При проходке щитовыми комплексами под реками и морями дисковые шарошки на режущей головке, подобно «зубам», непрерывно перемалывают скальные породы и грунт, что приводит к их быстрому износу и частой замене. Долгое время для замены одной шарошки требовалось три рабочих, которые в течение более 4 часов выполняли работы в барокамере под давлением, сталкиваясь с множеством смертельных рисков, таких как обрушение грунта, прорыв воды и песка, декомпрессионная болезнь. Теперь эта ситуация полностью изменилась: 25 июня в Китае на щитовом комплексе «Сяцзиньхао» на туннеле Хуаньдаолу моста Сяцзинь (участок Сямэнь) был официально введён в эксплуатацию первый в стране тяжёлый интеллектуальный робот для замены шарошек щитовых комплексов. Это знаменует собой новый этап строительства крупногабаритных щитовых туннелей в Китае, переходящий к безлюдной замене шарошек.
Международная проблема «сложности и опасности замены шарошек»
Щитовой проходческий комплекс — это важнейшее оборудование страны для проходки под реками и морями. В процессе бурения туннеля дисковые шарошки на режущей головке, подобно «зубам», непрерывно перемалывают скальные породы и грунт, что приводит к их быстрому износу и необходимости частой замены. Однако традиционные работы по замене шарошек долгое время сталкивались с серьёзными вызовами.
Традиционная замена требует трёх рабочих для входа в барокамеру под давлением и занимает более 4 часов. Внутри камеры для замены пространство ограничено, освещение тусклое, душно и влажно, воздух загрязнён. Рабочие не только испытывают трудности с передвижением, но и подвергаются множеству рисков безопасности, таких как нестабильность забоя, вредные газы и декомпрессионная болезнь.
Туннель Хуаньдаолу моста Сяцзинь (участок Сямэнь) имеет общую длину 3291 метр, диаметр проходки достигает 16,15 метра, что делает его крупнейшим щитовым туннелем в провинции Фуцзянь. Туннель проходит под оживлёнными центральными районами, на большом протяжении пересекает комбинированные слои с мягким верхом и твёрдым низом, минимальная глубина залегания грунта составляет всего 8,1 метра, уровень грунтовых вод вблизи береговой линии высок, а скорость износа режущего инструмента велика. «Сложность и опасность замены шарошек» — эта общепризнанная международная отраслевая проблема здесь усугубляется.
Четыре ключевые технологии, обеспечивающие переход от «присутствия человека» к «отсутствию человека»
Для решения вышеуказанных технических проблем техническая команда China Railway 14th Bureau Group после десятков обсуждений и демонстраций, а также многоуровневых целевых исследований, на основе итеративной разработки технологии замены шарошек при нормальном давлении и технологии замены шарошек под насыщенным давлением, создала интеллектуального робота для замены шарошек, осуществив четвёртое поколение модернизации технологии замены шарошек щитовых комплексов. Оборудование прошло этапы итеративной разработки от принципиального прототипа до инженерного прототипа, в конечном итоге достигнув инженерного применения.
Одиннадцатистепенной гибридный манипулятор, охватывающий режущие головки щитовых комплексов диаметром от 10 до 18 метров
Интеллектуальный робот для замены шарошек имеет 11 независимо управляемых подвижных сочленений, обладая высокой способностью к обходу препятствий и точным операциям. Благодаря грузоподъёмности в 500 кг и гибкой выдвижной конструкции, он может охватывать всю режущую головку сверхкрупногабаритных щитовых комплексов диаметром от 10 до 18 метров, легко захватывать тяжёлые дисковые шарошки и точно выполнять замену.
3D-инфракрасное машинное зрение для позиционирования с точностью до 1 мм
В сложных условиях, таких как темнота, влажность и плохая видимость внутри камеры, робот полагается на технологию 3D-инфракрасного машинного зрения для позиционирования, устанавливая себе высокоточные «стереоскопические глаза». Он может быстро сканировать и распознавать точное положение и состояние износа каждого режущего инструмента, с точностью позиционирования в пределах 1 мм.
Цифровое двойное интеллектуальное управление, автоматическое планирование оптимального пути замены шарошек
На основе информации о позиционировании режущего инструмента встроенная система цифрового двойного интеллектуального управления в реальном времени получает данные и автоматически планирует оптимальную последовательность замены и траекторию движения манипулятора. Весь процесс замены шарошек реализует полностью автоматическое интеллектуальное принятие решений и выполнение.
100% локализация программного и аппаратного обеспечения, полностью независимые интеллектуальные права
Программное и аппаратное обеспечение робота на 100% локализовано, с полностью независимыми интеллектуальными правами. На данный момент подано 38 заявок на патенты на изобретения, 5 заявок на патенты на полезные модели и зарегистрировано 7 свидетельств на программное обеспечение.
Эффективность замены повышена более чем на 50%, полностью устранены риски безопасности для персонала
Внедрение интеллектуального робота для замены шарошек привело к революционным прорывам в двух аспектах:
Революция эффективности: время замены одной дисковый шарошки сокращено с традиционных более 4 часов до 25–40 минут, общая эффективность работ повышена более чем на 50%.
Революция безопасности: весь процесс не требует входа персонала в барокамеру щитового комплекса, что полностью устраняет риски безопасности при замене шарошек под давлением и повышает фундаментальный уровень безопасности строительства туннелей.
Академик Китайской инженерной академии Цянь Циху заявил, что разработка интеллектуального робота для замены шарошек достигла результатов в области безопасности, эффективности и стоимости, открыв новый путь для автономного, безлюдного и интеллектуального развития транспортного оборудования Китая, а также заложив основу для промышленного применения. Академик Китайской инженерной академии Сяо Минцин заявил, что China Railway Construction Corporation в течение 6 лет разрабатывала технологию интеллектуального робота для замены шарошек, и её успешное внедрение позволило совершить переход от «работы с участием человека» к «работе без участия человека» при замене шарошек щитовых комплексов.
От моста Сяцзинь до национальных сверхкрупногабаритных щитовых проектов через море
В настоящее время интеллектуальный робот для замены шарошек щитовых комплексов прошёл отладку на 16-метровом щитовом комплексе «Сяцзиньхао», все параметры движения приняты. 27 июня щитовой комплекс «Сяцзиньхао» начал проходку левой линии туннеля, и интеллектуальный робот для замены шарошек одновременно приступил к практической работе.
Чжэн Ляньсяо, руководитель участка проекта моста Сяцзинь (участок Сямэнь) компании Xiamen Road and Bridge Engineering Company, заявил, что практическое применение интеллектуального робота для замены шарошек обеспечивает надёжную поддержку безопасной и эффективной проходки туннеля. Команда проекта будет полностью поддерживать инженерное применение новых технологий, совместно создавая тиражируемое и масштабируемое решение для интеллектуальной замены шарошек, служащее образцом для национальных сверхкрупногабаритных щитовых проектов через море.
Перспективы применения этого технологического прорыва широки:
Строительство морских переходов: может широко применяться при строительстве сверхкрупногабаритных щитовых туннелей в рамках различных реализуемых в стране проектов морских переходов;
Городские глубокие туннели: обеспечивает безопасную и эффективную замену шарошек при щитовой проходке в сложных геологических условиях центральных районов городов;
Индустриализация интеллектуального оборудования: обеспечивает поддержку ключевого оборудования для интеллектуальной модернизации всей цепочки щитового строительства, ускоряя движение транспортного оборудования Китая в направлении автономности, безлюдности и интеллектуализации.
От «присутствия человека» до «отсутствия человека», от «4 часов» до «25 минут», от «работы под давлением с участием человека» до «полностью безлюдного процесса» — этот робот-«врач» с одиннадцатистепенным манипулятором, 3D-инфракрасным зрением и цифровым двойным мозгом переопределяет стандарты безопасности и эффективности туннельного строительства в Китае.