定向钻机是煤矿井下各类精确钻孔高效施工的关键设备,其功能特点和输出性能直接影响钻进施工效率。随着煤矿开采深度和采煤工作面长度的增加,现有煤矿井下定向钻机已无法满足本煤层超长钻孔和顶板高位长钻孔施工需要,迫切需要研制一款能力更大、功能更强、适应性更广的大功率定向钻机。论文依托国家科技重大专项课题“中硬煤层大功率定向钻进技术与装备”任务的研究内容,以大功率定向钻机设计亟待解决的大能力输出与紧凑型布局、关键部件动态输出性能、定向钻进参数实时监测等关键问题着手,运用理论计算、静态设计、动态仿真和试验验证的研究方法,深入研究了煤矿井下12000N·m全液压定向钻机关键部件及动态特性,完成了钻机关键部件和系统回路的优化分析和设计,提升了井下定向钻进装备的技术水平,对于煤矿坑道钻探装备的设计具有重要的理论意义和应用价值。取得的主要研究成果如下:(1)基于中硬复杂岩煤层超长定向钻孔和顶板高位定向钻孔施工工艺需求分析,研究了钻机关键结构和整体布局,结合钻机关键功能模块的分析和设计,详细阐明了煤矿井下大功率定向钻机的设计思想,明确了钻机设计过程和重点解决的关键问题,形成了大能力紧凑式整机结构。(2)结合超长孔定向钻进精确控制和安全防护需要,重点对钻机的回转回路和给进回路进行了分析和设计,通过关键回路动态特性分析与性能试验研究,揭示了液压系统关键回路和关键液压元件的动态响应特性,优化了液压系统方案,开发了基于双速控制和多逻辑功能保护的新型定向钻机液压系统。(3)分析了钻机回转器外部动载作用机理和典型载荷特性,结合回转器冲击和扭转的典型工况,基于内部齿轮传动系统的轴向支撑刚度和阻尼的影响,建立了回转器传动系统的周向旋转和轴向振动动力学数学模型,通过数字化仿真分析,揭示了回转器齿轮传动系统在极限载荷和外部激励等作用下的动态特性,为关键零件的材料和结构优化提供了有效解决方法。(4)研究了液压制动系统内部摩擦副的热—流耦合作用特性,提取了系统有效温度载荷,针对液压制动系统内部摩擦副的接触非线性问题,建立了基于温度场和应力场相互作用的数字化仿真分析模型,揭示了系统的热形变和热应力变化规律,以及系统的制动特性与作用油压和接触半径的影响机理,为摩擦副结构和材料的优化分析提供了切实可行的解决方案。(5)从解决钻进参数监测实现原理和随钻测量系统集成设计两项关键技术着手,研制了煤矿井下大功率定向钻机用钻进参数监测系统,解决了煤矿井下超长距离定向钻孔钻进参数实时监测与钻进过程精确控制需要,实现了煤矿井下定向钻机钻进参数监测从无到有的跨越。(6)基于研制的大功率定向钻机开展了室内型式试验,并结合中硬岩煤层条件开展了本煤层定向钻孔和顶板高位定向钻孔两个典型施工要求的现场工业性试验,验证了钻机的各项性能指标满足设计要求,检验了煤矿井下12000N·m全液压定向钻机关键结构及动态特性研究成果的正确性。