悬臂式掘进机截割滑移动力学分析

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.06.024

中国机械工程 ›› 2026, Vol. 37 ›› Issue (6): 1518-1530.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2026.06.024

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悬臂式掘进机截割滑移动力学分析

殷壮¹(), 张坤¹(), 张照允⁶, 田胜利⁴, 胡成军⁵, 曹伟³, 刘亚², 杜明超¹, 滕飞³

^1.山东科技大学青岛智能无人系统创新研究院, 青岛, 266590
^2.北斗天地股份有限公司, 西安, 710119
^3.沈阳天安科技股份有限公司, 沈阳, 113122
^4.山东天河科技股份有限公司, 济宁, 273512
^5.中煤天津设计工程有限责任公司, 天津, 300120
^6.兖矿能源集团股份有限公司, 济宁, 273500

收稿日期:2025-06-20 出版日期:2026-06-25 发布日期:2026-07-17
通讯作者: 张坤
作者简介:殷壮，男，1997年生，博士研究生。研究方向为煤矿智能化开采、检测技术及自动化装置。E-mail：202281080012@sudst.edu.cn
张坤^*（通信作者），男，1990年生，教授、博士研究生导师。研究方向为控制理论及控制工程、机器人技术和机械设计及理论。E-mail：zhangkunliaoning@163.com。
第一联系人：刘金锋^*（通信作者），男，1987年生，教授、博士研究生导师。研究方向为船舶智能制造关键使能技术。E-mail： liujinfeng@just.edu.cn。
基金资助:
中央引导地方科技发展专项资金(YDZX2024119);山东省高等学校青创科技支持计划(2023KG304);山东省重大科技创新工程项目(2022CXGC020204)

Analysis of Cutting and Sliding Dynamics for Boom Roadheaders

YIN Zhuang¹(), ZHANG Kun¹(), ZHANG Zhaoyun⁶, TIAN Shengli⁴, HU Chengjun⁵, CAO Wei³, LIU Ya², DU Mingchao¹, TENG Fei³

^1.Qingdao Institute of Intelligent Unmanned Systems Innovation，Shandong University of Science and Technology，Qingdao，266590
^2.Beidou Tiandi Co. ，Ltd. ，Xi'an，710119
^3.Shenyang Tian An Technology Co. ，Ltd. ，Shenyang，113122
^4.Shandong Tianhe Science Co. ，Ltd. ，Jining，Shandong，273512
^5.China Coal Tianjin Design Engineering Co. ，Ltd. ，Tianjin，300120
^6.Yankuang Energy Group Co. ，Ltd. ，Jining，Shandong，273500

Received:2025-06-20 Online:2026-06-25 Published:2026-07-17
Contact: ZHANG Kun

摘要/Abstract

摘要：

为系统揭示悬臂式掘进机截割滑移动力学行为及其影响规律，采用改进型D-H参数法构建掘进机滑移运动学模型，明确了位姿参数对截割断面空间形态的作用机制。基于Lagrange方程建立了掘进机位姿滑移动力学模型，结合Simulink理论计算与ADAMS多体动力学仿真，系统分析了不同工作坡度与煤岩硬度等多种工况条件下截割位姿的动态响应特性。最后，构建了掘进机位姿滑移工业性实验平台。结果表明：所建立的掘进机位姿滑移动力学模型能够较好地揭示断面截割过程中位姿滑移特性，其中位移偏差约为15%～30%，姿态偏移误差控制在10%以内。通过多维度分析方法系统阐明了悬臂式掘进机截割滑移的动力学演化规律，建立了涵盖运动学建模、载荷计算、动态响应分析的完整理论框架。

关键词: 位姿滑移, 掘进机, 滑移运动学, 滑移动力学, 断面截割

Abstract:

To reveal the cutting and sliding dynamics behaviors and the influence law of cantilever roadheader systems， an improved D-H parameter method was adopted to construct the kinematics model of roadheader sliding motions， and the mechanism of pose parameters on the spatial morphology of cutting cross-section was clarified. A dynamics model of roadheader pose sliding was established based on the Lagrange equation， and combined with Simulink theoretical calculation and ADAMS multi-body dynamics simulation， the dynamic response characteristics of cutting poses were systematically analyzed under various working conditions such as different working slopes and coal-rock hardness. Finally， an industrial experimental platform for roadheader pose sliding was constructed. The results show that the established dynamics model of roadheader pose sliding may well reveal the pose sliding characteristics during cross-section cutting processes， where the displacement offset deviation is approximately 15%~30%， and the attitude offset errors are controlled within 10%. Through multi-dimensional analysis methods， the dynamic evolution law of cantilever roadheader cutting sliding was systematically elucidated， and a complete theoretical framework covering kinematics modeling， load calculation， and dynamic response analysis was established.

Key words: pose sliding, roadheader, sliding kinematics, sliding dynamics, section cutting

中图分类号:

TD421

殷壮, 张坤, 张照允, 田胜利, 胡成军, 曹伟, 刘亚, 杜明超, 滕飞. 悬臂式掘进机截割滑移动力学分析[J]. 中国机械工程, 2026, 37(6): 1518-1530.

YIN Zhuang, ZHANG Kun, ZHANG Zhaoyun, TIAN Shengli, HU Chengjun, CAO Wei, LIU Ya, DU Mingchao, TENG Fei. Analysis of Cutting and Sliding Dynamics for Boom Roadheaders[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(6): 1518-1530.

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https://www.cmemo.org.cn/CN/Y2026/V37/I6/1518

图/表 23

图1 掘进机主要机械结构

Fig.1 Main mechanical structure of roadheader

图2 不同断面下的截割路径

Fig.2 Cutting paths under different cross-sections

图3 掘进机尺寸参数及坐标分布

Fig.3 Dimensions and coordinate distribution of the roadheader

图4 D-H坐标系转移参数示意图

Fig.4 D-H coordinate system transfer parameter diagram

表1 D-H坐标系转移参数表

Tab.1 D-H coordinate system transfer parameter table

坐标转换	α_i_-1	a_i_-1	θ_i	d_i
｛O₀｝→｛O₁｝	0	0	θ₁	1304 mm
｛O₁｝→｛O₂｝	90°	600 mm	90°+Δθ₂	0
｛O₂｝→｛O₃｝	90°	0	0	2861 mm+ΔL
｛O₃｝→｛O₄｝	0	0	Δθ₃	925 mm

图5 悬臂式掘进机工作空间示意图

Fig.5 Working space diagram of the roadheader

图6 掘进机工作位姿参数

Fig.6 Parameters of the working posture of the roadheader

图7 预截面滑移偏转示意图

Fig.7 Schematic diagram of pre-sectional sliding deflection

图8 截割齿与截割头的受力示意图

Fig.8 The force diagram of cutting teeth and cutting head

图9 截割齿分布示意图［23］

Fig.9 Schematic diagram of cutting tooth distribution［23］

图10 不同普氏硬度下截割头三轴受力变化

Fig.10 Three axis force change line of cutting head under different Protodyakonov hardness

图11 不同普氏硬度下截割头三轴受力平均值

Fig.11 The average triaxial force of cutting head under different Protodyakonov hardness

图12 掘进机受力示意图［24］

Fig.12 Roadheader force diagram［24］

表2 动力学模型参数设定

Tab.2 Parameter configuration of dynamic model

动力学模型参数	参数值
e/m	1.241
f/m	2.579
L₁/m	1.959
L₂/m	1.205
L₃/m	1.988
m₁/kg	3800
m₂/kg	8500
m₃/kg	41 700
C/（N·m·s）	15 500
K/（N·m $- 1$ ）	10 000
J_X /（kg·m²）	188 410
J_Y /（kg·m²）	168 779
J_Z /（kg·m²）	32 773
μ	0.7

表2 动力学模型参数设定

Tab.2 Parameter configuration of dynamic model

动力学模型参数	参数值
e/m	1.241
f/m	2.579
L₁/m	1.959
L₂/m	1.205
L₃/m	1.988
m₁/kg	3800
m₂/kg	8500
m₃/kg	41 700
C/（N·m·s）	15 500
K/（N·m $- 1$ ）	10 000
J_X /（kg·m²）	188 410
J_Y /（kg·m²）	168 779
J_Z /（kg·m²）	32 773
μ	0.7

图13 仿真计算模型整体框图

Fig.13 Simulation model overall block diagram

表3 接触力参数配置

Tab.3 Contact force parameter configuration

参数	机身各金属组件间	机体与地面
刚度/（N·m $- 1$ ）	10⁸	5×10⁷
力指数	1.5	2.2
穿透深度/mm	1×10^-3	0.1
静摩擦因数	0.15	0.7
动摩擦因数	0.1	0.7
静摩擦转换速度/（m·s $- 1$ ）	0.1	0.1
动摩擦转换速度/（m·s $- 1$ ）	1.0	1.0

表3 接触力参数配置

Tab.3 Contact force parameter configuration

参数	机身各金属组件间	机体与地面
刚度/（N·m $- 1$ ）	10⁸	5×10⁷
力指数	1.5	2.2
穿透深度/mm	1×10^-3	0.1
静摩擦因数	0.15	0.7
动摩擦因数	0.1	0.7
静摩擦转换速度/（m·s $- 1$ ）	0.1	0.1
动摩擦转换速度/（m·s $- 1$ ）	1.0	1.0

图14 ADAMS截割滑移仿真模型

Fig.14 Simulation model of cutting-slippage in ADAMS

图15 不同坡度截割f4硬度煤岩时的位姿变化情况

Fig.15 Pose variations during f4-coal cutting at different slopes

图16 不同坡度截割f6硬度煤岩时的位姿变化情况

Fig.16 Pose variations during f6-coal cutting at different slopes

图17 坡度为7°底板上截割不同煤岩硬度时的位姿变化曲线

Fig.17 Pose variations Curves in coal-rock cutting with different hardness on 7° baseplate

图18 检测系统结构及工作环境

Fig.18 Detection system structure and working environment

图19 坡度为0°底板截割f4硬度煤岩时的位姿变化曲线

Fig.19 Pose variations curves during f4-coal cutting on 0° baseplate

表4 0°底板截割f4硬度煤岩5s后的位姿变化情况

Tab.4 The change of pose after applying the F4 cutting load for 5s on 0° baseplate

数据类型	$S X$ /cm	$S Y$ /cm	$S Z$ /cm	$α$ /（°）	$β$ /（°）	$γ$ /（°）
虚拟仿真	$-$ 5.52	$-$ 8.00	5.13	0.72	$-$ 0.32	$-$ 0.83
理论计算	$-$ 4.98	$-$ 8.93	4.62	0.67	$-$ 0.25	$-$ 0.78
工业实验	$-$ 3.25	$-$ 6.16	3.60	0.68	$-$ 0.25	$-$ 0.67

表4 0°底板截割f4硬度煤岩5s后的位姿变化情况

Tab.4 The change of pose after applying the F4 cutting load for 5s on 0° baseplate

数据类型	$S X$ /cm	$S Y$ /cm	$S Z$ /cm	$α$ /（°）	$β$ /（°）	$γ$ /（°）
虚拟仿真	$-$ 5.52	$-$ 8.00	5.13	0.72	$-$ 0.32	$-$ 0.83
理论计算	$-$ 4.98	$-$ 8.93	4.62	0.67	$-$ 0.25	$-$ 0.78
工业实验	$-$ 3.25	$-$ 6.16	3.60	0.68	$-$ 0.25	$-$ 0.67

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