盾构机是一个具备多种功能于一体的大型地下隧道开挖衬砌成套设备,盾构刀盘作为其中的核心部件,具有开挖土体,稳定掌子面,搅拌渣土等重要作用,研究盾构刀盘切削土壤的机理对于提高盾构机的工作效率有着重要的意义。因此提出盾构刀盘振动切削模型,通过盾构刀盘的设计选型,以改变刀盘圆周速度及掘进速度的方式实现刀盘振动切削,深入分析刀具的切削破岩机理,通过理论建模分析,刀具运动轨迹分析,结合运用有限元动力学仿真软件LS-DYNA来研究切削过程中的各项载荷的变化情况。本文主要研究的内容与成果如下:1.盾构刀盘系统仿真建模研究。针对工程地质,通过分析刀具受力方式,总结工程经验,完成小型盾构刀盘的设计及刀具的配置。所设计的刀盘符合力学性能,振动性能的一系列要求。2.盾构刀盘振动掘削的动力学仿真。通过对刀具力学模型的建立,运动轨迹的分析,振动掘削减阻机理及土壤材料的研究,在LS-DYNA软件上建立单刀及刀盘动力学切削模型,在刀盘圆周方向上添加正弦激励来改变刀盘转速,通过理论计算和数值模拟仿真相结合的方式得到切削应力及能耗,与匀速切削相比较。研究表明盾构刀盘振动切削的工作方式能有效减少切削应力,但无法确保能耗同时下降。3.振动参数对切削效果的正交试验分析及激振参数优化研究。通过对各项振动参数的分析选型,以等效应力及能耗为衡量标准,进行多次仿真后匹配最优解,分析各激振参数对指标影响程度,得到最佳切削效果。优化后的振动参数不仅能使切削应力下降,还能有效的减少能耗。4.提出盾构刀盘复合振动工作模式。在刀盘圆周方向与水平方向同时添加正弦载荷,与单向振动载荷的结果进行对比分析。结果表明虽然刀盘复合振动的工作模式利于进一步优化切削性能,但激振参数间存在相互影响,因尽量避免两个方向激振频率相互接近。本文提出的将振动切削技术运动到盾构刀盘掘进过程中能有效的提升刀盘的切削性能,同时为复合激振工作模式在将来的运用打下了基础。