随着全断面掘进机在工程中的不断应用,作为其关键部件之一的全断面掘进机刀具,在类型和材料性能上不断发展和更新。目前,市面上大约有100多种全断面掘进机刀具,如何在不同地质条件下合理选择和配置刀具,是全断面掘进机刀具应用研究的重点问题。因此,需要针对全断面掘进机刀具的谱系化设计和地层适应性问题展开研究。论文的主要内容如下:1、从全断面掘进机刀具产品需求谱系、特征谱系、演化谱系三个方面,建立了全断面掘进机刀具产品综合谱系信息图;进行了全断面掘进机刀具的地质应用研究;提出了全断面掘进机刀具的编码原则,结合特征谱系,进行了全断面掘进机刀具编码结构设计。2、采用ANSYS/LS_DYNA软件分别建立切刀切削软土地层、盘形滚刀破碎岩石地层的仿真模型。基于ALE算法,以软土为对象进行了切刀在不同切削深度和切削前角下的切削仿真,获得了切刀上作用的各向力的变化规律,并研究了不同切削前角下切刀的切土效率变化;研究了掘进机在不同掘进参数(刀刃宽度、刀间距、贯入度)以及不同地层条件下掘进时盘形滚刀的垂直破岩力和滚动破岩力的变化规律。并基于破岩比能耗理论,结合正交试验和多元非线性回归模型,研究了在泥岩、石灰岩、花岗岩等典型地层下刀盘掘进参数(刀刃宽度、刀间距、贯入度)的优化配置。3、基于实际工程中全断面掘进机刀具的磨损情况,对刀具的失效形式和失效机理进行了分析;基于E.Rabinwicz的磨粒磨损模型以及CSM盘形滚刀破岩力模型,建立了盘形滚刀的理论磨损模型;利用MATLAB软件,分别基于传统BP神经网络、GA-BP神经网络、PSO-BP神经网络建立了盘形滚刀的磨损预测模型,借助实际工程的滚刀磨损数据,得到基于GA-BP神经网络的盘形滚刀磨损预测模型,相比于其它两种预测模型,误差更小,且可满足实际工程中盘形滚刀磨损预测的精度要求。4、基于Microsoft Visual Studio和SQL Server数据库建立了全断面掘进机刀具查询推荐系统,包括了全断面掘进机刀具和工程实例查询模块、基于专家系统的全断面掘进机刀具推荐模块、基于GA-BP神经网络的盘形滚刀磨损预测模型的人机交互界面。研究成果可为全断面掘进机刀具更深入的谱系研究、不同地层下刀具的选型配置以及全断面掘进机刀具的磨损预测研究提供借鉴和参考。