На строительной площадке тоннеля на участке кольцевой дороги проекта моста Сяцзинь (Сямыньский участок) в Китае «стальная рука» с одиннадцатью степенями свободы работает внутри 16,15-метрового ТПМК сверхбольшого диаметра. Ей больше не нужны рабочие, которые под давлением входят в камеру и вручную, в грязи и духоте, перемещают тяжёлые дисковые шарошки весом более 200 кг. Вместо этого, под управлением системы цифровых двойников, она автономно выполняет идентификацию инструмента, планирование траектории и точную замену. 25 июня компания «Чжунте шиэрцзюй» (China Railway 14th Bureau Group) официально представила и успешно применила первый в Китае тяжёлый интеллектуальный робот для замены дисковых шарошек ТПМК, разработка которого велась 6 лет. Это знаменует собой вступление строительства тоннелей ТПМК большого диаметра в новый этап «безлюдной замены шарошек».

Износ «зубьев» ТПМК: замена шарошек подобна «подземному разминированию»

ТПМК — это важнейшее оборудование страны для проходки гор и морей. Резцы на передней части режущей головки, подобно «зубам», режут грунт и скальные породы, и по мере проходки они изнашиваются. Эффективная и безопасная замена шарошек — ключ к поддержанию боеспособности ТПМК.

Однако условия традиционной замены шарошек под давлением крайне суровы. При строительстве с использованием ТПМК с гидропригрузом рабочим необходимо входить в камеру под давлением. Это не только затрудняет передвижение, но и сопряжено с множеством рисков, таких как нестабильность забоя, вредные газы, декомпрессионная болезнь и другие. Пространство в камере замены шарошек тесное, освещение тусклое, душно и жарко, воздух спёртый. Традиционная замена шарошек требует участия 3 рабочих и занимает более 4 часов, что неэффективно и дорого.

«Сложность обнаружения и опасность замены шарошек» стали общепризнанными проблемами отрасли. Особенно при строительстве тоннелей ТПМК сверхбольшого диаметра, где количество шарошек велико, а риск износа высок, частота и сложность операций по замене возрастают многократно. На тоннельном участке кольцевой дороги проекта моста Сяцзинь (Сямыньский участок) используется ТПМК сверхбольшого диаметра с диаметром проходки 16,15 м. Это тоннель ТПМК наибольшего диаметра в провинции Фуцзянь. Тоннель проходит под оживлённым центральным районом города, характеризуется наличием на большом протяжении комбинированных грунтов с твёрдым низом и мягким верхом, минимальная глубина залегания составляет всего 8,1 м. Риск износа шарошек крайне высок — традиционные методы ручной замены уже не могут удовлетворить двойные требования безопасности и эффективности.

Прорыв в четырёх ключевых технологиях: от «ручного труда» к «интеллектуальной автоматизации»

Исследовательская группа компании «Чжунте шиэрцзюй», начав с механизации, автоматизации и интеллектуализации, после 6 лет разработки создала этого интеллектуального робота для замены шарошек ТПМК, обладающего полностью независимыми правами интеллектуальной собственности. Программное и аппаратное обеспечение робота на 100% произведено в Китае. На данный момент подано 38 заявок на патенты на изобретения, 5 заявок на патенты на полезные модели и зарегистрировано 7 свидетельств на программное обеспечение.

Особенность 1: Комбинированный манипулятор с одиннадцатью степенями свободы — манипулятор с наибольшим количеством степеней свободы в отрасли

Операции по замене шарошек ТПМК под давлением выполняются за режущей головкой, где пространство чрезвычайно ограничено. Чтобы обеспечить манёвренность в ограниченном пространстве, команда создала комбинированный манипулятор с одиннадцатью степенями свободы, что является рекордом в отрасли. Благодаря гибкой телескопической конструкции и многодатчиковой системе предотвращения столкновений, этот манипулятор может охватить всю режущую головку ТПМК сверхбольшого диаметра от 10 до 18 метров.

Особенность 2: Грузоподъёмность 500 кг — лёгкое обращение с тяжёлыми дисковыми шарошками весом более 200 кг

Инструменты ТПМК изготовлены из сплавов, многие дисковые шарошки весят более 200 кг. Команда, используя многоступенчатый телескопический тяжёлый манипулятор, решила проблему устойчивости при работе с большим вылетом стрелы. Благодаря оптимизации алгоритмов, грузоподъёмность оборудования была увеличена до 500 кг, что позволяет легко захватывать тяжёлые дисковые шарошки и точно выполнять их замену.

Особенность 3: 3D-инфракрасное машинное зрение для позиционирования — точность в пределах 1 мм

При работе ТПМК с гидропригрузом камера заполнена большим количеством бурового раствора, что делает традиционное визуальное распознавание непригодным для автоматизации. Для решения этой проблемы команда разработала технологию 3D-инфракрасного машинного зрения, оснастив робота высокоточным «стереоскопическим зрением». Это позволяет в сложных условиях быстро сканировать и распознавать точное положение и степень износа каждого инструмента с точностью позиционирования в пределах 1 мм.

Особенность 4: Интеллектуальная система управления на основе цифровых двойников — предварительное моделирование, оперативное вмешательство, последующий анализ

В сложных подземных условиях простое ручное управление по-прежнему сопряжено со многими рисками. Команда создала интеллектуальную систему управления на основе цифровых двойников, которая в реальном времени получает данные и автоматически планирует оптимальную последовательность замены шарошек и траекторию движения манипулятора. Это обеспечивает полный цикл интеллектуального управления операциями по замене шарошек: предварительное моделирование, оперативное вмешательство и последующий анализ.

Повышение эффективности более чем на 50%, реальное достижение «безлюдного входа в камеру»

Благодаря вышеуказанным технологиям, практические результаты работы интеллектуального робота для замены шарошек впечатляют:

Использование интеллектуального робота для замены шарошек в сочетании с интеллектуальной системой управления на основе цифровых двойников проекта позволяет сократить время замены одной дисковой шарошки до 25–40 минут, повысив эффективность более чем на 50%. Весь процесс не требует присутствия персонала в камере, что реально обеспечивает мало- и безлюдную работу, эффективно повышая внутреннюю безопасность строительства ТПМК.

Оценка академиков: «В целом достигнут международный передовой уровень»

На состоявшемся во второй половине дня заседании по оценке ключевых технологий интеллектуального робота для замены шарошек ТПМК большого диаметра, организованном Китайским обществом автомобильных дорог (China Highway Society), оценочная группа, состоящая из академиков Китайской инженерной академии Цянь Циху, Лян Вэньхао, Хэ Чуаня, Сяо Минцина и других экспертов, единогласно признала: «Данные результаты исследований представляют высочайший технический уровень Китая в этой области и в целом достигли международного передового уровня».

Академик Цянь Циху высоко оценил разработку оборудования, отметив, что выбор направления создания робота для замены шарошек «сделан точно и правильно», соответствует тенденциям автономизации, автоматизации и интеллектуализации транспортного оборудования, открывая новый путь в области безопасности, эффективности и стоимости.

От моста Сяцзинь до китайских сверхбольших тоннельных проектов ТПМК

Первым полем боя для интеллектуального робота по замене шарошек ТПМК стал тоннель на участке кольцевой дороги проекта моста Сяцзинь (Сямыньский участок). Общая длина этого тоннеля составляет 3291 м, а его часть, проходимая ТПМК, строится с использованием ТПМК сверхбольшого диаметра 16,15 м, что делает его тоннелем ТПМК наибольшего диаметра в провинции Фуцзянь. Робот уже успешно применён на 16-метровом ТПМК «Сяцзинь хао», что будет способствовать безопасной и эффективной проходке тоннеля.

В будущем эта технология имеет широкие перспективы применения:

Для сверхбольших тоннельных проектов ТПМК в сложных геологических условиях: По мере развития китайского тоннелестроения в направлении «сверхглубоких, сверхдлинных и сверхсложных геологических условий», риск износа шарошек постоянно возрастает. Интеллектуальный робот для замены шарошек предлагает безопасное и эффективное решение для высокорисковых и высокочастотных операций по замене.

Продвижение концепции «замена человека машиной» в тоннелестроении ТПМК: Участники заседания провели углублённые дискуссии, сосредоточившись на будущих сценариях строительства тоннелей ТПМК, в частности на направлениях «замены человека машиной», мало- и безлюдного интеллектуального строительства. Успешное применение интеллектуального робота для замены шарошек знаменует собой движение строительства тоннелей ТПМК к полностью безлюдному процессу.

Стимулирование модернизации цепочки отечественного высококлассного оборудования: Программное и аппаратное обеспечение робота на 100% произведено в Китае и обладает полностью независимыми правами интеллектуальной собственности. Это не только сломало иностранную технологическую монополию, но и закладывает прочную основу для индустриального развития китайского интеллектуального строительного оборудования для тоннелей ТПМК.

От зависимости от рабочих, входящих в камеру под давлением и вручную, в грязи и духоте, перемещающих дисковые шарошки весом более 200 кг, до манипулятора с одиннадцатью степенями свободы, который под управлением системы цифровых двойников автономно выполняет идентификацию инструмента и точную замену — успешное применение первого в Китае тяжёлого интеллектуального робота для замены шарошек ТПМК освобождает человека из самых опасных подземных условий, позволяя строительству тоннелей ТПМК большого диаметра по-настоящему вступить в новый этап «безлюдной замены шарошек».

Это исторический скачок от «тактики массовки» к «интеллектуальной автоматизации» и ещё одна важная веха в развитии автономизации и интеллектуализации китайского оборудования для подземного строительства.