本技術(shù)涉及硬巖采掘，尤其是涉及一種多刀具圓周陣列切盤擺動(dòng)式硬巖采掘裝備及采掘方法。

背景技術(shù)：

1、硬巖采掘設(shè)備是現(xiàn)代礦山開采和隧道施工中的關(guān)鍵裝備，其技術(shù)水平直接影響到工程效率與安全性，隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求的增長(zhǎng)，高效、穩(wěn)定的硬巖采掘技術(shù)成為行業(yè)發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力，傳統(tǒng)的硬巖采掘方式經(jīng)歷了從人工挖掘到機(jī)械化操作的轉(zhuǎn)變，如今已發(fā)展出多種專業(yè)化設(shè)備，這些設(shè)備不僅提升了工作效率，還在一定程度上改善了工作環(huán)境的安全性，然而，在面對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的高強(qiáng)度作業(yè)時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)、靈活的操作依然是行業(yè)亟待突破的重點(diǎn)。

2、目前，針對(duì)硬巖采掘的主要方法包括使用單一固定角度的切削頭進(jìn)行連續(xù)作業(yè)，或者利用多自由度機(jī)械臂配合簡(jiǎn)單擺動(dòng)裝置完成局部范圍內(nèi)的巖體破碎，前者通常依賴于剛性的直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來推動(dòng)刀具前進(jìn)，而后者則通過液壓系統(tǒng)控制機(jī)械臂末端工具的角度變化以適應(yīng)不同工況，此外，還有部分設(shè)備采用了可調(diào)式的旋轉(zhuǎn)組件結(jié)合特定路徑規(guī)劃算法來進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域處理。

3、盡管上述方法在各自適用場(chǎng)景下取得了一定成效，但仍存在明顯不足之處，即難以兼顧全方位覆蓋與精細(xì)化調(diào)控這兩方面的需求，特別是在需要頻繁調(diào)整采掘方位以及應(yīng)對(duì)不規(guī)則表面的情況下，現(xiàn)有技術(shù)往往因缺乏足夠的靈活性而導(dǎo)致工作效率降低甚至無法滿足實(shí)際要求，因此，開發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)在水平和垂直兩個(gè)維度內(nèi)自由調(diào)節(jié)且可以精確控制刀盤動(dòng)作軌跡的新穎結(jié)構(gòu)顯得尤為必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本技術(shù)提供一種多刀具圓周陣列切盤擺動(dòng)式硬巖采掘裝備及方法，可實(shí)現(xiàn)在水平和垂直兩個(gè)維度內(nèi)自由調(diào)節(jié)，以增強(qiáng)裝備的適用性，且裝備還可以精確控制刀盤動(dòng)作軌跡，以避免盲區(qū)的形成，并實(shí)現(xiàn)了兩種模式的刀盤高頻擺動(dòng)，以適應(yīng)不同的巖體，提升采掘效率。

2、本技術(shù)是通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：

3、一種多刀具圓周陣列切盤擺動(dòng)式硬巖采掘裝備，包括車體，所述車體的前端設(shè)有水平轉(zhuǎn)盤，所述水平轉(zhuǎn)盤上轉(zhuǎn)動(dòng)連接有轉(zhuǎn)動(dòng)座，所述轉(zhuǎn)動(dòng)座在第一動(dòng)力機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，可在水平方向進(jìn)行擺動(dòng)；所述轉(zhuǎn)動(dòng)座上鉸接有采掘臂，所述采掘臂在第二動(dòng)力機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，可在豎直方向進(jìn)行擺動(dòng)；所述采掘臂的首端轉(zhuǎn)動(dòng)連接有采掘盤，所述采掘盤均布有若干刀盤，且采掘臂上設(shè)有驅(qū)使刀盤在設(shè)定位置進(jìn)行往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)。

4、通過采用上述技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了一種能夠靈活調(diào)整采掘角度和位置的硬巖采掘裝備，具體的，該裝備通過水平轉(zhuǎn)盤與轉(zhuǎn)動(dòng)座的配合，使得采掘臂能夠在水平方向自由旋轉(zhuǎn)，從而擴(kuò)大了采掘范圍；同時(shí)，采掘臂在豎直方向的擺動(dòng)功能進(jìn)一步提高了采掘靈活性；此外，采掘盤上設(shè)置的多個(gè)刀盤以及與其配套的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以精確控制刀盤的偏轉(zhuǎn)位置，并驅(qū)動(dòng)采掘盤進(jìn)行高頻的復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)若干單個(gè)刀盤的高頻擺動(dòng)，擴(kuò)大采掘盤的采掘切削范圍，避免盲區(qū)的形成，操作局部巖體卡機(jī)的情況，以確保高效切削不同硬度的巖體，顯著提升了采掘效率和適應(yīng)性；需要指出的是，在巖體硬度不高的情況下，可利用第一動(dòng)力機(jī)構(gòu)及第二動(dòng)力機(jī)構(gòu)進(jìn)行大幅度的擺動(dòng)，以進(jìn)行高效的巖體切削，而在巖體硬度高的情況下，可利用擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)若干單個(gè)刀盤的小幅度高頻擺動(dòng)。

5、可選的，所述采掘臂的首端設(shè)有保護(hù)殼體，所述保護(hù)殼體內(nèi)腔安裝有固定盤，所述采掘盤通過背部設(shè)置的轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接在固定盤上，且所述擺動(dòng)機(jī)構(gòu)包括調(diào)節(jié)盤；所述調(diào)節(jié)盤轉(zhuǎn)動(dòng)連接在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，且調(diào)節(jié)盤由安裝在固定盤上的偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行限位及角度調(diào)節(jié)。

6、通過采用上述技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了采掘盤在采掘過程中的精準(zhǔn)控制和高效作業(yè)，具體的，?設(shè)置保護(hù)殼體及其內(nèi)部的固定盤結(jié)構(gòu)，為采掘盤提供了穩(wěn)定的安裝基礎(chǔ)，確保了采掘過程中設(shè)備的整體穩(wěn)定性；調(diào)節(jié)盤與偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的配合使用，使得采掘盤能夠?qū)崿F(xiàn)精確的角度調(diào)節(jié)和限位功能，提高了采掘操作的靈活性和適應(yīng)性。

7、可選的，所述調(diào)節(jié)盤的邊沿設(shè)有齒部；所述偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括安裝在固定盤上的角度調(diào)節(jié)電機(jī)及固定在角度調(diào)節(jié)電機(jī)輸出端的蝸桿，所述蝸桿與調(diào)節(jié)盤的齒部相嚙合。

8、通過采用上述技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采掘盤角度的精確控制，具體的，調(diào)節(jié)盤邊沿設(shè)置齒部并與蝸桿嚙合，使得角度調(diào)節(jié)電機(jī)能夠通過蝸桿傳動(dòng)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)盤的角度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采掘盤工作角度的靈活調(diào)整，且齒部與蝸桿的配合具有自鎖能力，在蝸桿調(diào)節(jié)好調(diào)節(jié)盤的角度后，可對(duì)調(diào)節(jié)盤進(jìn)行限位，這種設(shè)計(jì)提升了采掘過程的方向性和準(zhǔn)確性，有助于適應(yīng)不同巖體特性的采掘需求。

9、可選的，所述擺動(dòng)機(jī)構(gòu)包括固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的擺動(dòng)板，所述擺動(dòng)板上設(shè)有滑槽，所述滑槽中設(shè)有偏心輪，所述偏心輪由固定在調(diào)節(jié)盤上的擺動(dòng)電機(jī)提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力；所述擺動(dòng)電機(jī)的輸出軸上設(shè)有扭矩傳感器。

10、通過采用上述技術(shù)方案，振動(dòng)板固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，能夠隨采掘盤一同轉(zhuǎn)動(dòng)，而滑槽和偏心輪的配合使得偏心輪能夠在擺動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)采掘盤實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的擺動(dòng)動(dòng)作，這種設(shè)計(jì)不僅提高了采掘盤的工作靈活性，還能有效適應(yīng)不同強(qiáng)度巖體的采掘需求，此外，扭矩傳感器的設(shè)置可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)擺動(dòng)電機(jī)輸出軸上的受力情況，為設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和調(diào)整提供了可靠的數(shù)據(jù)支持，進(jìn)一步提升了采掘作業(yè)的安全性和效率。

11、可選的，所述采掘盤上均布有若干安裝套，所述安裝套的內(nèi)腔中滑動(dòng)連接有用于固定刀盤的安裝塊，且安裝塊與安裝套之間設(shè)有用于感應(yīng)刀盤軸向載荷的推力傳感器及用于蓄能的彈性件。

12、通過采用上述技術(shù)方案，能夠在采掘過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)刀盤的軸向載荷，并利用推力傳感器獲取精確的受力數(shù)據(jù)，從而為調(diào)整采掘參數(shù)提供依據(jù)；同時(shí)，彈性件的設(shè)計(jì)能夠有效吸收和緩沖刀盤工作時(shí)產(chǎn)生的沖擊能量，延長(zhǎng)刀盤使用壽命并提高設(shè)備穩(wěn)定性，且彈性件處在被壓縮狀態(tài)時(shí)，有蓄能作用，可持續(xù)為刀盤提供采掘推力。

13、進(jìn)一步可選的，所述刀盤通過旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接在安裝座上，且旋轉(zhuǎn)軸上設(shè)有從齒輪，而轉(zhuǎn)動(dòng)軸的中部設(shè)有管腔，管腔中設(shè)有固定軸，而固定軸的尾部通過螺栓固定在保護(hù)殼體上，且固定軸的前端設(shè)有與從動(dòng)齒輪相嚙合的主齒輪。

14、通過采用上述技術(shù)方案，在采掘盤高頻擺動(dòng)時(shí)，從齒輪與主齒輪之間發(fā)生相對(duì)偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了從齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，以驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)，本設(shè)計(jì)通過裝備的偏轉(zhuǎn)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)了刀盤的旋轉(zhuǎn)，提供了額外的切削力，并減小了動(dòng)力單元的設(shè)置，節(jié)約的制作成本，且還能極大地提高了工作效率和質(zhì)量。

15、可選的，所述車體前端對(duì)稱布置有若干水平轉(zhuǎn)盤，且采掘臂上方設(shè)有擋石機(jī)構(gòu)，所述擋石機(jī)構(gòu)包括鉸接臂及擋石板；所述鉸接臂的下端鉸接在采掘臂上，且鉸接臂與采掘臂之間設(shè)有用于驅(qū)使采掘臂沿豎直方向擺動(dòng)的第三動(dòng)力機(jī)構(gòu)；所述擋石板的下端鉸接在鉸接臂的上端，且擋石板與鉸接臂之間設(shè)有用于驅(qū)使擋石板沿豎直方向擺動(dòng)的第四動(dòng)力機(jī)構(gòu)。

16、通過采用上述技術(shù)方案，擋石機(jī)構(gòu)能夠有效阻擋采掘過程中飛濺的石塊，保護(hù)設(shè)備和人員安全。水平轉(zhuǎn)盤對(duì)稱布置在車體前端，使得設(shè)備受力更加均勻，提高穩(wěn)定性。鉸接臂與采掘臂之間的第三動(dòng)力機(jī)構(gòu)以及擋石板與鉸接臂之間的第四動(dòng)力機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了擋石板的角度可調(diào)，適應(yīng)不同工況下的防護(hù)需求，增強(qiáng)設(shè)備的靈活性和安全性。

17、可選的，所述車體中部設(shè)有輸送腔，所述輸送腔中設(shè)有用于將碎石轉(zhuǎn)移至車體尾部的輸送機(jī)構(gòu)；所述車體的兩側(cè)設(shè)有用于驅(qū)使車體移動(dòng)的行走機(jī)構(gòu)。

18、通過采用上述技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了硬巖采掘裝備在作業(yè)過程中的碎石自動(dòng)處理和設(shè)備自主移動(dòng)功能。具體而言，設(shè)置在車體中部的輸送腔及其內(nèi)部的輸送機(jī)構(gòu)能夠高效地將采掘過程中產(chǎn)生的碎石轉(zhuǎn)移至車體尾部，避免碎石堆積影響采掘效率；而車體兩側(cè)配備的行走機(jī)構(gòu)則賦予了設(shè)備良好的機(jī)動(dòng)性，使其能夠在復(fù)雜地形中靈活移動(dòng)，從而提升了整個(gè)采掘作業(yè)的連續(xù)性和自動(dòng)化水平。

19、進(jìn)一步可選的，所述車體首端設(shè)有用于驅(qū)使碎石進(jìn)入輸送機(jī)構(gòu)的引導(dǎo)機(jī)構(gòu)，所述引導(dǎo)機(jī)構(gòu)包括鏟板，所述鏟板上設(shè)有對(duì)稱布置的星輪，所述星輪由引導(dǎo)電機(jī)提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。

20、通過采用上述技術(shù)方案，引導(dǎo)機(jī)構(gòu)能夠有效收集采掘過程中產(chǎn)生的碎石，并將其導(dǎo)入輸送機(jī)構(gòu)中。具體而言，鏟板可阻擋并集中散落的碎石，防止其四處飛濺；對(duì)稱布置的星輪在引導(dǎo)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一步推動(dòng)碎石向輸送機(jī)構(gòu)的方向移動(dòng)，從而提高碎石收集效率，減少能源消耗和設(shè)備磨損。

21、可選的，所述車體的尾部設(shè)有用于為車體提供支撐力的支撐機(jī)構(gòu)，所述支撐機(jī)構(gòu)包括鉸接在車尾部的后支撐板，所述后支撐板的底端設(shè)有后支撐腳，且后支撐板與車體之間設(shè)有用于驅(qū)使后支撐板在豎直方向移動(dòng)的第五動(dòng)力機(jī)構(gòu)。

22、通過采用上述技術(shù)方案，車體尾部設(shè)置的支撐機(jī)構(gòu)能夠有效增強(qiáng)設(shè)備在采掘過程中的穩(wěn)定性。具體而言，后支撐板與車體之間的第五動(dòng)力機(jī)構(gòu)可調(diào)節(jié)后支撐板在豎直方向的位置，使得設(shè)備能夠在不同地形條件下保持平穩(wěn)姿態(tài)，從而提高采掘精度和作業(yè)安全性。后支撐腳組成的配置進(jìn)一步增強(qiáng)了支撐機(jī)構(gòu)與地面的接觸面積和摩擦力，確保整個(gè)設(shè)備在復(fù)雜工況下的穩(wěn)固性。

23、一種硬巖采掘方法，采用上述任一所述多刀具圓周陣列切盤擺動(dòng)式硬巖采掘裝備，其中，車體上設(shè)有用于感應(yīng)巖體分布狀態(tài)的三維激光掃描儀及感應(yīng)巖體堅(jiān)硬程度的硬度傳感器；車體與轉(zhuǎn)動(dòng)座之間還設(shè)有用于感應(yīng)采掘臂與車體之間水平偏轉(zhuǎn)角度的編碼器；采掘臂上設(shè)有用于感應(yīng)采掘臂與車體之間豎直偏轉(zhuǎn)角度的傾角傳感器；擺動(dòng)機(jī)構(gòu)中設(shè)有扭矩傳感器；采掘盤上設(shè)有推力傳感器，具體包括以下步驟：

24、s1：在采掘現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)裝備后，用三維激光掃描儀檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)巖體的空間位置特征；

25、s2：對(duì)待采掘區(qū)域進(jìn)行預(yù)采，通過調(diào)整采掘臂，以不同的采掘角度對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖體進(jìn)行采掘，同時(shí)，編碼器及傾角傳感器角度傳感器獲取采掘臂的采掘角度參數(shù)，扭矩傳感器實(shí)時(shí)獲取擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的扭矩參數(shù)，推力傳感器實(shí)時(shí)獲取單個(gè)刀盤的推力參數(shù)；

26、s3：根據(jù)采掘裝備預(yù)采過程中獲得的采掘角度參數(shù)、扭矩參數(shù)、推力參數(shù)及擺動(dòng)頻率反饋得到現(xiàn)場(chǎng)巖體的物理力學(xué)參數(shù)；

27、s4：對(duì)待采掘區(qū)域進(jìn)行開采，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖體的體積參數(shù)及巖體物理力學(xué)參數(shù)，對(duì)采掘裝備的采掘臂的擺動(dòng)幅度、采掘盤的擺動(dòng)頻率以及采掘盤的采掘角度進(jìn)行調(diào)整。

28、通過采用上述技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了一種高效的硬巖采掘方法，具體的，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖體空間位置特性和強(qiáng)度的檢測(cè)，能夠全面了解待采掘區(qū)域的情況，從而為后續(xù)精準(zhǔn)采掘提供數(shù)據(jù)支持；在預(yù)采階段，利用多種傳感器獲取采掘臂的角度、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的扭矩以及刀盤的推力等關(guān)鍵參數(shù)，確保對(duì)巖體物理力學(xué)特性的準(zhǔn)確評(píng)估；基于預(yù)采過程中獲得的數(shù)據(jù)，優(yōu)化正式采掘時(shí)采掘臂的擺動(dòng)幅度、采掘盤的擺動(dòng)頻率及采掘角度，有效提高采掘效率并減少設(shè)備磨損；整個(gè)過程實(shí)現(xiàn)了智能化操作與自動(dòng)化調(diào)整，顯著提升了硬巖采掘作業(yè)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

29、綜上所述，本技術(shù)包括以下至少一種有益技術(shù)效果：

30、1.本技術(shù)通過水平轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)動(dòng)座的組合設(shè)計(jì)，配合第一動(dòng)力機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了采掘臂在水平方向上的靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，有效解決了傳統(tǒng)設(shè)備難以全方位覆蓋的問題，提高了作業(yè)靈活性和適應(yīng)性；

31、2.本技術(shù)采用鉸接式采掘臂并結(jié)合第二動(dòng)力機(jī)構(gòu)，使得采掘臂能夠在豎直方向進(jìn)行擺動(dòng)，進(jìn)一步增強(qiáng)了采掘裝備的空間操作能力，特別適用于復(fù)雜地形或不規(guī)則表面的硬巖采掘需求；

32、3.本技術(shù)的采掘臂首端設(shè)置帶有擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的采掘盤，在巖體硬度大的情況下，可利用該機(jī)構(gòu)驅(qū)使刀盤在設(shè)定位置進(jìn)行小幅度高頻往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，顯著提升了對(duì)硬巖的精細(xì)化調(diào)控能力，從而保證了較高的采掘效率與精度，而在巖體硬度不大的情況下，也可利用第一動(dòng)力機(jī)構(gòu)及第二動(dòng)力機(jī)構(gòu)進(jìn)行大幅度的巖體切削動(dòng)作，已實(shí)現(xiàn)兩種高自由度的切削模式。