市場(chǎng)全球化使得各國(guó)裝備制造企業(yè)面臨嚴(yán)峻的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，各國(guó)政府和企業(yè)都在積極制訂措施，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)我國(guó)而言，裝備制造業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力是推動(dòng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的引擎，是國(guó)家核心制造能力的重要體現(xiàn)。國(guó)家《高端裝備制造業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》明確提出：“大力培育和發(fā)展高端裝備制造業(yè)，是提升我國(guó)產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的必然要求，是搶占未來(lái)經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展制高點(diǎn)的戰(zhàn)略選擇，對(duì)于加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、實(shí)現(xiàn)由制造業(yè)大國(guó)向強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變具有重要戰(zhàn)略意義�！�

　　在新的歷史機(jī)遇面前，我國(guó)掘進(jìn)機(jī)行業(yè)迎來(lái)了巨大的發(fā)展空間和機(jī)遇。近年來(lái)，隨著我國(guó)交通、引水等基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，隧道工程項(xiàng)目越來(lái)越多，隧道掘進(jìn)機(jī)的使用也越來(lái)越廣泛。目前，我國(guó)全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）主要處于引進(jìn)合作生產(chǎn)階段，外方對(duì)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)行封鎖，關(guān)鍵部件通常由外方企業(yè)設(shè)計(jì)完成。而’rBM刀盤(pán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題是TBM設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，該問(wèn)題的解決對(duì)提高我國(guó)企業(yè)在世界掘進(jìn)裝備制造業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力具有重大的影響！

　　TBM刀盤(pán)系統(tǒng)（滾刀、盤(pán)體、主驅(qū)動(dòng)等）作為T(mén)BM的核心部件，在掘進(jìn)過(guò)程中起到破碎巖石和支撐掌子面功能。TBM刀盤(pán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)既要考慮高承載能力，又要考慮高可靠性、高安全性和長(zhǎng)壽命的設(shè)計(jì)要求，必須根據(jù)全程施工地質(zhì)情況進(jìn)行面向地質(zhì)適應(yīng)性的非標(biāo)定制設(shè)計(jì)。合理的刀盤(pán)系統(tǒng)對(duì)提高刀盤(pán)和刀具壽命、‘TBM掘進(jìn)效率和安全性，減輕掘進(jìn)機(jī)振動(dòng)，降低噪聲等具有重要的作用。由于’rBM刀盤(pán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)含量高，我國(guó)一直不具備自主研發(fā)的能力，如何在最短的時(shí)間內(nèi)深人研究TBM刀盤(pán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及的機(jī)理和關(guān)鍵技術(shù)，打破國(guó)外技術(shù)封鎖，提高我國(guó)掘進(jìn)裝備制造業(yè)的自主研發(fā)水平，無(wú)疑是一項(xiàng)既有學(xué)術(shù)價(jià)值，又有重要實(shí)用意義和廣泛應(yīng)用前景的研究課題。

　　本書(shū)圍繞TBM刀盤(pán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)這一關(guān)鍵問(wèn)題，在綜合分析TBM刀盤(pán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對(duì)TBM刀盤(pán)系統(tǒng)中的滾刀群破巖機(jī)理及受力預(yù)測(cè)模型、盤(pán)形滾刀動(dòng)態(tài)特性及新結(jié)構(gòu)研究、刀群三維回轉(zhuǎn)切削仿真與刀間距優(yōu)化設(shè)計(jì)、滾刀群與盤(pán)體支撐結(jié)構(gòu)耦合布置設(shè)計(jì)、刀盤(pán)盤(pán)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及TBM刀盤(pán)設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)9個(gè)方面進(jìn)行了廣泛而深入的研究。

　　本書(shū)是一部針對(duì)全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)系統(tǒng)的若干關(guān)鍵問(wèn)題及其設(shè)計(jì)理論、方法與技術(shù)體系的專(zhuān)著，系統(tǒng)而全面地總結(jié)了作者在國(guó)家自然科學(xué)基金、遼寧省科技攻關(guān)項(xiàng)目以及國(guó)家973項(xiàng)目等資助下在該領(lǐng)域所取得的一些成果。本書(shū)的內(nèi)容分為以下部分：

　　第1章討論全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)發(fā)展歷程及結(jié)構(gòu)組成，概述TBM刀盤(pán)系統(tǒng)中滾刀破巖機(jī)理、滾刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、滾刀群布置設(shè)計(jì)，以及刀盤(pán)盤(pán)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)。

　　第2章討論滾刀群破巖機(jī)理及滾刀群多階段受力預(yù)測(cè)模型。在此基礎(chǔ)上，基于密實(shí)核理論，針對(duì)特定巖石條件，考慮滾刀在破巖過(guò)程中復(fù)雜的受力情況，將滾刀楔形刃破巖過(guò)程分為4個(gè)階段：彈性變形階段、擠壓破碎階段、密實(shí)核破碎階段與卸載階段，且認(rèn)為在密實(shí)核破碎階段，密實(shí)核處于靜水壓狀態(tài)，靜水壓力增大，會(huì)使受力物體的體積縮小，但不會(huì)改變其形狀。并提出了單滾刀和滾刀群多階段受力預(yù)測(cè)模型。進(jìn)而開(kāi)展了滾刀線(xiàn)性切割巖石實(shí)驗(yàn)研究，并與理論模型進(jìn)行了對(duì)比。

　　第3章討論強(qiáng)沖擊載荷下TBM盤(pán)形滾刀動(dòng)態(tài)特性及新結(jié)構(gòu)。基于滾刀軸承接觸模型，采用集中質(zhì)量法建立滾刀系統(tǒng)的彎一軸一擺耦合動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)對(duì)固有特性的分析可得滾刀系統(tǒng)的各階固有頻率及其對(duì)應(yīng)的振動(dòng)形態(tài)，進(jìn)一步研究和分析振動(dòng)系統(tǒng)在內(nèi)、外部激勵(lì)共同作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及側(cè)向載荷系數(shù)對(duì)滾刀耦合動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響規(guī)律。通過(guò)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和軸承接觸模型得到滾刀軸承動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及滾子時(shí)變載荷歷程，進(jìn)而計(jì)算滾刀軸承接觸疲勞壽命；同時(shí)，基于滾子載荷對(duì)滾刀軸承進(jìn)行修形設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)滾刀系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究和滾刀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，建立一種新型滾刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，然后分別從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配和性能評(píng)價(jià)對(duì)新型滾刀進(jìn)行研究，為新型滾刀的設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供理論依據(jù)和參考。

　　第4章討論不同模式下。TBM刀群三維回轉(zhuǎn)切削仿真與刀間距優(yōu)化設(shè)計(jì)。建立了基于LS-DYNA平臺(tái)的不同模式下盤(pán)形滾刀群切割巖石仿真模型，獲取了滾刀切割巖石過(guò)程中的三向載荷、單位時(shí)間內(nèi)破碎的巖石量、巖石的應(yīng)力分布云圖、側(cè)向力與滾動(dòng)力所占比重、三向力的動(dòng)態(tài)變化頻率。分析不同刀間距下滾刀受力及切削效率，對(duì)盤(pán)形滾刀刀間距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；分析不同安裝角度下滾刀受力及切削效率，對(duì)邊滾刀安裝角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；分析不同順次角度下滾刀受力及切削效率，對(duì)盤(pán)形滾刀順次角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　第5章討論滾刀群與盤(pán)體支撐結(jié)構(gòu)耦合布置設(shè)計(jì)方法。考慮到刀群布置與刀盤(pán)盤(pán)體支撐結(jié)構(gòu)間的耦合因素，提出了以刀盤(pán)側(cè)向力合力、牽連慣性力合力、不平衡合力矩、刀盤(pán)應(yīng)力和應(yīng)變最小化為優(yōu)化目標(biāo)，刀具安裝角與支撐筋初始位置角為設(shè)計(jì)變量，同時(shí)以不干涉、質(zhì)心分布、刀間距、順次破巖、制造與裝配等多項(xiàng)要求為約束的刀群與盤(pán)體支撐結(jié)構(gòu)耦合布置優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。根據(jù)該優(yōu)化模型中設(shè)計(jì)目標(biāo)相互制約、協(xié)調(diào)的特點(diǎn)，提出了協(xié)同進(jìn)化遺傳算法（CCGA）求解方法，最后通過(guò)工程實(shí)例加以驗(yàn)證。

　　第6章討論性能驅(qū)動(dòng)的刀盤(pán)盤(pán)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。針對(duì)TBM刀盤(pán)出碴槽設(shè)計(jì)領(lǐng)域的空白，建立了刀盤(pán)排碴離散元仿真模型，分析了出碴槽設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)TBM排碴效率及穩(wěn)定性的影響規(guī)律，提出了基于巖碴流動(dòng)性的出碴槽設(shè)計(jì)規(guī)則。