Las tuneladoras perforan ríos y mares, y los discos de corte en la cabeza de corte, como "dientes", trituran continuamente rocas y tierra, desgastándose rápidamente y requiriendo reemplazos frecuentes. Durante mucho tiempo, cambiar un disco de corte requería que tres trabajadores ingresaran a la cámara presurizada durante más de 4 horas, enfrentando múltiples riesgos mortales como colapso del terreno, entrada de agua y arena, y enfermedad por descompresión. Ahora, esta situación ha sido completamente transformada: el 25 de junio, el primer robot inteligente de cambio de herramientas para tuneladoras de carga pesada de China se puso en funcionamiento oficialmente en la tuneladora "Xiajin Hao" del túnel de la carretera de circunvalación de la isla del puente Xiajin (tramo de Xiamen). Esto marca el inicio de una nueva era en la construcción de túneles de gran diámetro con tuneladoras en China, donde el cambio de herramientas se realiza sin intervención humana.

El desafío internacional de "cambio de herramientas difícil y peligroso"

La tuneladora es un equipo de gran envergadura para perforar ríos y mares. Durante la excavación del túnel, los discos de corte en la cabeza de corte, como "dientes", trituran continuamente rocas y tierra, desgastándose rápidamente y requiriendo reemplazos frecuentes. Sin embargo, las operaciones tradicionales de cambio de herramientas han enfrentado durante mucho tiempo desafíos graves.

El cambio tradicional requiere que tres operarios ingresen a la cámara presurizada para realizar el reemplazo, lo que toma más de 4 horas. La cámara de cambio es estrecha, oscura, húmeda y calurosa, con aire viciado, lo que dificulta los movimientos de los trabajadores y los expone a múltiples riesgos de seguridad, como inestabilidad del frente de excavación, gases nocivos y enfermedad por descompresión.

El túnel de la carretera de circunvalación de la isla del puente Xiajin (tramo de Xiamen) tiene una longitud total de 3291 metros y un diámetro de excavación de 16,15 metros, siendo el túnel de mayor diámetro con tuneladora en la provincia de Fujian. El túnel atraviesa áreas urbanas densamente pobladas, recorriendo largas distancias a través de formaciones compuestas de suelo blando superior y roca dura inferior, con una cobertura mínima de solo 8,1 metros. Cerca de la costa, el nivel freático es alto y la tasa de desgaste de las herramientas es rápida. El desafío internacionalmente reconocido de "cambio de herramientas difícil y peligroso" se amplifica aquí aún más.

Cuatro tecnologías clave logran el salto de "con personal" a "sin personal"

Para abordar estos puntos críticos técnicos, el equipo técnico de China Railway 14th Bureau Group, después de decenas de discusiones y demostraciones, y múltiples niveles de investigación y desarrollo, desarrolló un robot inteligente de cambio de herramientas basado en tecnologías iterativas como el cambio de herramientas a presión atmosférica y el cambio de herramientas con presión saturada en tuneladoras, logrando la cuarta generación de actualización de la tecnología de cambio de herramientas. El equipo pasó por etapas de desarrollo iterativo de prototipos conceptuales y prototipos de ingeniería, hasta finalmente lograr su aplicación en ingeniería.

Brazo robótico híbrido de once grados de libertad, que cubre cabezas de corte de tuneladoras de 10 a 18 metros

El robot inteligente de cambio de herramientas cuenta con 11 articulaciones móviles controlables de forma independiente, con una fuerte capacidad de evitación de obstáculos y operación precisa. Con una capacidad de carga de 500 kilogramos y una configuración flexible y extensible, puede cubrir toda la cabeza de corte de tuneladoras de gran diámetro de 10 a 18 metros, agarrando fácilmente discos de corte pesados y realizando reemplazos precisos.

Posicionamiento por visión 3D infrarroja, con precisión controlada dentro de 1 milímetro

En condiciones complejas como oscuridad, humedad y visibilidad extremadamente baja dentro de la cámara, el robot utiliza tecnología de posicionamiento por visión 3D infrarroja, equipándose con un "ojo tridimensional" de alta precisión. Puede escanear y reconocer rápidamente la posición exacta y el estado de desgaste de cada herramienta, con una precisión de posicionamiento controlada dentro de 1 milímetro.

Gestión inteligente con gemelo digital, planificación automática de la ruta óptima de cambio de herramientas

Basándose en la información de posicionamiento de las herramientas, el sistema de gestión inteligente con gemelo digital recibe datos en tiempo real y planifica automáticamente la secuencia óptima de cambio de herramientas y la trayectoria de movimiento del brazo robótico. Todo el proceso de cambio de herramientas se realiza con decisiones y ejecuciones totalmente automatizadas e inteligentes.

Hardware y software 100% nacionalizados, con derechos de propiedad intelectual completamente independientes

El hardware y software del robot están 100% nacionalizados, con derechos de propiedad intelectual completamente independientes. Hasta la fecha, se han solicitado 38 patentes de invención, 5 patentes de modelo de utilidad y se han registrado 7 derechos de autor de software.

Eficiencia de cambio de herramientas mejorada en más del 50%, eliminando por completo los riesgos de seguridad humana

La puesta en funcionamiento del robot inteligente de cambio de herramientas ha traído avances revolucionarios en dos dimensiones:

Revolución en eficiencia: el tiempo de cambio de un solo disco de corte se ha reducido de más de 4 horas a 25-40 minutos, con una mejora general de la eficiencia operativa de más del 50%.

Revolución en seguridad: todo el proceso no requiere que el personal ingrese a la cámara presurizada de la tuneladora, eliminando de raíz los riesgos de seguridad del cambio de herramientas con presión manual, mejorando integralmente el nivel de seguridad intrínseca de la construcción de túneles.

El académico de la Academia China de Ingeniería, Qian Qihu, indicó que el desarrollo del robot inteligente de cambio de herramientas ha logrado resultados en términos de seguridad, eficiencia y costos, explorando un nuevo camino para la autonomía, no tripulación e inteligencia de los equipos de ingeniería de transporte de China, y sentando las bases para su aplicación industrial. El académico de la Academia China de Ingeniería, Xiao Mingqing, señaló que China Railway Construction Corporation, después de 6 años de investigación y desarrollo de la tecnología del robot inteligente de cambio de herramientas, su exitosa puesta en funcionamiento ha logrado el salto del cambio de herramientas "con personal" a "sin personal".

Del puente Xiajin a proyectos nacionales de túneles de gran diámetro submarinos

Actualmente, el robot inteligente de cambio de herramientas para tuneladoras ha completado las pruebas de instalación en la tuneladora "Xiajin Hao" de 16 metros, y todos los parámetros de funcionamiento han sido aprobados. El 27 de junio, la tuneladora "Xiajin Hao" comenzó la excavación del túnel izquierdo, y el robot inteligente de cambio de herramientas se puso en funcionamiento simultáneamente en operaciones reales.

Zheng Lianxiao, gerente del tramo del proyecto del puente Xiajin (tramo de Xiamen) de Xiamen Road and Bridge Engineering Company, indicó que la aplicación práctica del robot inteligente de cambio de herramientas proporciona un sólido respaldo para la excavación segura y eficiente del túnel. El equipo del proyecto apoyará plenamente la aplicación de la nueva tecnología en ingeniería, trabajando juntos para crear una solución de cambio de herramientas inteligente replicable y promovible, proporcionando un modelo para proyectos nacionales de túneles de gran diámetro submarinos.

Las perspectivas de aplicación de este avance tecnológico son amplias:

Construcción de pasajes submarinos: se puede aplicar ampliamente en la construcción de túneles de gran diámetro con tuneladoras en los principales proyectos de pasajes submarinos que se están llevando a cabo en China;

Túneles urbanos profundos: proporciona un cambio de herramientas seguro y eficiente para la construcción con tuneladoras en condiciones geológicas complejas en áreas urbanas centrales;

Industrialización de equipos inteligentes: proporciona soporte de equipos centrales para la actualización inteligente de toda la cadena de construcción con tuneladoras, impulsando la aceleración de los equipos de ingeniería de transporte de China hacia la autonomía, no tripulación e inteligencia.

De "con personal" a "sin personal", de "4 horas" a "25 minutos", de "presión manual" a "sin personal en todo el proceso" — este robot "médico" con un brazo robótico de once grados de libertad, visión 3D infrarroja y un cerebro de gemelo digital está redefiniendo los estándares de seguridad y eficiencia en la construcción de túneles en China.