随着我国现代化建设步伐的加快,国内水利、交通、资源开发等重大项目日益增多,其中隧道工程量巨大,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、截齿载荷差异及载荷波动较大,截齿寿命低且不一,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、单截齿截割参数、截齿布置及关键参数的研究方面存在不少待解决的问题。为了降低截齿损耗及能耗、提高截割效率,本文以XTR260悬臂式硬岩隧道掘进机截割头为研究对象,以坚固系数f=12、裂隙不发育的岩石为截割对象,采取Pro/E-Ansys-LS_Dyna3D联合建模求解的技术手段,针对上述问题展开了相关研究工作,主要包括以下内容:(1)研究了截割头的结构特征及其对截割性能的影响,对截割头的几何结构进行了设计,并分析了截割头的运动特性;研究了岩石的力学特性及岩石截割的机理,建立了镐形截齿截割岩石的数学模型。(2)研究了模拟截割岩石的基本理论,介绍了Pro/E-Ansys-LS_Dyna3D联合建模求解技术的流程,深入研究了求解技术中的关键问题,确保岩石截割数值模拟的可靠进行及结果真实准确。(3)对截齿截割参数及其对截割性能的影响进行了研究,明确了截割性能的评价指标:截割阻力及其波动系数、截割比能耗,确定了单截齿截割性能的主要影响因子;设计了单截齿截割岩石的正交试验,分析了各因子对截割性能的影响,确定了单截齿截割参数的最佳值;从时域、频域及相关性的角度,对最佳截割参数下截齿所受的载荷进行了分析,探知了单截齿截割岩石的载荷特性。(4)在明确截齿布置原则的基础上,对截齿的排列方式进行了详细探讨,分析了不同截齿排列方式的特点,明确了每线齿数和截齿间的相对位置;分析了螺旋线相关参数对截割性能的影响,确定了螺旋升角的取值;研究了影响截齿布置及整体截割性能的重要参数──截线距,从理论上分析了截线距的取值;建立了不同截齿排列方式的多截齿截割数值模拟模型,对多截齿截割性能进行了研究,确定了两种排列方式下截线距的最佳值;从而确定了截齿的布置方案。根据以上研究结果,设计出了适用于硬岩隧道掘进的XTR260掘进机截割头。