全球首款重载智能盾构换刀机器人投用(探访全球第一)

换刀机器人出舱到达作业位置,准备开启换刀作业。 范少文摄
近日,中国盾构行业再次实现新突破:全球首款重载智能盾构换刀机器人,顺利完成带压换刀作业,成功“上岗”。
盾构机,被誉为地下“工程机械之王”,其穿江越海、与土体岩层较量,靠的是刀盘上的一把把刀具。然而,这些“铁齿钢牙”日复一日地切削岩石泥土,磨损极快,需要频繁更换。因此,换刀决定了盾构隧道掘进的效率,是盾构施工中最“寻常”也最危险的工作。
换刀,之所以危险,主要在于作业人员需要进入比标准大气压高出数倍的开挖舱内工作。高压下,人体容易出现“氮麻醉”,还可能面临掌子面失稳的风险。
“国内带压换刀第一人”赵斌介绍,根据国内现行标准,常规带压换刀最大压强为6巴,相当于水深60米的压力,重重风险,让这项工作被称为在“刀尖上跳舞”。
2008年以前,进舱换刀只能请外国工程师进行,一次花费60万元。赵斌成功完成国内首次6巴带压换刀后,我国才完全解锁这项核心技术。
然而,带压换刀依然是一场“极限挑战”,单组人员每次进舱换刀有效作业时间仅20到40分钟,之后必须进行数小时减压,至今仍面临人员风险高、作业效率低、成本居高不下等困难。
有没有办法破解带压换刀难题呢?
中国工程师们首先尝试了“常压换刀”。所谓“常压换刀”,就是让操作人员在不承受额外压力的常压环境下完成刀具更换。
这一原理,说起来简单,做起来却需要对刀盘结构进行根本性变革。简单来说,工程师们需要给刀具安装一个可独立拆装的“安全隔离舱”,让作业人员无需进入前方的开挖舱内,在刀盘后方的常压舱室内,从容地为盾构机更换“牙齿”。
然而,一个个刀具“安全隔离舱”的设置,不可避免会占据空间,导致刀盘所能布置的刀具变少,难以适应复杂地质高效掘进要求。
“常压换刀”技术之外,有没有可能让机器代替人去换刀呢?
2020年,中铁十四局组建技术攻关团队。彼时,全球范围内,盾构换刀机器人还没有一例成熟的工程应用。
团队埋头干了6年,最终研制出全球首款重载智能盾构换刀机器人。这款机器人拥有11个独立、可控的活动关节,负载能力达到500公斤。凭借灵活伸缩的结构,以及强大的“臂力”,可以轻松覆盖10米至18米级超大直径盾构机的刀盘,满足各类刀具的换刀需求。
这款机器人除了“手臂”灵活、“手掌”有力,还拥有“聪明大脑”。其搭载了3D红外机器视觉定位系统,能在昏暗潮湿的舱内快速扫描识别每一把刀具的位置和磨损状态,定位精度控制在1毫米以内;数字孪生智慧管控系统,则可以自动规划最优换刀顺序和机械臂运动路径。
“依托‘聪明大脑’,换刀机器人单把滚刀更换时间只需25至40分钟,效率提升50%以上。”中铁十四局智能换刀机器人项目负责人刘四进介绍,最关键的是全程舱内无人。
不仅如此,机器人整机软硬件实现100%国产化,拥有完全自主知识产权,目前已申报专利30余项、软件著作权7项。
中国工程院院士钱七虎评价道,智能换刀机器人的研发在安全、效率、成本等方面取得成效,为我国交通工程装备自主化、无人化、智能化发展探索了全新路径。
本报记者 李心萍
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