凿井吊盘是立井施工的井下工作平台,其性能直接决定了可采用的施工装备和工艺,对井建工程的安全、高效施工有着重要意义。随着地球浅部资源的快速消耗,资源开采深度逐渐向下延伸,目前国内已出现超千米深矿井40多对。对于超千米深井施工,传统的钢丝绳悬吊式吊盘存在调平控制困难、井内布置复杂等问题;而发展中的插梁式迈步吊盘由于需要在井壁上预制大量梁窝、影响井壁强度等,也无法大范围推广。因此,研发适用于超千米深井施工的新型迈步吊盘,已成为建井工程领域现实而迫切的需求。本文在教育部创新团队项目“矿山大型机电装备可靠性”(项目编号:IRT1292)的资助下,设计了超千米深井施工的摩擦自锁式迈步吊盘,并对其工作机理和动力学行为进行了深入的理论和实验研究,以期为超千米深井的安全、高效施工提供一种新的井下工作平台。首先,开展摩擦自锁式迈步吊盘结构设计及关键参数的研究。设计了超千米深井施工的摩擦自锁式迈步吊盘,并对其运动轨迹进行了规划;基于摩擦锥模型,对新型吊盘自锁/解锁的工作机理和关键参数进行了基础研究;采用层状弹性体系理论和Hankel积分变换,研究了新型迈步吊盘作用下混凝土井壁的应力场分布,提出了摩擦力集度上限的计算公式;搭建样机实验系统进行功能实验,验证了摩擦自锁式迈步吊盘设计方案的可行性。其次,开展基于一维高阶理论的迈步吊盘圈梁结构动力学特性的研究。提出了基于板壳自由振动模态的截面特征形变识别方法,提取了圈梁矩形截面的特征形变组合;综合采用模态叠加方法、Kirchhoff假定、Hamilton原理和Lagrange C0插值函数,建立了圈梁曲梁段的有限单元模型;结合法兰端板的集中质量模型,构建了圈梁结构一维高阶模型进行动力学特性研究;搭建了圈梁结构模态实验系统,采用实验方法验证一维高阶模型的可用性。然后,开展半刚性约束的迈步吊盘主梁结构动力学特性的研究。提取了主梁工字截面的特征形变组合,建立了主梁直梁段的一维高阶模型;提出了基于组件的半刚性连接一维化建模方法,分别建立了基于Bjerhammar伪逆矩阵的节点模型和基于一维高阶理论的连接板模型;采用能量原理,构建了半刚性约束主梁结构动力学分析的一维高阶模型;理论分析和仿真验证相结合,研究半刚性约束主梁结构的动力学特性,并验证其一维高阶模型的可用性。最后,开展迈步吊盘承重梁系结构动力学建模和迈步过程瞬态动力学行为的研究。基于承重梁系结构的空间对称性,提出了对称和反对称1/2模型线性叠加逼近任意荷载工况的建模方法;结合薄壁梁体和半刚性连接的一维高阶模型,分别建立了承重梁系结构对称和反对称1/2模型的运动方程;采用空间向量分解方法建立荷载边界基于对称性的表达格式,构建迈步吊盘动力学分析的一维高阶模型;搭建了吊盘样机迈步实验系统,研究新型吊盘迈步过程的瞬态动力学行为,并验证理论模型的可用性。