1 開發(fā)背景

在TBM掘進過程中刀具會出現(xiàn)磨損，在遭遇堅硬與磨蝕地層時尤為顯著。然而，為TBM更換刀具并非易事，整個換刀過程中存在著安全風險與效率問題。為此，TBM制造商NFM開發(fā)了NeTTUN機器人系統(tǒng)，旨在提高TBM換刀的效率與安全性。

2 設(shè)計理念

NeTTUN機器人的目標是大幅減少TBM換刀過程中的人工操作： 目前人工帶壓進艙更換單把刀具需要1 h，而TBM的維護時間占據(jù)了整個施工時間的15%～25%。機器人將通過自動或通過遠程操作方式完成80%換刀作業(yè)，縮短維護時間，降低工人發(fā)生安全事故的概率。

3 NeTTUN機器人系統(tǒng)

機器人專為直徑超過8.5 m的TBM設(shè)計，適用于泥水與土壓TBM，對刀盤重新設(shè)計后也適用于硬巖TBM： 1)可以承受1 MPa氣壓、10～50 ℃的工作溫度和100%濕度。2)采用液壓傳動，與電動技術(shù)相比可實現(xiàn)更好的緊湊性和更高的功率質(zhì)量比。3)機器人可適應(yīng)直徑8.5～16 m的TBM，無需硬件改動，僅需調(diào)整軟件參數(shù)。4)對主流的43.18 cm(17英寸)和48.26 cm(19英寸)滾刀、刮刀均適用。

3.1 硬件構(gòu)造

機器人由收納區(qū)、刀具運輸系統(tǒng)、基座、關(guān)節(jié)臂和機械手5個主要部分組成。

1)基座用于在開挖艙中展開并定位關(guān)節(jié)臂，具有3個自由度： 向前/向后、向上/向下、向左/向右。

2)關(guān)節(jié)臂用于將機械手定位至需要更換的刀具處，在開挖艙內(nèi)展開并對準適當方向。關(guān)節(jié)臂需要2個額外自由度，1個用于補償定位誤差，1個用于延伸至刀具附近。考慮到刀具和機械手本身質(zhì)量，第2個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)需要具備超過12 000 N·m的轉(zhuǎn)矩。

3)2種機械手分別應(yīng)對滾刀與刮刀更換，主要用于拆卸、安裝刀具，并通過高壓水槍清洗刀具。

3.2 作業(yè)區(qū)域

機器人存放在TBM上部一個與護盾相連的收納區(qū)，通過自動控制的艙門進入開挖艙，沿刀盤上部垂直半徑運行。通過適當移動，機器人可以覆蓋刀盤半徑靠外部分的所有刀具(半徑的50%～60%，取決于TBM直徑)。

然而，機器人無法觸及刀盤中央的刀具，這些刀具在掘進過程中行進距離相對較短，磨損較??；這部分刀具更換占總維護操作的15%左右。

換刀機器人不負責更換該部分刀具，因為與增加的復雜性相比，使用機器人維護這部分刀具帶來的優(yōu)勢很小。

4 自動化換刀

自動化換刀流程如圖1所示。循環(huán)1為部分刀具換刀；循環(huán)2為單把刀具換刀；循環(huán)3為刀盤全部換刀。循環(huán)1的平均時間為15 min，僅為人工操作時長的25%。TBM掘進期間，機器人的清潔、維護和維修操作均在常壓下由工人在收納艙內(nèi)手動進行。

圖1 自動化換刀流程

在下一步的研究中，機器人將配備視覺與觸覺反饋系統(tǒng)，為遠程操作員提供更多信息； 同時，開發(fā)一個自動系統(tǒng)，用于更換收納區(qū)中的機械手(切換、更換滾刀/刮刀)； 最終目標是實現(xiàn)在膨潤土環(huán)境下?lián)Q刀。