全断面岩石掘进机(TBM)是一种现代化的隧道施工装备,其功能繁多,结构复杂,可以体现一个国家的装备制造业水平。TBM的工作负载极大,驱动系统中主轴承以及刀盘连接螺栓承受较大的载荷,属驱动系统的薄弱环节,一旦失效不仅提高施工成本,且维修更换周期较长,严重影响掘进效率。与主轴承连接的结构与其他结构和机构有多个接口,目前行业中还没有一个明确的设计准则或方法来指导设计,通常仅考虑其功能和构造而忽略了对载荷传递路径的引导,影响其性能。因此,对这部分结构的刚度特性与载荷传递的关系进行研究,对提高其设计质量,保证TBM整机性能,具有重要的理论价值和工程实际意义。本文以敞开式TBM刀盘驱动系统结构为对象,将就如下问题展开研究:(1)分析驱动系统结构的载荷特征及其影响因素。刀盘的结构特点使驱动系统结构的载荷具有明显的二次力矩特征。根据最小势能原理及相似性,通过载荷分布实验得研究刀盘载荷特征和影响因素。根据边界约束方式对载荷分布的影响规律,提出一种基于科罗拉多矿业学院(CSM)滚刀载荷模型的边界刚度模拟方法,为主轴承受力状态及性能的研究奠定基础。(2)研究驱动系统结构特征参数对主轴承受力状态的影响规律。在考虑结构功能对其构型和尺寸的限制条件下,分析等效法兰长度、主轴承安装方式以及前主梁截面形式对分布载荷的二次力矩影响,为结构的设计提供方向性指导。(3)分析主轴承止推滚道载荷分布及其对轴承性能的影响,并提出一种基于切片法和掘进载荷统计的主轴承寿命预估方法。通过有限元法获取主轴承止推滚道的载荷分布以考虑结构耦合刚度的影响,研究载荷分布对主轴承承载能力的影响。根据实测的掘进载荷频次分布规律,结合切片法提出基于Miner累积损伤理论的主轴承使用寿命预估方法,并分析结构特征参数对主轴承性能的影响规律,为驱动系统结构的设计和主轴承的性能校核奠定基础。(4)采用多级建模方法研究驱动系统结构刚度对刀盘连接螺栓载荷的影响规律。通过理论和实验分析了驱动系统结构与刀盘的连接面滑移原因,及其对螺栓危险截面应力影响。在主轴承载荷分布模型的基础上考虑连接面滑移,采用多级建模方法获取螺栓拉力、位移以及危险点应力变化与结构刚度的关系,为驱动系统结构的设计和装配工艺的定制提供依据。