shù)存在限制條件，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中攝像儀外殼對(duì)除塵刷作用力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)臺(tái)無(wú)法旋轉(zhuǎn)至預(yù)定位置，因此需要通過(guò)試驗(yàn)對(duì)除塵刷工作參數(shù)進(jìn)一步分析。

3 試驗(yàn)分析

為確定合理的除塵刷工作參數(shù)，搭建掘進(jìn)裝備攝像儀鏡面清掃裝置試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)除塵刷不同工作參數(shù)下的清掃效果進(jìn)行分析。

試驗(yàn)所用物品：11008型噴嘴(開(kāi)口110°)；不同型號(hào)除塵刷(除塵刷外徑均為60 mm，刷毛絲徑和鐵皮安裝螺距不同)，刷毛材料為PP復(fù)合絲，表面絕緣電阻為104～106Ω，除塵刷刷毛添加抗靜電材料，可避免靜電電荷聚集；80目煤粉；鏡面直徑為38 mm、鏡面中心直徑為16 mm的攝像儀。

試驗(yàn)過(guò)程：將15 g煤粉和5 g水均勻混合成煤泥，涂抹到攝像儀鏡面處；使用噴嘴吹掃45 s；測(cè)量除塵刷刷毛壓縮量；打開(kāi)氣動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)除塵刷清掃20 s；測(cè)量清掃后剩余煤泥質(zhì)量。

裝置完成吹掃后，除塵刷旋轉(zhuǎn)清掃前后攝像儀鏡面煤泥附著情況如圖3所示?？煽闯鰯z像儀鏡面中心處煤泥實(shí)現(xiàn)完全清除；但由于攝像儀鏡面擋圈的存在，阻擋了除塵刷刷毛對(duì)擋圈上方位置的清掃，所以擋圈上方殘留少量煤泥。

(a) 清掃前

為更好地判斷裝置對(duì)攝像儀鏡面煤泥的清掃效果，定義煤泥清除率K、攝像儀鏡面中心煤泥清除率K1為裝置性能檢驗(yàn)指標(biāo)：

(6)

(7)

式中：W為清掃前攝像儀鏡面煤泥質(zhì)量，g；Q為清掃后攝像儀鏡面殘余的煤泥質(zhì)量，g；Q1為清掃后攝像儀鏡面中心處殘余的煤泥質(zhì)量，g。

鐵皮安裝螺距為8 mm時(shí)，不同除塵刷刷毛絲徑和刷毛壓縮量下試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。可看出在相同刷毛絲徑條件下，刷毛壓縮量越大，攝像儀鏡面中心煤泥清除率越高，但當(dāng)端面壓縮量達(dá)到一定程度時(shí)，除塵刷會(huì)被攝像儀外殼端面卡住，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像儀鏡面的清掃；相同刷毛壓縮量條件下，刷毛絲徑越大，攝像儀鏡面中心煤泥清除率越高，但刷毛絲徑為0.3 mm的除塵刷僅在鏡面壓縮量為2.6～3.5 mm時(shí)才滿足攝像儀鏡面中心煤泥清除率為100%的需求，而刷毛絲徑為0.4 mm的除塵刷由于刷毛過(guò)硬無(wú)法實(shí)現(xiàn)清掃工作。

表1 鐵皮安裝螺距8 mm時(shí)不同刷毛絲徑和刷毛壓縮量下試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of different bristle diameter and bristle compression when iron sheet mounting pitch is 8 mm

鐵皮安裝螺距為5 mm時(shí)，不同除塵刷刷毛絲徑和刷毛壓縮量下試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2?？煽闯鏊⒚z徑為0.1 mm的除塵刷在鏡面壓縮量為0.5 mm時(shí)可進(jìn)行清掃，且清除率比鐵皮安裝螺距為8 mm時(shí)的高，但不滿足清掃需求；刷毛絲徑大于0.1 mm的除塵刷在端面壓縮量最小情況下均被攝像儀外殼端面卡住，無(wú)法進(jìn)行清掃，這是由于鐵皮安裝螺距過(guò)小導(dǎo)致刷毛數(shù)量過(guò)多。

表2 鐵皮安裝螺距5 mm時(shí)不同刷毛絲徑和刷毛壓縮量下試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of different bristle diameter and bristle compression when iron sheet mounting pitch is 5 mm

4 結(jié)語(yǔ)

掘進(jìn)裝備攝像儀鏡面清掃裝置采用噴嘴吹掃與除塵刷清掃相結(jié)合的方式，使粘附在攝像儀鏡面上的煤泥被吹干并受力脫離。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)鐵皮安裝螺距為8 mm、刷毛絲徑為0.2 mm、鏡面壓縮量為2.6～5.3 mm時(shí)，除塵刷工作性能最佳，煤泥清除率達(dá)90%以上，攝像儀鏡面中心煤泥清除率為100%。