悬臂式掘进机是煤矿井下综掘工作面的核心设备,其工作性能是否稳定可靠直接影响着煤矿巷道的掘进效率及安全。煤巷综掘工作面环境恶劣,工作时掘进机的截割头会受到较大的冲击载荷,并且随机波动,使得掘进机表现出复杂多变的力学特征。悬臂式掘进机的关键结构在工作过程中起主要承载作用,主要包括截割头、截割臂、回转台、升降油缸和回转油缸。关键结构的力学特性是掘进机稳定性、可靠性研究的基础,为了使掘进机安全高效地工作,关键结构必须具备良好的静、动态力学特性。目前,对于掘进机关键结构的力学特性的研究还不够成熟,许多基础技术问题有待于进一步解决和完善。本文以EBZ160型悬臂式掘进机为研究对象,围绕其关键结构的力学特性展开系列研究,深度挖掘了煤矿井下悬臂式掘进机的实测工作载荷和位姿数据,综合运用统计分析、数学建模、有限元分析、数值分析以及虚拟样机仿真等方法,系统地探究了掘进机关键结构在综掘工作面不同运行工况下的空间受力变化规律及静/动态特性、载荷谱的识别与重构、机构运动学和动力学行为,旨在提高关键结构的机械性能,对推动掘进机的机器人化发展具有重要的理论和工程意义。主要研究成果如下:(1)提出了适用于摆动截割状态下悬臂式掘进机关键结构空间载荷的分析方法针对截割头随机载荷难以井下测取且多是采用经验公式预测的现状,研究了截割头载荷和可实测的驱动油缸载荷、截割臂位姿参数之间的内在联系,引入截割头载荷与截齿(参与截割)载荷的映射关系,建立了悬臂式掘进机关键结构的空间力学模型,求解得到截割头回转中心处等效三向力、三向力矩和铰点约束反力/力矩。重点考察左右摆动截割工况,研究掌握了截割头载荷随截割臂位姿参数及油缸载荷的变化规律,发现水平角α和俯仰角θ显著影响着截割阻力FFr、顶推阻力FFa和切向阻力矩MFt,力/力矩随α呈先增后减的变化趋势,随θ的变化规律则相反,但均在角度绝对值较小时达到极值,其余三个力/力矩主要和俯仰角θ、升降油缸载荷显著正相关;三向力中FFr更能代表摆动方向上的作用力,因而具有最大值,上极限位姿时可达到90-100kN,进一步以回转油缸承受截割头载荷的能力作为评判依据,确定俯仰角在0o附近、-26o和44o以及左右极限位置为危险工况。理论基础研究可进一步完善掘进机关键结构的静力特性,为系统结构参数优化以及截割头载荷在线识别提供依据。(2)研究了悬臂式掘进机关键结构实测载荷并完成了载荷谱分析依托课题组自行研制的采掘设备机载大容量数据记录仪,制定煤矿井下悬臂式掘进机工作载荷的测试方案,完成了驱动油缸载荷数据的获取和预处理,并结合雨流计数、频次外推及疲劳损伤等效等方法研究编制了掘进机驱动油缸的载荷谱。通过对计数结果进行概率分布拟合,发现左回转油缸拉动和推动载荷幅值服从双参数威布尔分布W(1.156,3.345)和W(1.081,2.95),提出的三模态正态概率分布模型能够较好地识别回转油缸载荷均值信息;同时,研究对比了均值载荷的分布参数,得到左回转油缸推动过程具有更大的载荷均值,与逆割工艺煤岩体受挤压程度大而导致截割比能耗增加的规律相符;此外,两种工况油缸载荷的幅值和均值相互独立。为保留回转油缸全寿命周期内的工作载荷特征以反映工程实际,根据回转油缸推拉工况作业时间比例,建立了回转油缸在拉动和推动作业段的8×8级二维载荷谱,进一步编制出推拉工况下回转油缸的8级一维程序加载谱,为回转油缸疲劳寿命预测提供可靠的试验加载信息。最后,利用蒙特卡罗法生成了驱动油缸的时域载荷,对比发现模拟载荷可较好的描述油缸在井下的承载状态,并结合关键结构空间载荷分析方法重构出单一截割断面的截割头载荷时间历程,为动力学研究提供数据支撑。(3)完成了悬臂式掘进机关键结构的静强度分析和预应力模态分析针对单体元件静动态特性模拟研究过程中存在边界条件难以准确设置的技术问题,提出考虑构件间铰接处的非线性接触行为,建立了悬臂式掘进机关键结构、回转支承、本体架以及铰接销轴相耦合的有限元模型。研究分析了三种危险工况下关键结构的静强度和变形,发现各个构件最大应力值都小于材料的屈服强度,回转台的应力相对较大且在不同工况下表现出相似的分布规律,同时指出采用非线性接触算法来处理铰接问题可获得较为合理的销轴应力分布云图;整体最大位移变形均出现在截割头前端,且变形量随着俯仰角的增加而增大。在有限元静态分析的基础上对关键结构整体进行预应力模态分析,得到其在受载状态下前6阶固有频率及对应的模态振型,揭示了关键结构的动态响应特性,旨在通过结构或运行优化等方式来避免关键结构模态振型的激发。结合上述一维程序加载谱和有限元分析结果,基于应力疲劳理论,对回转油缸进行疲劳寿命分析,得到回转油缸端部销轴孔最大应力处的疲劳寿命约为3.47年,与现场应用情况较为吻合。(4)完成了悬臂式掘进机关键结构的运动特性分析研究分析了悬臂式掘进机关键结构在截割断面成形过程中的运动学特性,提出了基于微分几何理论建立关键结构运动学模型的方法,发现空间坐标系的旋转变换路径得到了优化,且避免了多次运算三角函数和逆矩阵,简化推导过程并降低计算难度。应用Matlab数值求解方法对关键结构运动学方程进行解耦,得到末端执行器截割头截齿在巷道空间的运动轨迹,模拟形成的三维截割断面呈腰鼓形状,与截齿在截割断面上的实际截割路径相符,验证了微分几何法用于研究掘进机运动规律的可靠性。重点考察了右摆工况下各个构件运动响应的变换规律,活塞杆匀速伸出时回转台角速度变化幅度较小,回转油缸角速度的方向会发生改变;截割头回转中心的速度呈现出阶段性线性变化的趋势,且z向速度与回转台角速度显著相关;截齿的加速度在截割头高速旋转作用下呈周期性变化,由于旋转运动在x向的投影分量较小,x方向上的加速度幅值相对较小且与截割臂水平角绝对值正相关,最大变化率可达84%。(5)完成了悬臂式掘进机关键结构的动力学建模并进行了仿真分析为提高掘进机截割断面成形质量,减小不确定因素对掘进工艺自动化精确控制的影响,探究了悬臂式掘进机关键结构的动力学特性。根据关键结构运动响应特征和多体动力学理论,采用拉格朗日法和虚功原理建立了考虑冗余驱动的关键结构动力学模型,得到了系统运动参数、截割头载荷与油缸驱动力之间的变化关系。提出运用范数最小原则优化策略实现回转油缸冗余驱动力的寻优分配,可通过协同控制驱动力和位姿来改善驱动油缸承载程度不一致的情况,以提高掘进机的动力学性能。基于ADAMS软件平台建立关键结构的虚拟样机模型并进行仿真分析,揭示了非冗余和冗余驱动情况下油缸驱动力随规划路径/外负载的变化规律,并结合截割头动力学响应变化曲线,对比发现与数值求解所得结果相吻合,相互验证了动力学建模和仿真分析方法的正确性。基于动力学仿真结果考察回转台回转中心的受力状态,与空间力学模型计算结果进行比对,由于摆动速度较小且趋于匀速运动,总体上表现出相似的变化趋势,进一步证明了前文提出的关键结构空间载荷分析方法可较为准确的预测截割头载荷。本文所采用的分析手段、建模方法以及研究成果具有较强的普适性,可为同类型掘进机乃至其他综掘装备的力学特性分析提供理论依据。