随着我国基础设施的不断建设,公路、高铁等项目数量巨大。中国西部地区的公路和高铁建设项目中隧道工程量巨大,隧道掘进设备需求量剧增。作为掘进岩巷的主力军,悬臂式掘进机通用性强,作业范围广,在降低劳动强度,提高效率,缩短工程周期等方面效果显著,已广泛用于矿山采掘、水利建设、隧道交通、城市地铁等重大工程建设。目前,国内悬臂式掘进机主要用于煤矿井下巷道施工,隧道专用的悬臂式硬岩掘进机产品种类较少,而现有矿用掘进机无法直接用于隧道施工,难以满足国内隧道施工需求。为了适应日益增长的隧道施工需求,突破国外悬臂式硬岩隧道掘进机市场及技术垄断,悬臂式硬岩隧道掘进机的研发迫在眉睫。截割头是掘进机掘进岩巷的核心部件,它对整机工作的可靠性、效率、经济性等都有重要影响,其性能好坏是评价掘进机性能的重要依据。所以,截割头的设计与研究是在掘进机研发中的重中之重,而在这方面,国内尚缺乏科学、系统的截割头设计方法及路线,造成截齿载荷及载荷波动较大,截割头能耗高,效率低下等不利的结果。隧道专用的硬岩掘进机截割头的设计与研究不足,缺乏足够的理论依据和试验指导,在硬岩掘进机截割头的几何结构设计、螺旋线参数的选取、截割头头体锥角关键参数的研究方面存在待解决的问题。本文从实际研究项目出发,针对截割头的设计与研究方面的不足,以坚固系数f=10、裂隙不发育的岩石为截割对象,运用Pro/E建立需要研究的不同三维模型并提交ANSYS/LS_DYNA求解器进行求解,对XTR260悬臂式硬岩隧道掘进机截割头进行设计与研究,目的是找到受力性能最佳的设计参数与降低截割能耗,提高截割头截割效率,主要研究内容如下:(1)分析悬臂式掘进机国内市场需求、发展现状及截割头研究现状,指出隧道掘进机截割头设计与研究方面的不足。(2)研究截割头设计的基础理论,确定截割头螺旋线数、截齿排列安装方式;对截割头两种工况进行运动学研究分析;分析镐形截齿的破岩过程,研究截割头受力。(3)研究截割头截割岩石数值模拟理论,截割岩石的力学特性和岩石材料的破坏失效准则;介绍ANSYS/LS_DYNA软件的算法和一般步骤;对本课题双螺旋截割头截割岩石数值模拟过程做详细研究,确保后续仿真模拟的顺利有效进行。(4)研究评价截割头截割性能的指标。对头体锥角为24°螺旋升角为10°、12°、14°和16°四种螺旋升角截割头在钻进和横切两种工况下做数值模拟研究,分析出两种工况下的双螺旋截割头最佳螺旋升角取值。(5)研究截割头头体锥角对截割性能的影响,对步骤4中研究出的最佳螺旋升角参数下的24°、30°和36°三种锥角的截割头就横切和钻进两种工况进行数值模拟研究,得到最佳头体锥角参数。结合上述的模拟仿真研究得到XTR260悬臂式掘进机最佳锥角和最佳螺旋升角截割头的设计。