掘进装备摄像仪镜面清扫装置

董孟阳

(1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司， 山西 太原 030006；2.山西天地煤机装备有限公司， 山西 太原 030006；3.煤矿采掘机械装备国家工程实验室， 山西 太原 030006)

0 引言

煤矿掘进工作面无人化开采的实现需要掘进装备具有观察工作面环境的功能[1]，使用摄像仪代替人员进行环境观察是基本条件之一[2-3]。掘进工作面具有粉尘大、湿度高的特点，掘进装备工作时煤泥容易将摄像仪镜面遮盖[4-5]，如果由人工擦拭清洁势必会影响工作面无人化发展，因此掘进装备摄像仪镜面自动清洁成为亟待解决的问题。

兰熙等[6]、高超[7]设计了摄像头自动清洗装置，但清洁液配合雨刷的方式容易造成二次污染，且装置复杂，维护困难；胡而已等[8]提出了一种揭膜式镜头除尘方法，根据图像质量判断粉尘过多后由三叉戟钩爪将防尘膜揭开，但揭膜次数的限制导致部分工况下无法满足镜头自动清洁的需要。丁振华等[9]设计了一种矿下风水组合冲洗摄像头的除尘装置，但在掘进工作面高粉尘环境中，水的存在更容易使摄像仪镜面粘附煤泥。刘光辉等[10]在步进电动机转子内设置清洁头，通过对步进电动机的控制实现对摄像头表面污渍的清洁，但步进电动机体积大，不便于安装。张福明等[11]设计了一种防爆监控摄像机视窗自动清洁装置，通过采集的能见度数值判断视窗清洁程度，实现快速自动除尘，但掘进工作面粉尘大，根据能见度控制自主清洁易发生误判。针对上述问题，本文采用喷嘴吹扫与除尘刷清扫相结合的方式，研制了一种掘进装备摄像仪镜面清扫装置，通过试验研究了除尘刷不同工作参数对清扫效果的影响。

1 装置原理

掘进装备摄像仪镜面清扫装置如图1所示，其工作原理：喷嘴进行吹扫将粘附在摄像仪镜面上的煤泥吹干，转台带动气动马达旋转到摄像仪镜面中心(即摄像仪镜头所在位置)处，气动马达带动除尘刷进行旋转清扫过程中，除尘刷与摄像仪镜面之间的刷毛被挤压，刷毛与镜面之间产生摩擦力，粘附在摄像仪镜面上的煤泥受力脱离。

图1 掘进装备摄像仪镜面清扫装置Fig.1 Tunneling equipment camera mirror cleaning device

转台最大转矩为0.7 N·m，气动马达转速为900 r/min。转台、气动马达和喷嘴均由空气压缩机提供压缩空气(压力范围为0.6～0.8 MPa)，空气压缩机流量为140 L/min。

2 除尘刷工作参数

根据掘进装备摄像仪镜面清扫装置工作原理，摄像仪镜面上的煤泥脱离效果主要与除尘刷工作参数密切相关。除尘刷选用滚筒式，植毛机将刷毛安装在铁皮内，铁皮在一定螺距下焊接在除尘辊上。除尘刷旋转到摄像仪镜面中心处时，与摄像仪镜面的相对位置关系如图2所示。

图2 除尘刷与摄像仪镜面的相对位置关系Fig.2 Relative position between dust removal brush and camera mirror

由图2可得

(1)

Δds=Dm/2-(dm2-Sd)

(2)

式中：Δd为除尘刷刷毛相对摄像仪镜面的压缩量(下文简称镜面压缩量)，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；Δds为除尘刷刷毛相对摄像仪外壳端面的压缩量(下文简称端面压缩量)，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为

ns=Lta

(3)

Lt=HL/s

(4)

(5)

式中：Lt为铁皮长度，mm；a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。

除尘刷工作参数主要包括镜面压缩量Δd、刷毛丝径d和铁皮安装螺距s。其他条件不变的情况下，理论上除尘刷工作参数对清扫效果的影响如下[11]：镜面压缩量越大，刷毛与摄像仪镜面之间的摩擦力越大，清扫效果越好；刷毛丝径越大，刷毛硬度越高，刷毛与摄像仪镜面之间的摩擦力越大，清扫效果越好；铁皮安装螺距越小，单位面积与摄像仪镜面接触的刷毛数量越多，清扫效果越好。然而除尘刷工作参数存在限制条件，转台旋转过程中摄像仪外壳对除尘刷作用力过大会导致转台无法旋转至预定位置，因此需要通过试验对除尘刷工作参数进一步分析。

3 试验分析

为确定合理的除尘刷工作参数，搭建掘进装备摄像仪镜面清扫装置试验平台，对除尘刷不同工作参数下的清扫效果进行分析。

试验所用物品：11008型喷嘴(开口110°)；不同型号除尘刷(除尘刷外径均为60 mm，刷毛丝径和铁皮安装螺距不同)，刷毛材料为PP复合丝，表面绝缘电阻为104～106Ω，除尘刷刷毛添加抗静电材料，可避免静电电荷聚集；80目煤粉；镜面直径为38 mm、镜面中心直径为16 mm的摄像仪。

试验过程：将15 g煤粉和5 g水均匀混合成煤泥，涂抹到摄像仪镜面处；使用喷嘴吹扫45 s；测量除尘刷刷毛压缩量；打开气动马达带动除尘刷清扫20 s；测量清扫后剩余煤泥质量。

装置完成吹扫后，除尘刷旋转清扫前后摄像仪镜面煤泥附着情况如图3所示。可看出摄像仪镜面中心处煤泥实现完全清除；但由于摄像仪镜面挡圈的存在，阻挡了除尘刷刷毛对挡圈上方位置的清扫，所以挡圈上方残留少量煤泥。

(a) 清扫前

为更好地判断装置对摄像仪镜面煤泥的清扫效果，定义煤泥清除率K、摄像仪镜面中心煤泥清除率K1为装置性能检验指标：

(6)

(7)

式中：W为清扫前摄像仪镜面煤泥质量，g；Q为清扫后摄像仪镜面残余的煤泥质量，g；Q1为清扫后摄像仪镜面中心处残余的煤泥质量，g。

铁皮安装螺距为8 mm时，不同除尘刷刷毛丝径和刷毛压缩量下试验结果见表1。可看出在相同刷毛丝径条件下，刷毛压缩量越大，摄像仪镜面中心煤泥清除率越高，但当端面压缩量达到一定程度时，除尘刷会被摄像仪外壳端面卡住，无法实现对摄像仪镜面的清扫；相同刷毛压缩量条件下，刷毛丝径越大，摄像仪镜面中心煤泥清除率越高，但刷毛丝径为0.3 mm的除尘刷仅在镜面压缩量为2.6～3.5 mm时才满足摄像仪镜面中心煤泥清除率为100%的需求，而刷毛丝径为0.4 mm的除尘刷由于刷毛过硬无法实现清扫工作。

表1 铁皮安装螺距8 mm时不同刷毛丝径和刷毛压缩量下试验结果Table 1 Test results of different bristle diameter and bristle compression when iron sheet mounting pitch is 8 mm

铁皮安装螺距为5 mm时，不同除尘刷刷毛丝径和刷毛压缩量下试验结果见表2。可看出刷毛丝径为0.1 mm的除尘刷在镜面压缩量为0.5 mm时可进行清扫，且清除率比铁皮安装螺距为8 mm时的高，但不满足清扫需求；刷毛丝径大于0.1 mm的除尘刷在端面压缩量最小情况下均被摄像仪外壳端面卡住，无法进行清扫，这是由于铁皮安装螺距过小导致刷毛数量过多。

表2 铁皮安装螺距5 mm时不同刷毛丝径和刷毛压缩量下试验结果Table 2 Test results of different bristle diameter and bristle compression when iron sheet mounting pitch is 5 mm

4 结语

掘进装备摄像仪镜面清扫装置采用喷嘴吹扫与除尘刷清扫相结合的方式，使粘附在摄像仪镜面上的煤泥被吹干并受力脱离。试验结果表明：当铁皮安装螺距为8 mm、刷毛丝径为0.2 mm、镜面压缩量为2.6～5.3 mm时，除尘刷工作性能最佳，煤泥清除率达90%以上，摄像仪镜面中心煤泥清除率为100%。