大型隧道掘进装备可分为用于硬岩地质施工的全断面岩石掘进机和用于软土地质施工的盾构机。近年来,随着我国经济社会和城市化进程的飞速发展,隧道掘进机,特别是盾构机被广泛应用于各种交通及市政工程,且需求逐步加大。本文结合当前国内对隧道掘进机发展的迫切要求,在国家重点基础研究发展计划(973计划)的支持下,对隧道掘进机中的两个重要部件——用于曲线掘进及方向纠偏的铰接装置和给开挖后的隧道表面贴上管片的管片拼装机进行了进行研究,取得以下成果:1.满足大曲率弯道掘进的铰接装置的构型设计对隧道掘进机中现有的主、被动铰接装置进行研究,总结各自的工作特点及优缺点,通过对隧道施工过程中的切削、位姿调整和大曲率弯道掘进运动特征的分析,建立任务特征表达和动作分解模型;分析机构构型对装备灵活性的影响,根据大曲率弯道掘进特征、过约束多自由度机构的复合运动特性,提出了一种基于6-(2-SPS)R并联构型的隧道掘进机铰接装置的设计方案。2.铰接装置新构型的运动分析与承载计算采用并联机构运动学、动力学分析方法,研究大载荷约束下机构运动传递与力传递规律,揭示驱动力与外载荷的耦合作用关系,得出各支链驱动单元载荷分配规律及计算方法,为掘进装备的系统刚度、结构强度和可靠性设计提供理论依据。3.六自由度管片拼装机构型设计研究管片拼装过程的运动特征,根据其自由度要求,采用集合论等数学工具,推出多种机构拓扑结构,并综合整机的复合运动特性和机构的实用性,设计出一种基于“一移二转”或“一移三转”并联构型的管片拼装机构。4.管片拼装机的运动分析与承载计算本文着重分析了两种管片拼装机的运动和动力特性,分别为基于3-RPS并联构型和基于1-PS&3-SPS并联构型的管片拼装新机构,研究两种构型设计方案下机构的运动传递与力传递规律,通过计算若干性能指标,将新机构与原机构进行比较,分析各自的优缺点,为机构优化设计做准备。5. CAD模型的建立及数值算例利用三维建模软件Pro/E建立隧道掘进机铰接装置和管片拼装机的CAD模型,将文件导入多刚体系统动力学仿真软件ADAMS,给机构的各个连接加上运动副,给各个油缸加上驱动,动画实现铰接装置和管片拼装机的工作过程。根据前文运动学、静力学和动力学分析过程中得到的各构件之间的尺寸、运动和力学关系,给出具体数值算例。本文的研究为隧道掘进设备中的铰接装置和六自由度管片拼装机的机构设计及驱动油缸的结构强度设计提供了依据,在盾构技术国产化进程中具有重要的意义。