进入21世纪以来,世界各国对地下空间的开发利用的需求急剧增加,TBM(全断面岩石掘进机)以其先进的设计理念、快速的掘进速度、优良的施工效果、安全的工作条件,迅速占领地下工程建筑市场。盘形滚刀作为全断面岩石掘进机刀盘的核心部件,直接与岩石接触受到强大的冲击和振动,成为TBM最易损坏的零部件,其失效将直接影响整个掘进主机的掘进效率和施工成本。因此从设计角度出发对滚刀的振动特性进行研究并在传统滚刀结构基础上设计具有良好抗振性的新型滚刀具有十分重要的工程意义,这也是行业内对于盘型滚刀设计重点关注的新方向之一。本论文来源于该973项目中的子课题二“硬岩刀盘系统动力学行为与设计理论”。论文的主要内容如下所述：(1)根据滚刀破岩特性,建立了考虑岩石本构、滚刀布局和掘进参数的滚刀时间载荷历程的仿真方法。通过Ansys/Ls-dyna的仿真分析得到中心、正和边滚刀的时间载荷历程,分别对其进行时域和频域分析,进而得到滚刀破岩规律,为滚刀系统动力学研究提供载荷激励。(2)基于滚刀轴承接触模型,采用集中质量法建立滚刀系统的弯-轴-摆耦合动力学模型,模型中考虑时变非线性轴承接触载荷、支撑刚度、阻尼等因素,通过分析各构件之间的相对位移关系,建立振动微分方程,并对其中的相关参数进行分析计算。(3)通过对固有特性的分析可得滚刀系统的各阶固有频率及其对应的振动型态。进一步研究和分析振动系统在内、外部激励共同作用下的动态响应以及侧向载荷系数对滚刀耦合动力学系统动态响应的影响规律。(4)通过系统动力学模型和轴承接触模型得到滚刀轴承动态响应以及滚子时变载荷历程,进而计算滚刀轴承接触疲劳寿命；同时基于滚子载荷对滚刀轴承进行修型设计,消除了滚子滚道接触边缘应力集中,改善轴承滚子载荷分布,提高轴承接触疲劳寿命。(5)在传统滚刀系统动态特性研究和滚刀结构基础上,以提高滚刀抗振性、降低滚刀部件振动损伤为目的,建立一种新型滚刀结构设计方法。然后分别从结构设计、装配和性能评价对新型滚刀进行研究,为新型滚刀的设计生产提供理论依据和参考。