掘进机镜面清扫装置除尘刷合理工作参数研究

　　摘 要: 矿井掘进工作面作业环境差，因粉尘浓度高、潮湿，掘进期间煤泥极易粘附于镜面上。基于此，文章提出一种掘进机摄像仪镜面清扫装置。此装置通过喷嘴吹扫和除尘刷清扫相结合的方法，迫使煤泥脱落。为获得除尘刷合理工作参数，特开展现场试验研究，试验结果证明: 当铁皮安装螺距 s 取 8 mm、刷毛丝径 d 取 0.2 mm、镜面压缩量△d 取 2.6～ 5.3 mm 时，除尘刷除尘效果最好。

　　关键词: 掘进机; 摄像仪镜面清扫; 刷毛丝径; 煤泥清除率; 合理工作参数

　　李振东， 煤 发表时间：2021-10-11

　　随着煤炭开采技术的快速发展，掘进技术得到迅猛突破，同时随着国家煤矿智能化建设步伐的加快，按照人少则安的原则，掘进面无人化掘进已逐步提上日程。为达到这一目标，需要掘进机能够自主识别掘进面的环境[1]，这就需要摄像仪替代掘进机司机来甄别作业环境[2-3]。由于掘进工作面作业条件恶劣、粉尘浓度高、潮湿等造成掘进机割煤期间煤泥极易聚集在摄像仪镜面上[4-5]，若由工人进行现场清洁将会阻碍智能化掘进工作的进展，所以急需一种掘进机摄像仪镜面清扫装置。

　　我国科研工作者为此开展了大量的研究。胡而已等[6]研究出一种揭膜式镜头除尘技术，其可结合图像质量判定当积尘增大时通过三叉戟钩爪揭开防尘膜，而由于受到揭膜次数的限制，难以达到镜头自动清洁的要求; 刘光辉等[7]将清洁头安设于步进电动机转子内，控制步进电动机实现清洁摄像头镜面污渍，但因步进电动机结构复杂、体积庞大、安装非常不便; 兰熙等[8]设计了摄像头自动清洗装置，现场解决了部分除尘问题，但采用清洁液与雨刷相结合的方式易发生二次污染，另外此装置结构较复杂、不便于维护保养; 丁振华等[9]研发出一种矿下风水组合冲洗摄像头的除尘装置，此设备的问题是，当作业环境中粉尘浓度高、湿度大时，水汽与粉尘结合后易粘附在摄像仪镜面上; 张福明等[10]自主研发一种监控摄像机视窗自动清洁装置，借助所搜集的能见度数据分析判定视窗的干净程度，达到自动快速除尘的目的，而由于矿井掘进面粉尘浓度高，依据能见度来实现自主清洁时，很容易判断失误。

　　针对以上难题，本文引入喷嘴吹扫与除尘刷清扫相结合技术[11-12]，设计一种掘进机摄像仪镜面清扫装置，利用现场试验、数据分析，依据清扫效果得到除尘刷的合理工作参数。

　　1 清扫装置工作原理

　　掘进机摄像仪镜面清扫装置的原理为利用喷嘴吹扫摄像仪镜面，把粘附在镜面上的煤泥杂质吹干，接着转台工作牵引气动马达转动到镜面中部( 即镜头所处区域) ，气动马达开始旋转，牵引除尘刷转动执行镜面清扫任务。在清扫阶段，由于除尘刷刷毛受到挤压作用，在镜面形成摩擦力，处于镜面上的煤泥受外力作用被去除[13-15]，清扫装置结构如图 1 所示，具体工作参数见表 1。

　　2 除尘刷工作参数

　　结合镜面清扫装置工作原理，掘进机摄像仪镜面上的煤泥清洁效果由除尘刷工作参数决定。除尘刷结构为滚筒式，通过植毛机把刷毛镶嵌在铁皮内部，按照一定螺距将铁皮焊接于除尘辊。当除尘刷转动至镜面中部时，除尘刷与镜面的相对位置见图 2。

　　式中: △d 为除尘刷刷毛相对摄像仪镜面的压缩量( 即镜面压缩量) ，mm; Dm 为除尘刷外径，mm; Dg 为除尘辊外径，取 16. 5 mm; Dt 为铁皮宽度，取 4.25 mm; dm1为右侧除尘辊至摄像仪镜面的距离， mm; △ds 为除尘刷刷毛相对摄像仪外壳端面的压缩量( 即端面压缩量) ，mm; dm2为摄像仪镜面至除尘刷中心的距离，mm; Sd 为摄像仪外壳端面至摄像仪镜面的距离，mm。

　　刷毛数量 ns 采用公式( 3) ～ ( 5) 计算: ns = Ltα ( 3) Lt =HL /s ( 4) L = ( πDg ) 2 槡 +s 2 ( 5) 式中: Lt 为铁皮长度，mm; α 为单位长度刷毛数量，根/mm; H 为刷毛覆盖长度，mm; L 为单层螺旋线长度，mm; s 为铁皮安装螺距，mm。

　　除尘刷的工作参数由 3 个重要参数组成: 镜面压缩量△d、刷毛丝径 d 以及铁皮安装螺距 s。在其他各条件不变时，镜面的清扫效果与除尘刷工作参数之间的关系为[11]: 当镜面压缩量△d 升高时，刷毛和镜面产生的摩擦力增大，清扫效果良好; 当刷毛丝径 d 增大，刷毛硬度增强，刷毛和镜面产生的摩擦力增大，清扫效果良好; 当铁皮安装螺距 s 减小，单位面积上作用于镜面的刷毛数量增多，清扫效果良好。但由于除尘刷自身工作参数限制，在转台转动时，摄像仪外壳对除尘刷产生的作用力过大，使得转台难以转到预定区域，导致除尘效果不佳，所以需进一步开展试验研究除尘刷的合理工作参数。

　　3 现场试验

　　为获得除尘刷合理的工作参数，构建掘进机摄像仪镜面清扫装置试验平台，分析除尘刷在不同工作参数下的清扫效果。所用的试验物品主要有: ① 选用开口角度 110°的 11008 型喷嘴; ②挑选型号不同的除尘刷，要求除尘刷外径 Dm 均达到 60 mm，但刷毛丝径 d 和铁皮安装螺距 s 不同，刷毛材质选用 PP 复合丝，表面绝缘电阻要求在 104 ～ 106 Ω 范围，在刷毛内需要镶嵌抗静电材料，以杜绝静电电荷大面积聚集; ③选用 80 目煤粉; ④选用摄像仪的镜面直径要达到 38 mm、镜面中心直径要达到 16 mm。

　　试验步骤如下: ①首先把煤粉和水按照一定比例( 15 g 煤粉和 5 g 水) 均匀搅拌成煤泥，在摄像仪镜面进行涂抹; ②启动喷嘴开始吹扫 45 s; ③测量除尘刷镜面压缩量△d 及端面压缩量△ds; ④启动气动马达牵引除尘刷执行清扫 20 s; ⑤测量镜面上的剩余煤泥质量。除尘刷在清扫前后摄像仪镜面煤泥情况如图 3 所示。从图 3 发现: 镜面清扫装置吹扫结束之后，处于摄像仪镜面中心的煤泥基本被完全去除。然而因摄像仪镜面存在挡圈，除尘刷刷毛工作区域受到阻挡，难以清扫挡圈的上方区域，因此在挡圈上部仍遗存少许煤泥。

　　为进一步衡量清扫装置对镜面的清扫效果，引入煤泥清除率 K、摄像仪镜面中心煤泥清除率△K1 这两个性能检验指标: K =W-Q W ×100% ( 6) K1 = W-Q1 W ×100% ( 7) 式中: W 为清扫前镜面煤泥质量，g; Q 为清扫后镜面残余煤泥质量，g; Q1 为清扫后镜面中心处残余煤泥质量，g。在铁皮安装螺距 s 取 8 mm 的条件下，刷毛丝径 d、镜面压缩量△d 及端面压缩量△ds 不同时清除率的试验结果具体见表 2。

　　由表 2 得到，在刷毛丝径 d 保持不变时，镜面压缩量△d 和端面压缩量△ds 增大，镜面中心煤泥清除率 K1 升高，然而当端面压缩量△ds 增大至一定值时，摄像仪外壳将除尘刷卡住，难以清扫摄像仪镜面; 在镜面压缩量△d 和端面压缩量△ds 相同时，刷毛丝径 d 增加，镜面中心煤泥清除率 K1 升高。在刷毛丝径 d 取 0.2 mm、镜面压缩量△d 取 2.6～ 5.3 mm 时，煤泥清除率 K 均超过 90%，镜面中心煤泥清除率 K1 达到 100%; 然而当刷毛丝径 d 取0.3 mm、仅在镜面压缩量△d 取 2.6 ～ 3.5 mm 时，煤泥清除率 K 均超过 90%，镜面中心煤泥清除率 K1 才 会 达 到 100%; 当镜面压缩量△d 取 0.5 mm 和端面压缩量 △ds 取 4.5 mm，刷毛丝径 d 由 0.2 mm 增到 0.3 mm，镜面中心煤泥清除率 K1 仅仅增大1.2%; 当刷毛丝径 d 取 0.4 mm 时，因除尘刷的刷毛硬度较大，难以完成清扫任务。因此可得到除尘刷的合理工况点为铁皮安装螺距 s 取 8 mm、刷毛丝径 d 取 0.2 mm、镜面压缩量△d 取 2.6～5.3 mm 时，除尘刷除尘效果最好。

　　在铁皮安装螺距 s 取 5 mm 的条件下，刷毛丝径 d、镜面压缩量△d 和端面压缩量△ds 不同时清除率的试验结果见表 3。

　　由表 3 发现: 当刷毛丝径 d 取 0.1 mm、镜面压缩量△d 取 0.5 mm 时，除尘刷能执行清扫任务，煤泥清除率 K 达到 73.9%，镜面中心煤泥清除率 K1 达到 81.4%，比铁皮安装螺距 s 取 8 mm 时要高，但是达不到镜面清扫标准; 当 刷 毛 丝 径 d 分 别 取 0.2 mm、0.3 mm 和 0.4 mm 时，在端面压缩量△ds 取最小值条件下，摄像仪外壳将除尘刷卡住，难以开展清扫任务，原因是铁皮安装螺距 s 太低，使得刷毛数量太高。

　　4 结 语

　　镜面清扫装置的工作方式为通过喷嘴吹扫与除尘刷清扫的手段，迫使粘结于镜面上的煤泥风化去除。现场试验结果证明: 除尘刷的合理工况点为铁皮安装螺距 s 取 8 mm、刷毛丝径 d 取 0.2 mm、镜面压缩量△d 取 2.6～5.3 mm 时，煤泥清除率 K 超过 90%，镜面中心煤泥清除率 K1 达到 100%，除尘刷除尘效果最好。