进入21世纪以来,世界各国不断地增加对地下空间的开发利用,全断面岩石掘进机(TBM)作为高效、安全、绿色的掘进设备已成为首先的硬岩隧道成形设备,且具有十分广阔的市场前景。主驱动主轴承作为掘进主机的关键承载部件,特殊的工作环境要求其具有高安全性、稳定性、可靠性,因此在传统主轴承设计理论和方法的基础上进行考虑主轴承可靠性和稳定性的结构设计研究显得十分必要,这也是行业内企业对于主轴承设计重点关注的新方向之一。本文根据主轴承设计早期载荷信息缺乏的特点,从刀盘动态掘进载荷仿真入手,对掘进过程中主轴承的应力谱进行预测,进而通过随机应力下结构疲劳可靠度计算模型和系统元件失效相关特征建立了主轴承系统的动态可靠度预测方法。在研究主轴承系统的刚度特性基础上,对时变载荷激励下的主轴承振动程度进行分析,并根据主轴承结构参数与其振动特征参数的映射关系,建立考虑结构疲劳可靠性和振动特征的结构参数优化设计模型。论文的具体工作和主要内容可以做如下描述：(1)根据掘进机连续掘进特点,建立考虑复合地层、刀盘刀具布局、刀具切削载荷和刀盘复合载荷计算的刀盘载荷时间历程的模拟方法。以刀盘载荷为输入条件,根据主轴承系统结构特征对参数非对称的主轴承进行静态载荷及应力分布计算,并编制动态载荷下的应力谱,运用雨流计数法进行多工况处理与合成,得到便于进行疲劳可靠性分析的应力分布的关键参数。(2)以应力强度干涉模型为基础,进行随机外部载荷下的主轴承疲劳可靠度预测,通过强度的非线性退化理论和材料本身的分散性研究结构的剩余强度时间历程。采用JC法计算主轴承结构的可靠度,并根据系统内失效关系建立了基于关联矩阵和布尔函数的系统可靠度计算方法。(3)研究主轴承振动的形成及衡量振动程度的参数,借助滚子滚道的接触模型建立与疲劳可靠性匹配的系统动力学模型。通过系统动力学关键参数的分析研究,确定了以滚子滚道接触刚度和阻尼为基础的等效动力学模型和方程。(4)以主轴承的疲劳可靠度和振动程度为目标,系统整体的设计要求为约束,建立主轴承结构参数优化模型。为了验证本文理论及方法的系统、全面和有效性,以某引水工程为例进行分析,优化结果表明在保证体积不增加的前提下,优化后主轴承的疲劳可靠度和振动程度均有明显的改善,为系统结构参数优化提供了具有实际意义的参考。