智造“换刀手” 闯关“无人区”

    通讯员  李桂香  李聪警

    6月25日，鹭岛滨海，疏雨淅沥。中铁十四局厦金大桥（厦门段）环岛路隧道“厦金号”盾构机上，一幅颇具科幻感的画面正在上演——泥水舱内空无一人，智能机器人稳稳伸出机械臂，取旧刀、换新刀，一气呵成。

    监控中心内，中国工程院院士钱七虎、梁文灏、肖明清共同见证了这一时刻。这是我国大盾构施工首次由机器人独立完成换刀作业，从此，大盾构带压换刀迈入无人化新阶段。

    这台拥有完全自主知识产权的智能换刀机器人，拥有11个自由度、500公斤负载能力，可覆盖10米至18米级超大直径盾构机全刀盘，软硬件实现100%国产化。亮眼数据的背后，是科研团队六年时间在“无人区”闯出的一条自主创新之路。

    从零起步找方向

    时间回到2021年初，关于“换刀机器人”的第一次正式讨论，气氛有些悲壮。中铁十四局大盾构研究院院长王华伟回忆，“国内外没有成熟产品可以参考，大家想摸着石头过河，但石头在哪都不知道。”

    长期以来，盾构换刀依赖人工带压进舱。传统方式需3名作业人员耗时4小时以上，单次费用数万元，往往需反复加压减压、多次进舱，作业人员还时刻面临掌子面失稳、涌水涌砂、有害气体及减压病等风险。随着隧道向更深地层、更长距离延伸，人工换刀的风险和成本被成倍放大，研发智能换刀机器人，成为必答题。

    但机器人长什么样、走哪条技术路，没人说得清。团队先后奔赴中国科学院、清华大学、大连理工大学等高校研讨，最终两条技术路线浮出水面：重载机器人带压换刀、桁架机器人常压换刀。

    院里决定不搞“二选一”，两个团队揭榜挂帅，并行攻关。方案论证、图纸设计、仿真分析……一年后，双方团队各自拿出详细方案，从技术成熟度到工程适配性，从加工难度到安全风险，每一项都被反复掂量。

    “常压刀盘换刀安全，但刀筒结构占用放刀空间，较同尺寸带压刀盘少五成以上滚刀，且中心开口小，渣土易黏结成泥饼，掘进效率上不去。”王华伟算了一笔账，“带压刀盘结构简单，硬岩地层优势明显，但换刀风险大。”

    研究院专门组织专家评审会，邀请机械、施工、设计院及高校权威专家逐项比对论证。几番权衡之下，团队决定放弃常压路线，将所有优势资源集中投向带压换刀机器人。

    关关难过关关过

    方向定了，真正的攻坚战才刚刚开始。

    多级伸缩臂是机器人的“手臂”，末端额定负载500公斤，臂体加工精度近乎苛刻，任何微米级的偏差都会在末端放大为厘米级的定位误差。

    科研骨干直接住进设备厂家，白天守机床，晚上推敲方案。中铁十四局大盾构研究院盾构机械所副所长魏英杰回忆说，“工人师傅说差一丁点儿根本看不出来。但到了现场肯定就是大问题。”最终，伸缩臂配合间隙被锁定在0.05毫米，运行平顺无卡滞，结构刚度满足重载要求。

    伸缩臂刚拿下，刀座又泼了冷水。初代产品采用加长楔块结构，试验中螺杆受弯易疲劳断裂。团队连夜分析力学机理，增设反斜面抵消附加弯矩，一周内有限元仿真跑了几十组角度，敲定了最优构型。改良后的一体化刀座上机测试，螺杆受弯的问题彻底解决，各项性能全部达标。

    刀座过关了，摆动缸又把大家卡在半路。试验中，大家发现原理样机角度精度可达0.01度，但密封结构内部泄漏偏大。团队多次赶赴生产厂家改进方案，密封道数从一道增至三道，泄漏削减效应却逐次递减，即使更换多种密封型式，数据始终徘徊在目标线上。团队冷静复盘后打出“组合拳”，密封道数优化、密封型式比选、装配工艺精进三管齐下，最终将内泄漏量控制在每分钟150毫升以内，关节自锁能力达到设计指标。

    但还来不及松口气，“螺栓对位”又成了拦路虎。刚性扳手只有4毫米径向容差，市面万向扳手又偏大，塞不进机械臂末端。团队自主研制自适应扭矩扳手，轴向补偿量达到10毫米，角度容差达到5度，即便舱内视线受阻、空间有限，也能精准对位。

    回望一路磕绊，课题负责人刘四进说，“没有谁一开始就知道答案，都是一步步试出来的。”

    现场上岗见真章

    核心技术全部打通，但从实验室走向应用，才是真正的“大考”。团队将目光投向厦金大桥（厦门段）环岛路隧道，这里紧邻海岸线，地下水位高，穿越上软下硬、孤石和基岩凸起等复合地层，中风化花岗岩强度最高达134.34兆帕，刀具磨损极快。

    但“厦金号”是既有设备，舱门、筋板、管线全部按人工换刀设计，从未考虑过加装机器人。而左线始发节点已定，留给改装的时间只有四个月。装备公司打破串行生产模式，加工、质检、预装、总装专人专岗、并行推进。

    机器人行走轨道的支撑面和舱门安装面之间，垂直度要求控制在1毫米以内，团队加装辅助垂直工装控制变形，热处理后全尺寸扫描、精度补偿，使垂直度一次达标。数十吨舱体与上百吨盾体对接，需要通过45个直径30毫米螺栓孔连接，无异于巨物穿针。团队采用“可移动滑轨+高度可调支撑结构”组合设计，不仅将对接精度控制在毫米级，工期也从3天缩至1天。

    机械结构装配完成，机器人有了“骨架”和“四肢”。但舱内昏暗泥泞、泥浆飞溅，常规摄像头根本看不清。团队把市面上主流视觉方案逐个搬进实舱，在覆泥、弱光、高湿环境中反复比对，最终选取3D红外机器视觉定位技术，昏暗潮湿环境内也能快速识别刀具位置与磨损状态。

    有了“眼睛”，还得有“大脑”。团队从底层数据交互写起，前后迭代了二十多轮，搭建起虚实融合管控平台，实现实时监控、轨迹预演、碰撞预警、历史回放、故障溯源。数字孪生系统实时接收数据，自动规划最优换刀顺序和路径。

    目前，智能换刀机器人已申请专利40余件，登记软件著作权7项。2026年5月，经第三方检测，22项功能全部符合要求。

    钱七虎院士评价说，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、智能化发展探索了新路径。肖明清院士指出，该技术实现了盾构换刀从“有人”到“无人”的跨越。

    未来十年，中国隧道建设超过1万公里，盾构装备需求超1000台，带动投资约2万亿元。这台“换刀手”从厦金大桥起步，它的路才刚刚开始。