巷道修复机是专门用于井下煤矿开采以及巷道修复的设备,因其结构紧凑、工作效率高、适应性强以及安全性高等特点,在煤矿开采行业得到了广泛的应用。受井下空间环境的限制,要求在有限巷道高度下,反铲工作臂满足一定的卸料高度,而常规的工程机械工作臂不能满足要求。针对该类问题,本文首先对两节臂和三节臂对受限空间的适应性进行了研究,并对其进行机构优化并对比分析,从而选择更合适的设计方案,得出三节臂更适合井下特殊环境的结论。在保证其结构强度与刚度的前提下,通过尺寸优化和拓扑优化相结合的方法,尽可能的减少其质量。主要研究内容和结论如下:(1)导出了两节臂和三节臂目标函数及约束条件表达式。采用D-H齐次变换矩阵法分别建立了两节臂反铲工作装置和三节臂反铲工作装置的运动学模型,并对其进行了运动学分析,从而得出各铰点之间的位姿关系,推导了边界约束的表达式;同时也对两节臂反铲工作装置和三节臂反铲工作装置的最大整机理论挖掘力进行了推导,导出了非线性、多变量的目标函数表达式。(2)反铲工作装置结构适应性研究。建立了两节臂和三节臂结构与巷道高度卸料高度的几何关系;然后建立了反铲工作装置基于挖掘力的优化目标函数以及约束条件表达式,建立了反铲工作装置机构优化数学模型。分别对两节臂反铲工作装置和三节臂反铲工作装置进行了工作范围适应性研究,在巷道高度2.50米以上时,在i≤0.59范围内,二节臂有解,在i≤0.69范围内,三节臂有解。三节臂比二节臂适应范围更广。(3)分析了优化结果的关键影响因素。对三节臂反铲工作装置机构优化的影响因素进行了分析,得出了影响三节臂反铲工作装置的关键约束条件,研究表明,卸料高度与巷道高度对三节臂优化结果具有显著影响,巷道高度越高,卸料高度越低,则三节臂反铲工作装置的挖掘力越大。典型的三节臂算例表明,优化后,动臂长度减少8.9%,中间臂增加47.9%,斗杆减少18.7%,挖掘力提高9.4%。(4)完成了三节臂反铲工作装置的结构优化。在机构优化的基础上,对优化后的三节臂反铲工作装置进行了尺寸优化以及拓扑优化,导出了尺寸优化和拓扑优化的数学模型,在满足其强度要求的前提下,完成三节臂的结构优化。算例计算表明,动臂质量减少16.93%,中间臂质量减少19.74%,斗杆质量减少17.87%,并改善了受力情况。