刀盘作为隧道掘进机的核心部件,其再制造工作是隧道掘进机再制造的关键环节。刀盘磨损反映刀盘的力学性能及损伤寿命,是再制造的重要因素。本文在分析国内外相关研究的基础上,建立刀盘掘进仿真模型;基于掘进模型计算,对刀盘进行系统的磨损规律分析;基于拓扑优化分析结合刀盘磨损规律对刀盘结构进行优化设计;基于影响磨损的多个条件参数,建立刀盘磨损寿命预测模型;利用刀盘磨损寿命预测等方法对刀盘再制造进行综合评价。具体研究内容如下:(1)为进行刀盘磨损的一系列研究,建立刀盘掘进仿真模型。通过对滚刀破岩体积及岩碴分布的计算,在EDEM内粘结岩体颗粒床模型。将约束好的刀盘及滚刀模型导入建立的岩体颗粒床模型内,进行仿真分析。为验证模型正确性,利用掘进仿真模型得到的刀盘载荷作为有限元力学模型的输入,计算刀盘应力应变情况并与实际工程统计结果对比分析后得到二者具有较高的一致性,进而说明所建立刀盘掘进模型可靠性较高。同时将载荷获取方法与刀盘常用载荷分析法对比,说明了本方法获取刀盘载荷的简便性。(2)得到刀盘磨损规律。经刀盘掘进仿真模型计算分析得:刀盘磨损初现的区域在出碴槽附近和中心滚刀外侧附近的面板,随后磨损由外向内扩散。为进一步获得刀盘各区域内磨损规律,对刀盘进行区域划分后分析得:刀盘上滚刀分布密集的区域、中心面板及出碴槽附近的面板磨损较为严重。最后针对刀盘掘进距离、刀盘转速、耐磨层高度及磨损常数对刀盘磨损的影响做出详细的规律分析,为磨损预测模型奠定基础,对刀盘再制造修复策略起到指导作用。(3)为提高刀盘的综合性能,利用拓扑优化的方法并结合刀盘面板磨损情况分析,设计米字型刀盘面板耐磨结构。与旧刀盘对比得到:优化后的刀盘较旧刀盘磨损危险区域的应力及应变有了显著的下降,平均磨损量降低接近1倍。经模态分析计算得到优化后面板前三阶固有频率较旧刀盘面板分别提升了4.2%、3.4%、6.5%,加强刀盘结构的刚度。改进后的新刀盘面板从力学性能、耐磨性及刚度方面均得到显著改善,有效延长刀盘面板的使用寿命。(4)为得到刀盘磨损寿命预测模型,利用遗传算法优化的BP神经网络对刀盘磨损寿命进行预测。得到的预测结果与期望输出结果拟合较好。刀盘磨损寿命预测模型精确度经计算可达96.23%,说明此模型具有较高的预测精度,其对刀盘磨损寿命预测具有一定的指导作用。(5)为建立刀盘再制造评价体系,以服役后的TBM刀盘为再制造评价对象,利用专家评分与层状分析法逐级评价刀盘的再制造价值。首先对评估准则层中(三个参数)下的九个指标进行量化分析。其次对引入评估准则层的三个参数的量化值进行修正后得到刀盘再制造综合评价指数。最后依此指数对刀盘进行再制造评价,从而建立一套较为完整的评价体系,依据刀盘磨损规律,对再制造修复提出合理化建议。