随着我国城市化进程的加快,基础设施的不断完善,对地下空间利用率的要求也不断提高,燃气、供排水管路在地下布置越来越密集,但目前布置管线的方法依然采用明挖法,导致路面破坏、交通堵塞、环境污染等问题,因此非开挖技术受到内外相关行业和政府的关注。目前存在的非开挖设备有盾构机、顶管机以及水平导向钻机,但都有各自的适用范围。因此提出一种新型的小口径地下管道挖掘机,该设备主要由刀盘切削系统、渣土输送系统、驱动和控制系统组成。刀盘切削系统是地下管道挖掘机的执行系统,在掘进过程中,刀盘所需要的驱动载荷直接影响驱动装置和后续系统的结构尺寸。因此本文对切削刀盘刀具进行设计与研究,主要目的是通过对切削刀盘、刀具的设计与研究,减少刀盘所需要的驱动载荷,解决小口径地下管道挖掘机结构紧凑导致对驱动结构尺寸受限的问题。本文首先对刀盘和刀具进行设计与研究,通过静态和动态仿真分析,确定最佳的刀盘面板结构和使刀具切削力最小的刀具参数和切削参数。其次对刀具布置方法进行研究,提出一种基于单费马螺线的刀具布置方法,建立基于阿基米德螺线和基于单费马螺线的三维模型。结合土力学理论建立刀盘推力和扭矩的简化理论估算模型,对两种不同布置方式的刀盘进行推力和扭矩计算,通过计算得到单费马螺线布置方式的刀盘的总推力和总驱动扭矩较小。最后通过有限元的数值分析方法,采用最佳的刀具参数和切削参数,对基于单费马螺线和基于阿基米德螺旋线刀具布置方法的刀盘进行仿真分析,仿真结果表明基于单费马螺线布置方法的刀盘驱动扭矩最小,证明提出的新的刀具布置方法可以实现减小刀盘载荷的目的,为小口径的非开挖设备的刀盘设计提供参考。