市場全球化使得各國裝備制造企業(yè)面臨嚴峻的國際競爭，各國政府和企業(yè)都在積極制訂措施，采用先進的設(shè)計和制造技術(shù)提高產(chǎn)品的競爭力。對我國而言，裝備制造業(yè)的綜合競爭力是推動工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的引擎，是國家核心制造能力的重要體現(xiàn)。國家《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)，是提升我國產(chǎn)業(yè)核心競爭力的必然要求，是搶占未來經(jīng)濟和科技發(fā)展制高點的戰(zhàn)略選擇，對于加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式、實現(xiàn)由制造業(yè)大國向強國轉(zhuǎn)變具有重要戰(zhàn)略意義�！�

　　在新的歷史機遇面前，我國掘進機行業(yè)迎來了巨大的發(fā)展空間和機遇。近年來，隨著我國交通、引水等基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模的擴大，隧道工程項目越來越多，隧道掘進機的使用也越來越廣泛。目前，我國全斷面隧道掘進機（TBM）主要處于引進合作生產(chǎn)階段，外方對關(guān)鍵技術(shù)實行封鎖，關(guān)鍵部件通常由外方企業(yè)設(shè)計完成。而’rBM刀盤系統(tǒng)設(shè)計問題是TBM設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，該問題的解決對提高我國企業(yè)在世界掘進裝備制造業(yè)中的競爭力具有重大的影響！

　　TBM刀盤系統(tǒng)（滾刀、盤體、主驅(qū)動等）作為TBM的核心部件，在掘進過程中起到破碎巖石和支撐掌子面功能。TBM刀盤系統(tǒng)設(shè)計既要考慮高承載能力，又要考慮高可靠性、高安全性和長壽命的設(shè)計要求，必須根據(jù)全程施工地質(zhì)情況進行面向地質(zhì)適應性的非標定制設(shè)計。合理的刀盤系統(tǒng)對提高刀盤和刀具壽命、‘TBM掘進效率和安全性，減輕掘進機振動，降低噪聲等具有重要的作用。由于’rBM刀盤系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)含量高，我國一直不具備自主研發(fā)的能力，如何在最短的時間內(nèi)深人研究TBM刀盤系統(tǒng)設(shè)計涉及的機理和關(guān)鍵技術(shù)，打破國外技術(shù)封鎖，提高我國掘進裝備制造業(yè)的自主研發(fā)水平，無疑是一項既有學術(shù)價值，又有重要實用意義和廣泛應用前景的研究課題。

　　本書圍繞TBM刀盤系統(tǒng)設(shè)計這一關(guān)鍵問題，在綜合分析TBM刀盤系統(tǒng)設(shè)計研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對TBM刀盤系統(tǒng)中的滾刀群破巖機理及受力預測模型、盤形滾刀動態(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、滾刀群與盤體支撐結(jié)構(gòu)耦合布置設(shè)計、刀盤盤體結(jié)構(gòu)設(shè)計以及TBM刀盤設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)9個方面進行了廣泛而深入的研究。

　　本書是一部針對全斷面隧道掘進機刀盤系統(tǒng)的若干關(guān)鍵問題及其設(shè)計理論、方法與技術(shù)體系的專著，系統(tǒng)而全面地總結(jié)了作者在國家自然科學基金、遼寧省科技攻關(guān)項目以及國家973項目等資助下在該領(lǐng)域所取得的一些成果。本書的內(nèi)容分為以下部分：

　　第1章討論全斷面隧道掘進機發(fā)展歷程及結(jié)構(gòu)組成，概述TBM刀盤系統(tǒng)中滾刀破巖機理、滾刀結(jié)構(gòu)設(shè)計、滾刀群布置設(shè)計，以及刀盤盤體結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)。

　　第2章討論滾刀群破巖機理及滾刀群多階段受力預測模型。在此基礎(chǔ)上，基于密實核理論，針對特定巖石條件，考慮滾刀在破巖過程中復雜的受力情況，將滾刀楔形刃破巖過程分為4個階段：彈性變形階段、擠壓破碎階段、密實核破碎階段與卸載階段，且認為在密實核破碎階段，密實核處于靜水壓狀態(tài)，靜水壓力增大，會使受力物體的體積縮小，但不會改變其形狀。并提出了單滾刀和滾刀群多階段受力預測模型。進而開展了滾刀線性切割巖石實驗研究，并與理論模型進行了對比。

　　第3章討論強沖擊載荷下TBM盤形滾刀動態(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力學模型，通過對固有特性的分析可得滾刀系統(tǒng)的各階固有頻率及其對應的振動形態(tài)，進一步研究和分析振動系統(tǒng)在內(nèi)、外部激勵共同作用下的動態(tài)響應以及側(cè)向載荷系數(shù)對滾刀耦合動力學系統(tǒng)動態(tài)響應的影響規(guī)律。通過系統(tǒng)動力學模型和軸承接觸模型得到滾刀軸承動態(tài)響應以及滾子時變載荷歷程，進而計算滾刀軸承接觸疲勞壽命；同時，基于滾子載荷對滾刀軸承進行修形設(shè)計。在傳統(tǒng)滾刀系統(tǒng)動態(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)計方法，然后分別從結(jié)構(gòu)設(shè)計、裝配和性能評價對新型滾刀進行研究，為新型滾刀的設(shè)計生產(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。建立了基于LS-DYNA平臺的不同模式下盤形滾刀群切割巖石仿真模型，獲取了滾刀切割巖石過程中的三向載荷、單位時間內(nèi)破碎的巖石量、巖石的應力分布云圖、側(cè)向力與滾動力所占比重、三向力的動態(tài)變化頻率。分析不同刀間距下滾刀受力及切削效率，對盤形滾刀刀間距進行優(yōu)化設(shè)計；分析不同安裝角度下滾刀受力及切削效率，對邊滾刀安裝角度進行優(yōu)化設(shè)計；分析不同順次角度下滾刀受力及切削效率，對盤形滾刀順次角度進行優(yōu)化設(shè)計。

　　第5章討論滾刀群與盤體支撐結(jié)構(gòu)耦合布置設(shè)計方法�？紤]到刀群布置與刀盤盤體支撐結(jié)構(gòu)間的耦合因素，提出了以刀盤側(cè)向力合力、牽連慣性力合力、不平衡合力矩、刀盤應力和應變最小化為優(yōu)化目標，刀具安裝角與支撐筋初始位置角為設(shè)計變量，同時以不干涉、質(zhì)心分布、刀間距、順次破巖、制造與裝配等多項要求為約束的刀群與盤體支撐結(jié)構(gòu)耦合布置優(yōu)化設(shè)計模型。根據(jù)該優(yōu)化模型中設(shè)計目標相互制約、協(xié)調(diào)的特點，提出了協(xié)同進化遺傳算法（CCGA）求解方法，最后通過工程實例加以驗證。

　　第6章討論性能驅(qū)動的刀盤盤體結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。針對TBM刀盤出碴槽設(shè)計領(lǐng)域的空白，建立了刀盤排碴離散元仿真模型，分析了出碴槽設(shè)計參數(shù)對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性的出碴槽設(shè)計規(guī)則。