换刀机器人出舱到达作业位置，准备开启换刀作业。 　　范少文摄

　　近日，中国盾构行业再次实现新突破：全球首款重载智能盾构换刀机器人，顺利完成带压换刀作业，成功“上岗”。

　　盾构机，被誉为地下“工程机械之王”，其穿江越海、与土体岩层较量，靠的是刀盘上的一把把刀具。然而，这些“铁齿钢牙”日复一日地切削岩石泥土，磨损极快，需要频繁更换。因此，换刀决定了盾构隧道掘进的效率，是盾构施工中最“寻常”也最危险的工作。

　　换刀，之所以危险，主要在于作业人员需要进入比标准大气压高出数倍的开挖舱内工作。高压下，人体容易出现“氮麻醉”，还可能面临掌子面失稳的风险。

　　“国内带压换刀第一人”赵斌介绍，根据国内现行标准，常规带压换刀最大压强为6巴，相当于水深60米的压力，重重风险，让这项工作被称为在“刀尖上跳舞”。

　　2008年以前，进舱换刀只能请外国工程师进行，一次花费60万元。赵斌成功完成国内首次6巴带压换刀后，我国才完全解锁这项核心技术。

　　然而，带压换刀依然是一场“极限挑战”，单组人员每次进舱换刀有效作业时间仅20到40分钟，之后必须进行数小时减压，至今仍面临人员风险高、作业效率低、成本居高不下等困难。

　　有没有办法破解带压换刀难题呢？

　　中国工程师们首先尝试了“常压换刀”。所谓“常压换刀”，就是让操作人员在不承受额外压力的常压环境下完成刀具更换。

　　这一原理，说起来简单，做起来却需要对刀盘结构进行根本性变革。简单来说，工程师们需要给刀具安装一个可独立拆装的“安全隔离舱”，让作业人员无需进入前方的开挖舱内，在刀盘后方的常压舱室内，从容地为盾构机更换“牙齿”。

　　然而，一个个刀具“安全隔离舱”的设置，不可避免会占据空间，导致刀盘所能布置的刀具变少，难以适应复杂地质高效掘进要求。

　　“常压换刀”技术之外，有没有可能让机器代替人去换刀呢？

　　2020年，中铁十四局组建技术攻关团队。彼时，全球范围内，盾构换刀机器人还没有一例成熟的工程应用。

　　团队埋头干了6年，最终研制出全球首款重载智能盾构换刀机器人。这款机器人拥有11个独立、可控的活动关节，负载能力达到500公斤。凭借灵活伸缩的结构，以及强大的“臂力”，可以轻松覆盖10米至18米级超大直径盾构机的刀盘，满足各类刀具的换刀需求。

　　这款机器人除了“手臂”灵活、“手掌”有力，还拥有“聪明大脑”。其搭载了3D红外机器视觉定位系统，能在昏暗潮湿的舱内快速扫描识别每一把刀具的位置和磨损状态，定位精度控制在1毫米以内；数字孪生智慧管控系统，则可以自动规划最优换刀顺序和机械臂运动路径。

　　“依托‘聪明大脑’，换刀机器人单把滚刀更换时间只需25至40分钟，效率提升50%以上。”中铁十四局智能换刀机器人项目负责人刘四进介绍，最关键的是全程舱内无人。

　　不仅如此，机器人整机软硬件实现100%国产化，拥有完全自主知识产权，目前已申报专利30余项、软件著作权7项。

　　中国工程院院士钱七虎评价道，智能换刀机器人的研发在安全、效率、成本等方面取得成效，为我国交通工程装备自主化、无人化、智能化发展探索了全新路径。

　　作者：本报记者  李心萍