钻式采煤机特有的煤岩开采原理,使其成为薄与极薄煤层开采装备的最佳选择。然而,钻式采煤机钻进过程中钻削机构受力极其复杂,随着钻进深度增加,钻削机构偏离原有钻采方向,引起钻采过程发生卡钻现象,钻采偏斜直接影响到有限的薄煤层资源是否能被充分开采和利用。此外,由于钻杆自动换接耗时长的问题,严重制约了钻式采煤机的工作效率。如何减小和控制钻进过程中的偏斜,提高自动换钻效率,已成为亟待解决的关键难题。基于此,本文采用理论分析、仿真模拟和试验相结合的方法,对钻式采煤机偏斜机理、偏斜特性、定向纠偏和自动换钻进行了研究。以揭示钻式采煤机偏斜机理为目的,结合钻式采煤机钻进工况,建立了钻削机构正弦屈曲和螺旋屈曲失稳模型;获得在轴向截割阻力、离心力、自重及摩擦等外部因素作用下钻削机构的不同屈曲失稳临界载荷和临界转速;结合煤层地质构造特性,建立了煤层各向异性与截割机构互作用矢量数学模型,获得煤层倾角、走向、方位角及各向异性等地质构造特性对偏斜的影响规律;结合钻式采煤机钻削机构结构形式,建立了不同钻具组合下偏斜力方程,研究不同轴向截割阻力、稳定器外径、第一跨螺旋钻杆长度及钻杆线重量等因素作用下钻式采煤机偏斜机理,提出钻具组合最佳布置形式,为钻式采煤机定向钻进研究提供理论支撑。以获得钻式采煤机最佳工作参数为目的,结合煤岩截割试验台,基于多体动力学理论,开展了不同结构钻式采煤机偏斜特性的仿真和试验研究。研究表明:五钻头工作机构的抗偏斜能力、振动特性和偏斜作用力明显优于三钻头工作机构形式;复杂载荷作用下,对钻削机构水平方向偏斜及振动影响较大,竖直方向复杂载荷作用下钻削机构偏斜形式基本不变。研究成果为钻式采煤机最佳工作参数的选取提供参考依据。以实现定向钻进为目的,结合钻式采煤机结构形式,提出一种参数合理、结构优化及自动纠偏控制的综合定向纠偏方案:设计采用新型五钻头钻式采煤机结构,增加了钻削机构横向平面采宽,提高整体刚度;布置钻削机构稳定器,不仅能有效抑制钻式采煤机的偏斜,提高钻式采煤机整机刚性和抗偏斜性能,而且可保证钻采输煤的通畅;提出基于扩张状态观测器反步滑模位置跟踪控制策略,通过设计扩状态观测器对钻进过程中系统的参数不确定性和不确定非线性进行估计,基于观测器设计反步滑模控制器完成纠偏油缸的位置跟踪,避免了钻进过程中外负载不可测的控制难题,在实现定向纠偏控制的同时有效降低了系统的抖振,保证了定向纠偏控制应用的可行性。以实现钻杆自动换接为目的,结合钻杆凹凸联轴器结构,建立了自动换钻控制系统试验平台,提出基于Lu Gre摩擦模型的自适应鲁棒控制策略,基于遗传算法和系统辨识算法对系统动态摩擦模型的静态参数和动态参数进行了参数辨识研究,构建Lu Gre摩擦模型非线性观测器对自动换钻系统非线性摩擦状态进行在线估计,设计自适应率对摩擦力矩进行动态补偿,利用非连续投影映射保证系统参数的有界性,设计鲁棒反馈项保证系统不确定非线性的鲁棒性能,实现各种工况下转角信号的精确跟踪,具有较强的鲁棒性。研究成果为解决钻杆自动换接提供了一种有效控制策略。该论文有图85幅,表24个,参考文献192篇。