让盾构机换刀具安全又便捷

2021-08-09 17:00:00

——2021年“联盟创新风采系列调研”之十八

“盾构机”的出现，让“钻山打洞”，在幽远深长的洞穴里修路铺轨，成了非常容易的事。无论是地铁隧道还是高铁隧道，都必须依靠它。我国生产盾构机的企业，主要是中铁装备、铁建重工、中交集团等，对盾构机有需求的企业，主要则是为数众多的基建工程施工企业集团。

“盾构机”因为要与岩石等坚硬物体“作战”，持续的切割导致它的滚刀容易磨损，需要随时更换。为此，一直有企业界和科技界专家，不断努力研发盾构机换刀机器人系统，通过全自动的方式，替代传统人工换刀过程，从而降低人员和设备风险。它通过“三自由度机械滑轨”，搭载“六自由度蛇形机械臂”，可以在复杂狭窄空间内完成更换滚刀所需要的各种动作。配合设计的改进刀箱刀具单元以及机械臂末端手爪，操作人员能够在安全环境下远程监控机器人系统，提升换刀效率的同时，确保了操作人员的安全。在研发人员看来，盾构机实现自动换刀是未来的必然趋势，在市场中有着强大的推广优势。

这个刚需应用难题，在上海大学的“上海机器人研究所”得到了解决。疑难点就是需求点，就是市场机会点。上海机器人研究所，由此又涌现了一个“科技成果产业化”的优质成果。

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上海大学“上海机器人研究所”，成立超过30年时间，一直是上海科技创新的重要支撑之一。上海机器人研究所常务副所长袁建军教授介绍，盾构机是一种自动化程度很高的大型地下掘进设备，但其技术先进度已经停滞了二十多年时间没有大的革新。现阶段各地下施工场地，仍采用人工方式更换刀具。换刀过程中，为保证外界泥土等不进入仓内，需进行加压操作。极端情况下，操作人员需承受约六个大气压。同时，隧道面存在失压风险、坍塌危险，对现场工作人员造成不可逆转的伤害。基于这个特殊状态，施工各方面都对自动化换刀提出了强烈需求。

此前，国内尚无成熟研究与解决方案。2019年9月，上海大学和宏润建设集团科研团队，经过长达3年期的研发合作，成功发布了国内首台套大型高端智能装备——盾构机换刀机器人功能样机，并进行了全过程实际盾构机换刀功能动作演示。该系统的成功研发，填补了国内相关领域的空白，解决了传统人工换刀伴随的伤亡风险及高成本低效率等瓶颈问题，具有极强的社会民生及经济效益。

袁建军教授介绍说，该换刀机器人提升了盾构机在狭窄空间的可通过性和任务可完成性，确保了极端环境条件下的作业可靠性与抓刀、换刀的精准实施，将平均6小时的人工换刀过程缩短到24分钟。它既使得盾构机迅速完成换刀维护，并重新开始掘进施工，又避免了包括人员在内的各项危险。

在2019年的基础上，盾构机换刀机器人项目开始了第二期产品化研发计划。它针对两个领域——在施工企业手中的“存量盾构机”、在生产企业中即将生产出来的“新增盾构机”——开始适应性优化，并且开始进行商业模式推进工作。国产盾构机存量约为3000台，增量约为每年300台。以30%市场占有率为目标，产生的直接效益，预计产值规模为40亿元规模，年增4亿元左右；自动化换刀缩短的时间用于隧道掘进，由此带来的间接效益规模，在2000亿元以上。

2021年6月份，来自深圳施工现场的一家工程公司，向袁建军教授团队发出了第一个商业采购的订单。这个订单如约实现并展现成果之后，其他“围观”的盾构机生产企业和用盾构机来进行隧道拓进施工工程的企业，就会迅速跟进，带动整个市场的全面振兴。上海大学的上海机器人研究所，已经开始商业运作的准备，加速实现与市场需求的全面对接。

2021年，是中关村融智特种机器人产业联盟的“深度服务年”。我们的工作团队，将持续组织深度的上门调研、传播、策划、衔接、研讨、论坛、咨询等系列活动，以提升服务质量，为发展出谋献策，搭平台建桥梁，提供有效的解决方案。期待“联盟”的成员单位能够积极地响应和配合。有经验有技术有心得，及时找“联盟”分享；有困难有需求有疑惑，及时来“联盟”交流，我们一定竭尽全力，协助所有成员单位，做得更好，壮大得更快，发展得更健康；协助“特种机器人”产业，解决发展中的各个“特殊问题”，让社会上更多的“特别需求”，能够及时地受益，及早地解决。