防爆环境下机器人本体设计要点

防爆环境下机器人本体设计要点汇报人：XXXXXX目

录CATALOGUE01防爆机器人概述02防爆设计基础03机械结构设计04电气系统防护05控制系统安全06测试与认证01防爆机器人概述定义与核心特性模块化拓展架构采用标准化接口设计，支持快速更换功能模块（如检测设备、机械臂等），满足排爆、消防、巡检等不同任务需求，提升设备复用率。全地形适配能力配备轮-腿-履带复合移动平台，结合智能环境感知系统，可在复杂地形中稳定移动，适应石油、化工等行业的多样化作业场景。防爆安全设计通过介质隔离点燃源技术，采用特殊密封材料和结构设计，将所有可能产生火花、电弧或高温的电气元件与外部爆炸性环境完全隔离，确保危险介质无法接触点燃源。危险环境分类气体爆炸环境分为0区（连续存在爆炸性混合物）、1区（正常运行时可能出现）、2区（偶尔出现且短时存在），需根据GB3836标准选择对应防爆等级的机器人，如0区必须采用本安型（Exia）设计。01油气混合环境常见于炼油厂、化工厂，兼具气体与粉尘双重风险，机器人需同时满足Exd隔爆型壳体设计、本安型电路及防静电涂层等复合防护要求。粉尘爆炸环境按风险分为20区（持续存在可燃粉尘云）、21区（偶尔出现）、22区（异常情况下出现），需重点防范静电积聚与表面温升，机器人需满足IP6X密封等级及T11-T13温度组别要求。02包括煤矿井下（Ⅰ类甲烷环境）、锂电池车间（氢气和金属粉尘共存）等，需定制化设计防爆结构，如矿用机器人需通过MT/T1200-2023认证。0403特殊工业场景防爆等级标准按最小点燃能量分为ⅡA（丙烷）、ⅡB（乙烯）、ⅡC（氢气），机器人电气设备需匹配对应组别，如氢气环境需采用ⅡC级防爆元件。气体组别划分从T1（450℃）到T6（85℃），机器人表面温度不得超过环境中可燃物的自燃点，例如乙醇蒸气环境需选用T3组别（最高表面温度≤200℃）设备。温度组别限制包括隔爆型（Exd）、增安型（Exe）、本安型（Exi）等七类结构，需根据工况选择，如化工0区巡检需采用Exia级本安设计，而2区搬运可选用Exd隔爆型机器人。防护型式选择02防爆设计基础通过密封设计或惰性气体置换，将机器人内部与外部可燃性物质（如甲烷、氢气）完全隔离，确保工作环境可燃物浓度低于爆炸下限（LEL）。例如采用双重密封结构防止粉尘/气体渗入电气腔体。爆炸三要素控制可燃物隔离对可能产生电火花的元件（如电机触点、继电器）采用本安电路设计，限制能量在20μJ以下；机械运动部件使用铜合金或含石墨材料避免摩擦火花。点火源消除在密闭空间作业时，可配置氧气浓度传感器联动氮气注入系统，将氧含量降至12%以下（低于大多数可燃物最小需氧浓度）。氧化剂控制防爆技术类型适用于大功率驱动单元，外壳需满足GB3836.2标准，法兰间隙深度比≥1:6，能承受1.5倍参考压力。典型应用于防爆电机和控制器。隔爆型（Exd）应用通过齐纳二极管、电流限制电阻等元件实现能量限制，本质安全电路需通过火花试验验证，适用于传感器和通信模块。建立持续空气/氮气purge系统，维持壳体内压力高于外部50Pa，配套压力监测和自动补气装置。本安型（Exia/Exib）实现对无火花设备（如LED照明）采用IP66防护、H级绝缘、端子扭矩标识等增强措施，防止异常升温或短路。增安型（Exe）强化01020403正压型（Exp）系统材料选择原则机械性能优先承压壳体选用球墨铸铁QT500-7或铝合金ZL101A，抗拉强度需≥300MPa，延伸率＞12%以满足爆炸冲击要求。表面电阻控制在10^6-10^9Ω范围，如添加碳纤维的PEEK复合材料，避免电荷积累引发放电。海洋环境优先选用316L不锈钢，移动部件可采用钛合金TC4，兼顾强度与重量比。禁止使用镁合金等活泼金属。静电耗散特性耐腐蚀与轻量化03机械结构设计密封与隔离设计采用防爆外壳使用符合ATEX或IECEx标准的防爆外壳，确保内部电气元件与外部爆炸性环境完全隔离。选用耐腐蚀、耐高温的密封材料（如氟橡胶或硅胶），防止可燃性气体或粉尘渗入设备内部。在密封结构中集成压力平衡装置，避免因内外压差导致密封失效或壳体变形。密封材料选择压力补偿设计运动部件防爆处理关节模组防爆旋转关节采用浸油式或充砂式隔爆结构，减速器齿轮组进行磷化处理降低摩擦火花风险，轴承选用含铜镍合金的自润滑材料（如CuNi25）。01线缆防爆管理动力电缆与信号线分开敷设，均套入金属波纹管并填充防爆胶泥，接头处采用浇封型防爆盒（符合GB3836.9标准）。末端执行器防护夹爪等执行机构采用无刷电机驱动，接触部件包覆导电硅胶层，动作速度限制在0.5m/s以内以降低静电积聚。防爆等级匹配根据IEC60079标准，针对IIB类气体环境（如乙烯）需配置T4组别设备（表面温度≤135℃），粉尘环境需满足T11组别要求。020304散热系统设计液冷循环系统防爆型循环泵驱动氟化液（如FC-72）流经发热元件，冷却液进出口设置双重机械密封，换热器置于非危险区进行热量交换。温度智能调控植入PT100温度传感器阵列，当任一监测点温度超过预设阈值（如气体环境80℃/粉尘环境60℃）时，自动降频运行并启动备用散热模块。热管传导散热在隔爆腔体内布置多根烧结式热管（导热系数≥5000W/m·K），将电机热量传导至外部散热鳍片，避免内部温度积聚超过限值。04电气系统防护本质安全型电路对可能产生电火花的电路模块采用铸铝/不锈钢隔爆外壳，隔爆接合面间隙控制在0.1-0.15mm(IIB级)或0.05-0.1mm(IIC级)，内部爆炸压力需通过2000小时盐雾测试验证壳体强度。隔爆外壳封装电缆密封处理所有电缆入口处采用双层环氧树脂浇封+金属格兰头机械密封，电缆绝缘层需选用耐油、耐腐蚀的氟橡胶材料，弯曲半径不小于电缆直径8倍以防止护套破损。采用低电压、低电流设计，通过限制电路能量使其在短路或故障状态下无法引燃爆炸性混合物，需符合GB3836.4标准要求。关键元件需双重化冗余设计，确保单一故障不会导致能量超标。电路防爆设计旋转部件采用全封闭式光电编码器，外壳防护等级达IP67，内部充填惰性气体防止可燃介质渗入。信号输出端配置齐纳二极管安全栅，限制传输能量在30mJ以下。防爆型编码器摄像机镜头与CCD模块间设置0.5mm厚蓝宝石观察窗，外壳散热片进行阳极氧化处理以消除静电。图像传输采用光纤隔离技术，避免电信号直接进入危险区域。防爆视觉系统电感式传感器工作电压≤24VDC，输出回路串联500Ω限流电阻，感应距离误差控制在±0.5mm内。外壳采用玻璃纤维增强聚酰胺材料，耐受2J冲击能量。本安型接近开关测量膜片与电路仓之间设置0.1μm金属烧结过滤器，过程连接口采用锥形螺纹密封。过压保护阀动作压力设定为量程的1.5倍，响应时间≤5ms。压力传感器保护传感器防护01020304电源系统安全双重隔离电源初级采用EI型变压器隔离，次级增加DC/DC隔离模块，绝缘耐压≥2500VAC。电池组配置钛酸锂电芯，单体电压控制在2.4V以下，热失控温度≥150℃。动态能量管理实时监测各支路电流，当检测到短路征兆时能在10μs内切断电路。储能元件放电回路设置磁保持继电器，断电后残余电压在1s内降至安全阈值。接地连续性检测设置独立接地监测电路，实时测量接地电阻并报警。所有金属部件通过4mm²黄绿双色导线连接至中央接地铜排，接地电阻值≤0.1Ω。05控制系统安全防爆控制柜设计控制柜需根据爆炸性环境分区（Zone0/1/2或Division1/2）选择对应的防爆型式（如隔爆型Exd、增安型Exe或正压型Exp），确保外壳能承受内部爆炸压力并阻止火焰传播。例如化工领域常要求IIC级防爆，对应氢气等高危气体环境。采用铜铝复合散热器或热管技术解决防爆外壳散热难题，同时通过迷宫式密封结构和硅橡胶密封圈实现IP65以上防护，避免可燃性粉尘侵入。石油钻井机器人需额外考虑盐雾腐蚀防护。将PLC、变频器等发热元件分层布置，强电与弱电分区隔离，预留20%空间便于维护。煤矿机器人控制柜需采用快开式防爆门结构，缩短故障排查时间。防爆等级匹配性散热与密封平衡模块化布局优化采用齐纳栅或隔离栅将控制信号能量限制在30V/100mA以下，通过IEC60079-11认证的本安电缆布线，适用于化工巡检机器人传感器网络。PROFIBUS-PA或FF现场总线采用双环拓扑，配合M12防爆接头，确保在单点故障时仍能维持通信。粉尘环境还需增加气吹清洁接口。关键指令传输使用铠装光纤替代铜缆，避免电磁感应引发火花。液化天然气储罐检测机器人需配置光纤滑环解决旋转关节信号传输问题。本质安全回路设计光纤通信抗干扰冗余总线架构在易燃易爆环境中，信号传输系统需实现能量限制与物理隔离双重防护，确保任何线路故障都不会成为点火源。信号传输保护紧急制动系统机械制动与电气联锁伺服电机配备弹簧加压式失效安全制动器，断电瞬间自动锁轴，制动力矩需达到额定负载的150%。防爆认证等级需与整机一致。通过SIL3认证的安全继电器模块实现多通道监控，当压力、温度或振动传感器触发阈值时，5ms内切断所有动力电源并激活制动。冗余控制策略采用双PLC架构，主从控制器通过交叉校验实现故障检测，任一控制器异常即触发急停。海洋平台机器人需额外配置液压备用制动系统。急停回路采用强制导向触点继电器，触点熔焊时可被检测并触发备用回路。石油炼化机器人急停响应时间需≤50ms。06测试与认证表面电阻率测试使用高阻计在特定温湿度环境下测量同步带/包胶轮表面电阻，确保其静电消散能力符合GB/T3688-2022标准要求，表面电阻值需控制在10^6~10^9Ω范围内以避免静电积累。防爆性能测试摩擦火花测试在防爆实验舱内模拟高速摩擦工况，通过高速摄影和气体分析检测是否产生引燃火花，测试需参照GB3836.1-2021对机械火花点燃风险进行量化评估。阻燃性能验证采用垂直燃烧法对橡胶材料进行测试，观察火焰蔓延速度及自熄时间，要求试样在移除火源后30秒内完全熄灭且损毁长度不超过100mm（依据ISO1813:2014标准）。环境适应性验证耐油耐腐蚀测试将同步带/包胶轮样品浸入标准油液（如IRM903油）或酸碱溶液（pH3-11）中168小时，测试后拉伸强度下降不超过20%，体积变化率控制在±10%以内（参照GB/T13487-2017）。高低温循环测试在-40℃~120℃温度范围内进行10次循环，每次循环包含2小时极端温度暴露和1小时过渡时间，测试后需保持齿形精度误差≤0.1mm（符合GB/T10716-2012要求）。动态耐久性考核在模拟工况下连续运行2000小时，同步带需承受额定负载120%的拉力且磨损量≤3%，包胶轮需通过10万次滚动测试无结构性损坏（依据ISO13849性能等级PLd）。防爆结构完整性检查使用工具显微镜检测金属部件间隙≤0.2mm，外壳接合面粗糙度Ra≤6.3μm，确保爆炸压力释放路径符合GB/T37669-2019的机械防爆要求。认证流程与标准需提交总装图、防爆结构说明、材料阻