全断面隧道掘进机(简称TBM)属于我国重大装备,在隧道工程中应用广泛。TBM整机不仅结构复杂,而且价格昂贵,一台机器需耗资上亿元。由于我国近十几年来对铁路建设的高度重视,同时我国是一个多山的国家,所以对TBM的需求量较大。但TBM相关设计国外技术封锁严重,我国TBM的使用绝大部分来源于进口,核心技术受制于国外制造商,为打破我国在这一高端装备制造领域的技术空白,有必要研发出适用于我国本土的TBM。刀盘位于TBM的最前端,是其核心部件之一,且在整机的其他部分设计中起基础作用。国内学者对刀具的岩体切削机理,刀具的受力特性,刀具的布局优化,刀盘的性能评价,刀具以及刀盘的寿命预测等方面做了大量的研究。但仍与工程实际存在一定的距离,有待进一步改进与探索。目前滚刀布局设计研究中存在许多不足,如边滚刀变切深的特性,刀盘焊缝的约束条件,刀盘剖面轮廓与滚刀极径布置的耦合机制问题等均未被考虑和重视。鉴于此,提出了一种基于刀盘剖面轮廓和焊缝约束条件的刀具布局的适应性设计方法。具体研究工作如下:(1)基于CSM受力模型,以最外侧刀具的轴承受力为评价准则,结合刀盘边缘区域的形状和尺寸的特征参数,给出平面刀盘的剖面轮廓设计方法。(2)推导出常截面滚刀的破岩量公式和基于变切深的边滚刀磨损量公式。采用GA算法,基于等寿命原则,对中心刀和正刀的极径进行优化设计;基于等磨损原则,建立非线性数学模型,对边刀的倾斜角进行优化设计。(3)给出了对滚刀进行星型布置时,滚刀与滚刀、人孔、出渣槽以及焊缝之间径向不干涉和周向不干涉的边界条件;建立了以刀盘的径向力和倾覆力矩以及刀具的质心偏斜量为评价指标的刀盘综合评价模型,完成刀具的周向布置。运用ABAQUS对原刀盘和新刀盘进行了对比分析和校验。(4)以MB264-311-8030 mm型TBM刀盘为案例,计算结果表明,与原始滚刀的布局相比,51把滚刀中,极径的最大差距仅有25.8 mm,相对于刀盘的半径大小为0.64%,极小;刀盘的径向不平衡力减少了62.41%,倾覆力矩减少了33.22%,质心偏斜量仅增加了18.48%,各指标都优于或近似等于原始刀盘布局结果;刀盘的应力和变形均小于原始刀盘,有效的验证了模型的可行性。