学术研究报告：掘进装备半主动动力吸振方法研究

作者及机构
本博士学位论文由李昂在煤炭科学研究总院（China Coal Research Institute）研究生院完成，导师为王步康研究员和王腾研究员，完成时间为2025年5月30日。论文所属学科为采矿工程，研究方向为掘进装备振动控制。

学术背景
掘进装备是矿山巷道施工的核心设备，其截割部与煤岩相互作用时产生的复杂振动严重影响设备可靠性和人员安全。传统被动减振方法因参数固定难以适应动态载荷波动，而主动控制虽能动态调控却存在高能耗瓶颈。针对这一难题，本研究提出基于磁流变阻尼器（Magnetorheological Damper, MRD）的半主动动力吸振方法，旨在通过阻尼实时调节机制解决稳定性与效能的矛盾，实现多工况自适应振动控制。

研究流程
1. 刚柔耦合动力学建模与验证
- 建模方法：基于哈密顿原理建立掘进装备刚柔耦合模型，截割臂柔性特征通过有限元法离散化处理，结合岩石截割机理构建载荷数学模型。
- 验证实验：井下振动测试显示理论计算与实测数据一致（误差%），模型准确捕捉了截割载荷的幅频特性（主频段10-50 Hz）。

1. 半主动动力吸振方法设计

   • 耦合建模：建立含行程约束的掘进装备-动力吸振器耦合模型，优化吸振器刚度（最优值15 kN/m）和阻尼系数（最优阻尼比0.25）。
     
   • 控制算法：采用线性二次型（LQR）控制算法，结合自适应卡尔曼滤波器解决状态观测与有色噪声问题。仿真表明，半主动方法在共振区减振效率达70%，非共振区提升40%。
     

2. 磁流变阻尼器设计与建模

   • 结构设计：通过多目标优化算法研制MRD，性能测试显示其动态响应时间<20 ms，阻尼力可调范围200-5000 N。
     
   • 模型改进：针对传统RC算子模型的对称性局限，提出非对称RC算子模型，引入阻尼/刚度修正系数和最大激励速度项，全工况拟合误差从12%降至5%。
     

3. 实验验证

   • 平台搭建：缩比模型实验平台模拟实际工况，激励频率覆盖5-60 Hz。
     
   • 结果对比：半主动方法在固有频率附近（25 Hz）减振效果优于被动方法（加速度降幅达65%），扫频测试中实现全频段控制（振幅降低50%以上）。
     

主要结果
- 刚柔耦合模型准确预测了截割臂一阶固有频率（22.3 Hz）与振动模态（RMS误差%）。
- 半主动控制算法在时变载荷下（频率波动±15%）仍保持稳定减振性能（控制误差%）。
- 改进的扩展非对称RC算子模型显著提升低速滞回特性表征能力（低速区拟合精度提高60%）。

结论与价值
1. 科学价值：揭示了刚柔耦合系统中振动能量传递机制，提出了基于MRD的自适应阻尼调节理论。
2. 应用价值：半主动方法可降低掘进装备故障率30%以上，延长截齿寿命50%，为工程振动控制提供新范式。

研究亮点
- 方法创新：首次将磁流变阻尼器与动力吸振器结合应用于掘进装备，突破传统被动控制的窄带局限。
- 模型突破：扩展非对称RC算子模型解决了激励幅频特性影响表征不足的行业难题。
- 工程适配性：实验验证了方法在复杂激励（如突变载荷、扫频工况）下的鲁棒性。

其他贡献
论文提出的自适应卡尔曼滤波器算法已开源（GitHub代码库），为相关领域研究提供工具支持。