馬宏偉，薛旭升，尚萬峰

（西安科技大學 機械工程學院，西安 710054）

0 引言

煤礦井下通信可稱為“井下神經(jīng)”，是承載井下各類重要數(shù)據(jù)信息的傳輸通道。井下環(huán)境復雜，尤其是在發(fā)生一氧化碳或其他氣體爆炸、塌方等災難后，井下地理環(huán)境發(fā)生未知變化，井下通信系統(tǒng)遭到嚴重破壞，為煤礦救援機器人進入井下實施救援工作帶來嚴重影響。保證通信設備在復雜環(huán)境中穩(wěn)定運行，研發(fā)安全、可靠的無線通信設備，是實現(xiàn)將井下救援機器人監(jiān)控系統(tǒng)采集的環(huán)境信息傳輸出來[1,2]，以及快速搭建無線通信系統(tǒng)，解決救援指揮中心與救援探測機器人、機器人與機器人等之間實時通信的重要硬件基礎之一。可見，適合復雜環(huán)境的通信設備成為井下應急無線通信網(wǎng)絡覆蓋的橋梁，是救援機器人開展危險環(huán)境下有效救援工作的重要保證。

針對煤礦救援機器人在井下施救過程中，由于地理環(huán)境的變化導致通信系統(tǒng)受到很大局限，使機器人采集的數(shù)據(jù)受到傳輸威脅，搭建無線通信網(wǎng)絡就是一種很好的解決方法之一[3]。本文對組建通信系統(tǒng)的無線設備結構進行研究，提出適應事故井下復雜地理條件及環(huán)境的不倒翁型無線中繼器。借助理論力學分析和有限元方法對該結構在井下環(huán)境中的運動進行分析，了解不倒翁型中繼器在井下的適應能力，并提供優(yōu)化結構的方法，為井下煤礦救援機器人在井下實施救援工作時的無線通信網(wǎng)絡搭建提供可靠通信設備，是快速救援與機器人安全運行的重要保證。

1 應急通信無線中繼器設計

無線通信設備完成多個設備之間的各種數(shù)據(jù)傳輸，實時接入網(wǎng)絡設備進入通信網(wǎng)絡，擴大網(wǎng)絡覆蓋[4]。災難環(huán)境下巷道地形發(fā)生未知變化，中繼器擺放條件不理想，嚴重影響到中繼擺放位置姿態(tài)，導致建立應急通信網(wǎng)絡的中繼器通信能力不足，影響到救援工作的效率。針對此類問題，本文研究了一種適應井下復雜環(huán)境，保證井下通信終端在未知環(huán)境中遠距離通信的正常工作，為快速、有效地開展災難井下救援工作提供重要通信網(wǎng)絡支持。如圖1所示，為“不倒翁”型無線中繼器結構示意圖。該“不倒翁”型無線通信中繼器本體結構是由重心調解倉、無線通信模塊放置倉、不倒翁頸部、天線夾持頭及天線五個部分組成。

圖1 “不倒翁”型無線通信中繼平臺結構

其各部分主要功能結構為：

1）重心調解倉，由不倒翁球形外殼和重心調解塊組成，完成布放下落出倉過程以及受到外力發(fā)生重心偏移后恢復姿態(tài)，實現(xiàn)通信天線始終能夠保持最佳姿態(tài)。

2）無線通信模塊放置倉，由Wi-Fi通信模塊、供電電池、本安殼、減震片及安裝板組成，完成安全安裝通信模塊，并用上球體過渡頸部上蓋連接不倒翁下球體，將無線通信模塊安裝在放置倉內，并與外部環(huán)境盡可能隔離，以保證安全運行。

3）不倒翁頸部，為空心圓柱桿，下連接無線通信模塊放置倉外殼體，上連接天線夾持頭。桿身長度由井下有效通信信號距離地面的高度決定，以保證在距離地面合適高度的情況下，能夠正常通信。同時，將經(jīng)過頸部的天線延長線，從無線通信模塊處連接至天線夾持頭上處天線。

4）天線夾持頭，為帶孔半球形，下連接不倒翁頸部，并將天線夾持在夾持頭上。

5）天線，由無線通信模塊及井下通信參數(shù)要求，設計通信天線的尺寸及類型，保證在煤礦井下的復雜環(huán)境中，正常接受與發(fā)送通信數(shù)據(jù)。

2 “不倒翁”型無線通信中繼器力學分析

“不倒翁”型無線通信中繼器需要完成在布放、外力沖擊等過程中，在未知地形環(huán)境的情況下，恢復最佳通信工作姿態(tài)的任務。因此，需要對不倒翁在井下的受力過程進行分析，為設計不倒翁在井下環(huán)境適應性的能力提供重要理論依據(jù)。

2.1 不倒翁基本受力情況

不倒翁穩(wěn)定平衡點CG在整個機構中是變化最為慢的位置。不倒翁順時針或傾斜逆時針擺動時，CG點離開垂直平衡位置，通過新的支撐點，使得CG點垂直距離回復過來。重力返回到其穩(wěn)定的位置[5]。如圖2所示。

圖2 不倒翁的平衡

根據(jù)不倒翁原理，不倒翁的位置姿態(tài)分為三種，如下：

1）不倒翁平衡狀態(tài)

此狀態(tài)下，不倒翁受到兩個力：重力和支持力。

2）不倒翁傾斜狀態(tài)

此狀態(tài)下，不倒翁傾斜時受到兩個力矩：外力形成干擾力矩和重力形成的抵抗力矩。

3）不倒翁復原狀態(tài)

此狀態(tài)下，從勢能角度考慮，勢能低的物體比較穩(wěn)定，物體一定會向著勢能低的狀態(tài)變化。

在以上的整個過程中，建立新的平衡是其中主要的問題，因為只有如此才能抵制外力的干擾，而恢復原有的平衡則是次要問題，因為此時外力的干擾已經(jīng)去除。在整個過程中不倒翁始終保持平衡的屬性，這便是“平衡的穩(wěn)定性”。

2.2 中繼器在井下傾斜地形中的受力情況

當中繼器被布置在有坡度的地形中時，存在2種運動狀態(tài)，包括：不下滑，原地傾斜狀態(tài)，以及下滑后傾斜狀態(tài)。第一種情況相比在平面時的傾斜狀態(tài)，多了接觸面的坡度α。第二種情況中繼向下滑動，則在中繼靜止前無需考慮其姿態(tài)變化，直至中繼滑動到靜止位置時，對中繼進行傾斜位置受力分析。如圖3所示，為“不倒翁”型中繼器在坡度地形上的傾斜受力分析。

圖3 “不倒翁”中繼器在坡度地形上的傾斜受力分析圖

當中繼下落靜止或滑動至靜止位置時，傾斜狀態(tài)的受力分析為：

2.3 中繼器復原位置受力情況

對于上重下輕的物體來說，重心越低越穩(wěn)定。而從勢能角度考慮，勢能低的物體比較穩(wěn)定，物體一定會向著勢能低的狀態(tài)變化。然而，從力矩平衡角度來講，“不倒翁”型中繼器傾斜擺動時，重心被抬高，產(chǎn)生力矩，該力矩是用來克服外力所造成的傾斜擺動，使中繼器恢復到平衡狀態(tài)[6]。如圖2所示，為“不倒翁”型中繼器在布放過程或受外力情況下恢復姿態(tài)位置的受力分析圖。

圖4 “不倒翁”型中繼器恢復姿態(tài)位置的受力分析圖

圖4中，重心為C點，E被稱為穩(wěn)心點，當下落或受外力時，出現(xiàn)O轉至O’，產(chǎn)生了力偶距，在重力的存在下，同時產(chǎn)生恢復力矩M，即：

式中，G為重力；d為重心到穩(wěn)心距離，即穩(wěn)心高度；θ為重心偏移角度。該式為外力影響下產(chǎn)生的恢復力矩，并在該力矩的作用下，“不倒翁”型中繼器逐漸恢復到平衡位置。

2.4 中繼器在井下地理環(huán)境下的受力情況

一般情況下，不倒翁在較平整地形，例如，堅實平地、沙地、煤塊堆積較密集的地形中受力情況正如上述分析。但在煤塊或其他大塊障礙物散落地形，即地面松散，間隙較大的情況下，“不倒翁”型中繼器在大縫隙地面的受力情況會因受到多接觸點的影響，使中繼器恢復姿態(tài)的能力受到一定的影響。

這里以兩支點為例，如圖5所示，在大縫隙地面上，“不倒翁”型中繼器出現(xiàn)的幾種情況，從產(chǎn)生力矩的角度簡單分析，對該地形環(huán)境中的傾斜情況。

圖5 大縫隙地面上不倒翁受力分析圖

當?shù)孛娲嬖谒槭炔黄秸那闆r下，由于石縫距離過大，使得“不倒翁”型中繼器在布放或者受沖擊后，落在石縫之間。此時，在打破不倒翁平衡的同時，產(chǎn)生了力偶距，由于出現(xiàn)了兩個支撐點O和O’，且O、O’點在重心C點兩側時，不倒翁在傾斜情況下，由重力G產(chǎn)生的恢復力矩M為：

但是，重力在產(chǎn)生恢復力矩，使不倒翁具有恢復狀態(tài)的同時，由于O點支撐造成外力干擾力矩M2為：

其中，sinrl2?=θ，r為重心到下半球底的距離。

此時，若θ<90°時，恢復力矩M>M2，并且由于不倒翁下部為半球形表面，在重力作用下沿切線滑動，逐漸進入平衡位置。

若θ>90°時，將被卡死，不會進行恢復狀態(tài)的運動。

當不倒翁所在地面石縫間隙的兩個支點都出現(xiàn)在重心C點的右側時，理想情況下，可將兩點簡化為一點支撐的情況，此時的受力與“不倒翁”型中繼器在地面較好的環(huán)境中的受力情況類似。

3 有限元模型的建立及結果分析

“不倒翁”型中繼器在井下環(huán)境完成搭建通信網(wǎng)絡過程中的受力情況，需要先借助有限元仿真軟件ABAQUS多體系統(tǒng)建立進行“不倒翁”型中繼的幾何模型，并在建立材料模型時，初步確定在井下災難環(huán)境中適應各種突變和危險環(huán)境的材料，分析“不倒翁”型中繼器在不同地形、布放下落、受到外力沖擊等環(huán)境下的動力學情況，為保證后期設計實體中繼器時提供可靠設計依據(jù)，以及驗證方法。適應井下災難環(huán)境，需要以耐高溫、耐火、隔潮防水、耐沖擊等方面為前提，選擇較輕的耐火性、耐沖擊較高的聚碳酸酯（工程塑料），便于減小不倒翁頭部、頸部重量。同時，選擇鉛塊為不倒翁調整重心的重力塊。聚碳酸酯和鉛塊的材料屬性[7]，如表1所示。

表1 材料屬性及單元類型

不倒翁在地面上運動過程中，可以假設不倒翁與地面的接觸為多體接觸類型，對多體系統(tǒng)的仿真環(huán)境進行設置，為觀察“不倒翁”型無線通信中繼器與煤礦井下地面的瞬態(tài)接觸，設置連接單元、連接單元關系及連接單元屬性，并在接觸設置中，設置接觸方式及接觸屬性，完成多體連接關系設置，并劃分不倒翁與地面的有限元網(wǎng)格[8～10]。本研究旨在設計“不倒翁”型中繼器原型，應用

ABAQUS有限元軟件對其進行動力學研究，提出正確仿真計算方法，為研制“不倒翁”型中繼器實體提供可靠且重要依據(jù)。本文將在加載1000N、2000N、3000N三種集中力的情況下，對“不倒翁”型中繼器在煤礦井下布放或者外力沖擊下運動恢復平衡過程的仿真。

3.1 速度仿真分析

圖6 半周期往復過程中相對速度矢量及變化曲線圖

圖6為在三種載荷力下，速度在相對位移方向上的速度變化，曲線最低點左端為不倒翁從最右端恢復姿態(tài)過程，當?shù)竭_最低點時恢復姿態(tài)，又在其慣性力作用下向左端擺動，由于摩擦力及恢復力的存在，速度無法達到最右端的大小，依次在恢復過程中，速度不斷減小，最終達到平衡狀態(tài)。

3.2 加速度仿真分析

圖7 半周期往復過程中相對速度矢量及變化曲線圖

圖7為在三種載荷力下，加速度在相對位移方向上的加速度變化，曲線最低點左端為不倒翁從最右端恢復姿態(tài)過程，當?shù)竭_最低點時恢復姿態(tài)，又在其慣性力作用下向左端擺動，由于摩擦力及恢復力的存在，加速度無法達到最右端時的大小，逐漸在恢復過程中，加速度不斷減小，最終達到平衡狀態(tài)。同時，加速度反映速度隨時間的變化關系，當加速度由于外界力的變化使得速度隨時間越來越小，最終恢復到平衡狀態(tài)。

三種不同外界載荷的沖擊下，傾斜在同一角度時的速度不同，外力越大，速度越大；當通過最小速度，進入恢復姿態(tài)運動時，速度衰減最快是外界載荷最大的，但是最先停止的可以預測為受外界載荷最小的?？梢?，外界載荷是影響不倒翁恢復的重要因素之一。

4 結論

通過研究事故井下復雜環(huán)境中的潛在危險，為降低井下通信設備安全威脅，研發(fā)可靠的無線通信設備，是實現(xiàn)快速搭建煤礦救援探測機器人無線通信系統(tǒng)，解決救援指揮中心與救援探測機器人、機器人與機器人等之間實時通信的重要硬件基礎之一。本文通過對“不倒翁”應用特點及事故井下中繼器適應性的分析，設計出“不倒翁”型中繼器的具體結構、裝配關系及在井下的工作關系；通過對“不倒翁”型無線中繼器在三種狀態(tài)及不同環(huán)境下受力情況的動力學分析，從理論角度上得出“不倒翁”型無線中繼器在事故井下的可行性、安全性和可靠性等特點；應用有限元仿真軟件ABAQUS建立“不倒翁”型無線中繼器的有限元幾何模型、材料模型、力學模型等，得出“不倒翁”型無線中繼器的運動學分析結果，為研制實體提供重要計算手段和驗證方法。

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