随着社会科技的进步、经济的发展,以及地表土地资源的日渐匮乏,世界各国逐渐开始对地下空间进行开发利用。全断面岩石掘进机(简称TBM)以其掘进速度快、施工优质高效、作业环境安全、环境污染小等优点,可实现传统钻爆法难以实现的复杂地理地貌深埋长隧洞的施工,在中国乃至世界的水利、水电、交通、矿山等隧道工程中应用迅猛增长,如今已成为国际上隧道施工机械的主流。盘形滚刀作为岩石掘进机刀盘的核心工作部件,由于直接与岩石接触,承受较大的冲击载荷,因此也是TBM的易损件。而从理论的角度对滚刀破岩机理和受力预测模型进行研究来并在原有滚刀刀座联接结构基础上改进,对为滚刀以及刀盘的设计提供精确的载荷设计依据,并且降低滚刀以及刀盘振动具有十分重要的理论价值和工程意义。本课题来源于973项目(项目编号：2013CB035402)和国家自然科学基金项目(项目编号：51375001)资助。论文的具体工作和主要内容如下：(1)针对当前滚刀受力预测模型为静态均值计算,不能够真实模拟滚刀破岩过程中载荷多阶段多峰值的问题,本文基于密实核理论,针对不同岩石条件,考虑滚刀在破岩过程中复杂的受力情况,分析了滚刀多阶段的破岩过程；同时考虑岩石特性、滚刀类型、滚刀布局参数、掘进参数、滚刀结构参数,建立了不同类型滚刀的多阶段受力预测模型,并以岩石物理参数、贯入量等参数作为变量,进行了滚刀线性切割实验,垂向力实验结果与理论模型的均值误差在10%以内,证明了理论预测模型的正确性,为后续研究提供理论依据。(2)结合面的存在影响着刀座系统的动力学特性,螺栓预紧力和外部激励的变化导致结合面法向压力随时间变化,结合面的接触刚度也为时变刚度。本文采用集中质量法,结合刀座结构和结合面之间的刚度、阻尼关系,考虑刀座工作过程中所承受的冲击载荷,建立了滚刀-刀座系统的动力学模型,建立了结合面刚度和螺栓预紧力、外部载荷、振动位移以及结合面接触面积之间的量化关系,计算得到了结合面刚度的计算方法。根据机械振动相关理论,利用Newmark算法对系统响应进行了求解,并研究了结合面的阻尼系数、螺栓预紧力以及结合面接触面积对系统动态响应的影响。结果表明：①上楔形块和滚刀在各个方向的振动最为强烈,且垂向>侧向>滚动方向;②比例阻尼系数β=10-3时,质量块振动响应最为平稳,结合面的阻尼对螺栓的紧固效果有一定影响;③系统垂向响应对螺栓预紧力的变化更为敏感；④各结合面的面积增大一倍后,滚刀和上楔形块振动位移均值分别下降了10.60%和1.63%。(3)为了验证理论模型的正确性,本文利用液压作动器,对试制的刀座样件进行振动实验,观察统计刀座在不同预紧力、外载形式下的振动时域响应。研究发现：①试验结果与仿真结果基本一致,证明了理论模型的正确性；②当滚刀振幅由4kN增加到4.75kN时,单侧刀座在234kN螺栓预紧力下的垂向载荷响应振幅平均增加了0.178kN,而300kN螺栓预紧力下的垂向响应振幅平均增加了约0.35kN,接近输入载荷；侧向载荷响应的振幅增幅基本不变。③振幅与频率并非呈线性关系,在3Hz之后,振幅的斜率远大于之前的斜率。(4)为了解决刀座中楔形块容易发生卡紧不方便现场换刀,且上楔形块和滚刀的振动较为强烈的问题,本文在典型刀座系统动态特性研究和现有刀座结构基础上,以提升刀座现场换刀的安全性与效率、降低滚刀和刀座振动为目的,对刀座联接结构进行了改进设计。以实验得到的盘形滚刀实际工作载荷为输入,对改进刀座结构进行了动力学分析。通过对比改进前后的滚刀和楔形块振动位移可知：滚刀和楔形块的垂向振动位移分别降低了67%和53%,滚动方向位移分别降低了7.9%和7.6%,说明该改进刀座起到了良好的减振效果,可大大降低滚刀本身和刀座紧固螺栓的振动损伤。