全断面掘进机是一种能够不间断掘进的机器,具备岩石开挖、支撑推进、渣土输送以及锚杆支护等功能于一体的大型隧道施工装备,主要由刀盘切削系统、支撑-推进-换步系统、渣土输送系统以及锚杆支护等辅助系统组成。锚杆钻机是锚杆支护系统的施工设备,钻杆是锚杆钻机正常工作的关键部件。细长的钻杆在高速旋转工作过程中工况较为复杂,而钻头与岩石直接接触,易造成钻头的磨损失效,故利用ANSYS软件研究钻杆和钻头的静力学和动力学特性有十分重要的意义。隧道开挖的过程中刀盘破碎岩石会产生强烈振动,故对锚杆钻机的钻杆进行动力学分析,确定钻杆的固有频率,防止钻杆共振引起钻杆断裂。为探索钻杆与钻头的静力学和动力学特性,优化钻头结构,提高钻头的排屑效率,延长钻杆的使用寿命,本文开展的主要工作如下:(1)针对不同的支护对象,锚杆钻机的转速和推力有所不同,确定锚杆钻机钻头在硬岩中的进给推力、转矩以及转速等工作参数,为后面的有限元分析提供依据,对锚杆钻机变幅机构、旋转机构、推进机构以及主机系统进行结构设计,并在SOLIDWORKS软件中建立锚杆钻机钻杆和钻头的三维模型。(2)将模型导入ANSYS Workbench中进行静力学分析,得到钻杆和钻头的应变云图、应力云图以及总变形云图。因为钻头受到岩石破碎反力和反向力矩等力,故钻头发生较大变形,钻杆变形量从钻杆下端到上端呈增大的趋势,最大变形量在钻头处,为0.7265mm,最大应变为394.72Mpa,总体变形量比较小,不影响锚杆钻机的正常工作。(3)针对在激振频率与钻杆固有频率相同时就会引起钻杆共振的问题,如果发生共振极易造成钻杆工作中严重偏斜,导致钻孔不规范,甚至会造成钻杆断裂失效。因此,利用ANSYS软件对钻杆进行自由模态分析和约束模态分析,并探索钻杆在一定直径下,长度对固有频率的影响规律,得到长度增加则固有频率降低;在一定长度下,直径增加则钻杆固有频率升高。通过模态分析得出钻杆主要阶段的固有频率,调整锚杆钻机的转速避开共振频率区域。通过动力学分析研究可以延长锚杆钻机的使用寿命,并对实际钻进过程中预防共振有重要的意义。(4)运用拓扑优化对钻头进行分析,对钻头的结构进行优化,锚杆钻机关键受力部分定义为非优化区域,根据分析结果提出优化方案,优化后钻头排屑通道的截面面积增加了36.11%,再次对优化方案后的结构进行仿真分析,结果显示优化后的最大应力为280.14Mpa,优化后的模型提高了钻头的排屑能力,加快了钻头的钻进速度。