基于蝼蛄无屑挖掘特性的仿生挖扩式地下掘进原理研究

Effective subsurface tunnelling equipment is the key in the exploration and utilization of urban underground space. The existing trenchless equipments, which used for small scale tunneling construction, are mostly relied on drilling or boring mode. These equipments mainly need large scale devices for fragment transportation and power supply, and have the problems of over size, poor flexibility, big vibration and noise, which is difficult to meet the need of long distance, low noise, flexible and convenient operation in urban trenchless construction. Mole cricket (Gryllotalpa orientalis), a typical soil animal, employs a unique mode in subsurface digging, which includes two motion patterns, i.e. excavating and expanding. This unique excavating-expanding mode can be the inspiration for solving the above problem. This project aims to propose a bionic non-fragment subsurface excavating method for new type of small trenchless equipments, which is based on the biological coupling mechanism of mole cricket’s non-fragment excavation. In this project, the soil failure deformation mechanism will be studied, and the geometry-kinematic-kinetic coupling mechanism and model will be analyzed and proposed based on the morphological analysis, kinematic analysis, kinetic analysis, and numerical simulations. This project can provide a theoretical basis for the development of non-fragment, long distance subsurface excavating method, as well as the design of new excavating-expanding type subsurface excavating equipment.

城市地下空间的探测及利用离不开高效的地下掘进机构。目前，用于地下小型管线施工的暗挖设备多采用旋钻方式掘进，存在行进过程必须去屑或动力机构臃肿问题，震动和噪声较大，且掘进距离有限，难以满足城市暗挖施工长距离、低噪声、灵活便捷的需求。土壤动物蝼蛄（Gryllotalpa orientalis）采用挖掘与扩张相结合的挖扩式掘进方式进行无屑挖掘，对解决上述需求是一有益的启示。本项目基于对典型土壤动物的形态分析、运动学分析、动力学分析，数值模拟计算，研究挖掘足作用下的土壤破坏变形机理；系统分析蝼蛄无屑挖掘功能的几何学-运动学-动力学生物耦合机制，建立其耦合模型；以蝼蛄挖扩式挖掘生物耦合机制为指导，提出用于小型地下挖掘机构的仿生无屑地下掘进原理，为无屑、长距离地下挖掘关键技术的研发及新型挖扩式地下掘进机构的研制提供理论依据。

用于地下小型管线施工的旋钻方式掘进暗挖设备存在排屑或动力机构臃肿、震动和噪声大、掘进距离有限等问题，难以满足城市暗挖施工长距离、低噪声、灵活便捷的需求。项目针对以上问题，以土壤动物蝼蛄（Gryllotalpa orientalis）为研究对象，从生物学、动物运动学、工程仿生学、机械设计学角度进行了仿生挖-扩式地下掘进方式与相关掘进机构研究。采用体视显微镜、扫描电镜对蝼蛄挖掘足的结构与形态进行了分析，采用纳米力学测试系统对蝼蛄挖掘足爪趾不同部位材料的力学特性进行了分析，结果表明蝼蛄爪趾端部具有更强的抗冲击性能，而爪趾基部则具有更好的抗断裂性能，该生物功能是形态-结构-材料因素相互耦合的结果。采用自主搭建的蝼蛄挖掘运动采集系统和挖掘力测试系统，进行了蝼蛄挖扩式挖掘运动特性及动力特性分析，分析了在地下挖掘运动中的挖掘足运动与作用力的作用规律，挖掘足和其他附肢及躯体的协调运动机制。结果表明，挖扩式地下掘进方式是动态耦合特性（挖掘运动方式、挖掘力输出模式）与静态耦合特性（形态-结构-材料）共同作用的结果。蝼蛄挖掘足的挖掘运动可分为挖掘、扩张、挖掘扩张3个基本类型；其挖掘动态与静态因素的耦合可实现楔入土壤、破碎土体、压实土体等效果，从而实现高效地下挖掘；在设计仿生挖扩式地下掘进机构时，应重点考虑挖掘部件的运动学特性，以期得到有效、平稳、高效的挖掘运动姿态。基于蝼蛄前足挖扩式掘进特征规律，分别设计了以曲柄摇杆、单曲柄滑块、双曲柄滑块为主要传动机构的挖掘机构样机，采用ADAMS对机构的运动轨迹、运动范围等运动学参数进行了计算与仿真分析。结果表明，以双曲柄滑块机构为基础的挖掘机构在满足强度需求的基础上可实现更大的横向扩张。根据挖掘机构设计结果，综合实际应用前景设计了以扩土运动与螺旋钻进相结合的挖掘机器人设计方案，添加了随动行走机构、转向机构及挖掘支撑机构，解决了缺乏缓冲特性，存在运动死点，不易倒退返回的问题。