滚刀破岩力是判断全断面岩石掘进机(TBM)掘进过程中机器运行状态的重要参数之一,但是由于施工环境的限制还难以进行实时监测。本文以中国中铁工程装备集团有限公司所生产的掘进机滚刀装配体为对象,进行了滚刀受力实时监测系统及方法的研究,主要的研究工作和进展可分为以下几个方面:(1)首先分析了滚刀破岩机理及受力情况,结合滚刀系统外荷载的传递路径,选择最合理的传感器安装位置。并考虑实际荷载波动特性,提出了基于振动理论的受力测试方法。圆柱应变计可以嵌入到支撑垫块内部感知变形情况,然后通过无线应变传感器、无线网关和数据采集控制软件实现受力的实时监测。(2)根据滚刀装配体的结构,将系统离散为若干部分,基于集中质量法,建立滚刀系统弯-摆耦合动力学模型,利用牛顿第二定律获得振动系统微分方程。模型中涉及到的结构体和结合面的动力学参数,通过理论公式、数值模拟及查阅已有研究成果确定它们的计算方法。振动模型的建立为滚刀外荷载的识别奠定理论基础。(3)分析了滚刀系统荷载的传递规律。以随机法向力和侧向力作为系统的激励荷载进行振动响应分析,并计算得到支撑垫块的受力情况,结果表明在不考虑振动的情况下,根据静力平衡理论计算得到的滚刀法向力与和侧向力与输入激励荷载相比偏大,尤其是法向力显著偏大,说明滚刀系统振动对荷载的传递在一定范围内有放大作用,因此在进行受力监测时必须考虑振动因素。(4)通过振动模型识别滚刀外荷载的精度是一个重点关注的方面。首先将识别误差进行量化,建立误差水平估计公式,并对无噪音和掺杂5%、10%水平程度噪音下的振动响应进行外荷载识别,识别荷载与实际荷载存在一定的偏差,但是总体来说误差很小,而且两者的趋势是相同的,说明该方法具有相当强的抗噪能力,能够满足工程实际应用的要求。(5)滚刀受力监测方法通过室内破岩实验进行了验证。在室内回转破岩实验中,获取垫块受力情况,并根据振动方程求解得到了滚刀法向力和侧向力,它们随着贯入度的增大而增大,其中垂向荷载与机器油缸荷载大小虽然有所差别,但是两者的变化趋势几乎是一致的,说明了受力测试方法的可行性和有效性,并且间接说明了所计算的侧向力的可靠性。