全断面岩石掘进机(TBM)是我国装备制造业的标志性产品,盘形滚刀是刀盘上配置的主要破岩刀具。滚刀工况恶劣,属于易损件,是掘进机的关键部件。据统计滚刀的检测维修更换所花费的时间占工期的1/3左右;刀具成本占整个工程成本的1/3左右。另外,破岩模型、磨损模型和建立寿命体系研究为施工换刀提供理论依据;对盾构机设计具有指导意义,是刀盘刀具研究的关键。破岩机理研究是准确预测盘形滚刀破岩力的前提,而破岩力预测是全断面掘进机设计的关键,磨损机理研究是滚刀寿命预测的前提,盘形滚刀寿命预测是科学换刀的理论依据。基于此本文主要研究内容包括以下几个方面:(1)通过深入分析滚刀破岩过程中围岩与刀圈的相互作用过程,确定滚刀硬岩掘进的破岩机理,根据滚刀运动特点建立盘形滚刀破岩点基于施工参数的三维运动方程。讨论确定围岩受压后应力分布函数,应用微元积分法构建破岩力模型;应用库仑-莫尔准则修正盘形滚刀破岩力预测模型,使其符合实际情况。(2)对盘形滚刀破岩机理深入研究,确定盘形滚刀与围岩相互作用过程的滚刀刀圈磨损机理;分析滚刀、岩石和施工工艺参数对盘形滚刀破岩力的影响规律,讨论影响滚刀刀圈磨损速率的因素,对盘形滚刀磨损情况分类。(3)深入分析盘形滚刀刀圈半径减小规律,研究刀圈磨损速率,定义盘形滚刀刀圈磨损系数并推导刀圈磨损量计算公式;同时深入分析围岩磨蚀性影响因素,以岩石CAI值作为围岩磨蚀性衡量标准,与滚刀刀圈磨损系数进行相关性分析。通过回归分析,建立基于岩石CAI系数的滚刀寿命预测模型。(4)通过设计全断面掘进机盘形滚刀单因素破岩试验,验证破岩力预测模型建立的准确性和适用性;设计三因素三水平正交破岩试验,验证影响滚刀破岩力因素主次关系。同时设计盘形滚刀刀圈磨损试验获得滚刀刀圈磨损系数表,为建立寿命预测模型提供实验基础。通过秦岭出口隧道数据分析验证基于岩石CAI值的滚刀寿命预测模型的正确性和适用性。