滚筒式采煤机是综合机械化采煤成套装备的核心设备之一,主要由截割部、牵引部及中间控制箱三大部分组成。截割部承担截煤和装煤功能,是采煤机主要工作机构之一,由截割驱动电动机、齿轮传动系统、截割滚筒及摇臂壳体等构成。摇臂壳体既是传动齿轮的支承、定位部件,又是滚筒升降时做弧线运动的支撑部件,在采煤机采掘作业时,摇臂壳体不仅受到截割部自身重力、滚筒端所传递的三向力的作用,同时还受到由硬质包裹体或夹石层所引起的重载、强冲击载荷的共同作用,摇臂壳体长期处于复杂的拉-压-弯曲应力和冲击应力状态,极易产生变形;此外截割部传动链长且传动元件多,使得摇臂壳体成为空心悬臂梁,降低了壳体的结构强度并加剧了变形。对安装于壳体内的齿轮传动系统而言,壳体的变形将导致齿轮啮合条件恶化,从而降低了传动系统的可靠性。因此要提高采煤机工作可靠性,首先必须提高截割传动系统工作可靠性。目前普遍使用的滚筒式采煤机其截割滚筒不具备调速功能,当遇到硬质煤层或煤层中含有夹石层时,只能通过降低牵引速度以降低滚筒载荷和截割传动系统内部动载荷,从而保护截割传动系统和截割驱动电动机;但随着牵引速度的降低,采煤生产率也随之下降。本文拟通过对截割驱动电动机进行控制以实现截割滚筒转速可调,以提高采煤机对不同截割工况的适应能力,并获得不同煤层条件下的最佳采煤生产率和块煤率,为智能化、无人化采煤机的研发与设计奠定理论基础。本文研究工作如下:(1)针对目前采煤机截割部传动系统传动链过长、传动元件过多,摇臂壳体在承受重载、强冲击载荷后产生较大变形使得齿轮啮合条件恶化,截割部齿轮传动系统工作可靠性低和传动效率不高的问题,提出一种新型采煤机截割短程传动系统,并通过对驱动电动机的控制以实现滚筒转速可调;(2)针对新型采煤机截割短程传动系统多动力源、多啮合点、多级传动等结构特征,综合考虑各构件之间运动、力的耦合关系,采用多层次建模方法建立包含驱动电动机、电动机控制系统及齿轮传动系统的截割短程传动系统机电耦合动力学模型,为系统机电耦合动态特性分析奠定了模型基础;(3)考虑驱动源参数与各构件之间运动、力的耦合关系,研究电动机固有特性对齿轮传动系统振动响应和动态啮合力的影响,以及驱动转矩不同步、电动机转速变化对齿轮传动系统动态特性及均载特性的影响规律;与未考虑齿轮传动系统时电动机的动态特性相比,从时域/频域角度研究齿轮传动系统对电动机转矩、转速及定子电流的影响,以及齿轮啮合刚度波动量和传递误差对电动机同步特性的影响规律;(4)选择适当的调速方式(或提升截割滚筒转速,或降低牵引速度,或滚筒-牵引联合调速),研究不同载荷(冲击载荷和阶跃载荷)下变速截割采煤机截割短程传动系统的机电耦合动态特性和不同调速方案(牵引-滚筒同调和牵引-滚筒顺序调速)下变速截割采煤机截割短程传动系统的机电耦合动态特性,以提高采煤机对不同截割工况的适应能力,获得不同煤层条件下的最佳采煤生产率和块煤率;(5)提出一种可用于提升采煤机截割短程传动系统机电耦合性能的优化方法:以构件振动位移、动态啮合力以及系统同步特性为系统机电耦合性能的评价指标,考虑啮合参数、联接参数、支撑参数及外部载荷等输入参数的变化,构建用于分析采煤机截割短程传动系统机电耦合特性的代理模型,采用Sobol全局参数敏感度分析方法确定敏感参数,并研究敏感参数对性能评价指标的影响规律;以性能评价指标为优化目标,以敏感参数为设计变量进行多目标优化,以获得在多维优化目标不同妥协情况下采煤机截割短程传动系统最优设计参数;(6)构建采煤机截割短程传动系统实验台,并设计、开发基于dSPACE的实验台采控系统。开展冲击载荷、阶跃载荷、载荷变化率、滚筒加速度以及不同调速方案下系统的机电耦合动态特性实验研究,完成对模型及理论分析结果的验证。