随着煤矿井下无轨辅助运输的推广以及沿空留巷、快速封闭、壁后充填、空区灌浆等混凝土支护工艺的兴起,混凝土在煤矿井下的应用范围越来越广,需求量越来越大,质量要求也越来越高。煤矿用铰接式搅拌车在满足混凝土运输的同时,可避免斗式材料车传统运输带来的离析、凝固、泄露、卸量不可控等一系列问题,并能实现减人增效、安全环保、保质保量,具有极大的潜力和前景。然而煤矿用混凝土搅拌运输车在设计上会遇到一定的痛点和难点,因其需要满足煤矿安标要求,巷道通过性,车辆安全性,还要兼顾运输能力,所以车辆结构采用中央铰接形式以减小转弯半径,不设悬挂而增设摆架以降低车辆高度,同时增加地形通过性能,车身低窄以适应巷道条件等等,独特的设计方式会造成车辆横向刚度减弱、车辆重心不稳,进而引起车辆稳定性变弱等安全隐患。目前国内外针对铰接式搅拌车的稳定性能相关研究尚未开展,建立准确的流态混凝土模型,并将载有流态混凝土的搅拌筒模型和铰接车辆模型非线性结合,最终实现铰接式搅拌车的稳定性控制是本研究课题的创新点和关键点。本文以煤矿用铰接式混凝土搅拌运输车为研究对象,将流态预拌混凝土视作液固两相流,研究其在旋转搅拌筒内的运动机制,及其运动过程中对铰接式搅拌运输车辆的稳定性影响,并根据车辆动力学特性设计整车稳定性控制系统,具体研究工作有以下几点:(1)流态预拌混凝土搅拌机制研究首先基于离散单元方法,将预拌混凝土成分中的骨料视作固相,水泥砂浆视作液相,充分考虑预拌混凝土在搅拌过程中出现的不同接触形式,对两相流接触机理以及接触模型进行了详细的分析及推导,并进行了二次开发,通过修改相关参数分别模拟五种不同强度等级的商品预拌混凝土,进行了塌落度仿真和十字叶片流变性能仿真,并与传统液桥模型仿真结果以及实验数据计算结果进行对比,最终验证了该接触模型的有效性和准确性。然后建立搅拌筒动力学模型,选取搅拌筒内预拌混凝土微单元对其进行动力学和运动学分析,求取其动态质心坐标,并通过积分计算得出搅拌筒内预拌混凝土宏观动态质心坐标。采用离散单元法,从宏观和微观层面对搅拌筒内预拌混凝土运动状态和轨迹进行了研究。并对不同装料体积和不同搅拌速度下的搅拌筒内混凝土运动机制和质心坐标进行了分析和对比研究,最终得出对铰接式搅拌车稳定性影响最小并兼顾预拌混凝土搅拌质量的最佳运载方案。(2)铰接式混凝土搅拌运输车辆稳定性分析首先对铰接式混凝土搅拌运输车进行动力学建模,考虑车辆x、y、z方向运动,前车体、后车体绕x轴的翻滚,前摆架绕x轴的翻滚,整车绕y轴的俯仰,前车体与前摆架绕z轴的横摆,后车体与罐体绕z轴的横摆,并与搅拌筒动态模型进行非线性耦合,建立整车9自由度动力学模型。并根据车辆四轮速度关系,推导车辆平路转向工况速度控制算法。建立了整车侧向翻滚动力学方程,引用横向载荷转移率作为预测车辆侧倾危险的指标。选取UA轮胎模型作为车用轮胎,基于SAE轮胎运动坐标系对其进行动力学建模和性能分析,考虑其行驶工况较为恶劣,载荷变化较为频繁,通过动力学分析了垂向载荷变化对轮胎运动特性的影响。然后分别在平路转向和单轮过障两种工况下对铰接式混凝土搅拌运输车辆进行动力学分析,研究了车辆载有流态预拌混凝土状态下,不同速度、不同转向角、以及转向快慢对车辆稳定性的影响,分析了车辆载有流态混凝土状态下,单侧轮胎通过三角凸台时的车辆稳定性能。(3)车辆稳定性控制分析以侧偏角、横摆角速度以及翻滚角速度为反馈值,针对煤矿用某型铰接式混凝土搅拌运输车,研究了车辆稳定性控制策略,开发了一套电液控制系统,对车辆控制变量达到阈值时进行补偿转向、差动制动、主动差动以及翻滚力矩控制,使车辆在转弯和过障工况下保持行驶稳定。并设计搭建了控制系统的混凝土搅拌车跑合实验,测试了车辆的稳定性能。实验结果表明,车辆采用控制系统控制后,车辆横摆角速度和翻滚角被有效控制在目标值附近,获得了更好的稳定性能,验证了该非线性铰接搅拌车模型的有效性。