随着经济的发展,铁路、地铁和水利工程增加,对盾构机的需求量也越来越大。施工过程中盾构刀具磨损严重,而传统的人工换刀作业危险性大、周期长、费用高。随着机器人技术的成熟,便有学者提出机械臂自动换刀技术,而目前的滚刀刀箱结构仅适合于作业人员双手协同操作,并不适合自动换刀技术的应用与发展。为将盾构机换刀作业人员解脱出来,本文将从以下两个方面进行研究。首先设计研究新型滚刀刀箱结构,以推进自动换刀技术的发展。另一方面,研究刀盘受力情况,并对其进行优化,提高刀盘与刀具的使用寿命,降低换刀维修频率。本文分析了滚刀破岩机理与受力预测模型,根据现有滚刀刀箱的结构特点、人工换刀方法的基本流程、机械臂的工作特征等,确定了滚刀刀箱设计的基本思路与要求。采用SolidWorks软件,完成了新型刀箱结构方案的设计,并对设计方案进行对比选择。对应最终刀箱方案,设计了一款换刀机械臂末端执行器。新型刀箱结构的安装与工作过程属于接触非线性问题,应利用ABAQUS强大的非线性求解功能,对刀箱进行静力学分析。采用ANSYS WorkBench,对换刀机械臂末端执行器的不同工作状态分别进行静力学分析。验证刀箱与换刀机械臂末端执行器的结构强度与刚度。利用多目标遗传算法对滚刀在刀盘上的安装位置进行优化。对刀盘刀具布置规律进行研究,归纳了刀具布置的基本方法与原则。对刀盘进行受力分析,以刀盘径向不平衡力与倾覆力矩最小为目标函数,创建了含有非线性约束的盾构机刀盘滚刀布置优化数学模型。以某型号盾构机刀盘为例,采用MATLAB编程,建立了刀盘刀具多目标遗传算法优化程序,并对其中9把边滚刀的安装位置进行了优化。采用SolidWorks软件建立优化前后的刀盘模型,并对其进行了适当的简化。利用ANSYS WorkBench对刀盘进行静力学分析,对比优化前后刀盘应力与变形结果,优化效果明显。对刀盘进行模态分析,对比刀盘优化前后的模态振型与固有频率,防止工作过程中发生共振现象。本文研究内容有利于推进自动换刀技术的发展,提高刀盘刀具使用寿命,将换刀作业人员从繁重的劳动中解放出来,具有一定的理论价值与现实指导意义。