無需帶壓進艙，實現遠程換刀
——NFM開發TBM換刀機器人NeTTUN

1 開發背景

在TBM掘進過程中刀具會出現磨損，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開發了NeTTUN機器人系統，旨在提高TBM換刀的效率與安全性。

2 設計理念

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，縮短維護時間，降低工人發生安全事故的概率。

3 NeTTUN機器人系統

機器人專為直徑超過8.5 m的TBM設計，適用于泥水與土壓TBM，對刀盤重新設計后也適用于硬巖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，與電動技術相比可實現更好的緊湊性和更高的功率質量比。3)機器人可適應直徑8.5～16 m的TBM，無需硬件改動，僅需調整軟件參數。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 硬件構造

機器人由收納區、刀具運輸系統、基座、關節臂和機械手5個主要部分組成。

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

2)關節臂用于將機械手定位至需要更換的刀具處，在開挖艙內展開并對準適當方向。關節臂需要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?？紤]到刀具和機械手本身質量，第2個旋轉關節需要具備超過12 000 N·m的轉矩。

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

3.2 作業區域

機器人存放在TBM上部一個與護盾相連的收納區，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，磨損較小；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勢很小。

4 自動化換刀

自動化換刀流程如圖1所示。循環1為部分刀具換刀；循環2為單把刀具換刀；循環3為刀盤全部換刀。循環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，為遠程操作員提供更多信息； 同時，開發一個自動系統，用于更換收納區中的機械手(切換、更換滾刀/刮刀)； 最終目標是實現在膨潤土環境下換刀。