作为井筒建设的重要设备,反井钻机被广泛应用于矿井开发、地铁隧道、城市管廊等工程建设中,其工作原理是通过反井钻机的钻杆施加拉力,使镶齿滚刀压入岩石中,再由钻杆旋转带动刀具滚压破碎岩石。与冲击、切削等早期应用广泛的工艺相比,镶齿滚刀的滚压破岩是效率最高、适应性最强的一种破岩方式。基于此,本文开展镶齿滚刀破岩机理和破岩性能的研究,分析刀体参数和工程参数对岩石破碎的影响,进一步提高镶齿滚刀的破岩效率,减少刀具的磨损。本文采用理论推导在前、数值仿真为主、试验验证相结合的方式,对镶齿的破岩机理和滚刀的破岩性能进行研究。通过对镶齿滚刀结构和布置的研究,建立了镶齿运动的数学模型,根据空间的几何关系,推导出不同滚刀镶齿的运动方程,并绘制出镶齿的运动轨迹。通过研究镶齿滚刀的刀体结构,开展了齿形、齿间距和齿形磨损的破岩机理研究,结果表明:从能耗角度考虑,优先选用楔齿;在地质环境为硬岩时,选择球齿或锥齿更为耐磨;不同齿形的镶齿滚刀都存在一个最佳的齿间距,使滚刀能够获得最佳的破岩效率;镶齿磨损对滚刀的影响是增大了进给力,间接增大刀盘和钻杆的扭矩。针对地质环境的复杂性,分别开展了镶齿在岩石存在节理和围压状态下的破岩机理研究,证明节理的存在改变了裂纹的扩展方向,进而影响岩石的破碎效率;这种影响可分为两类,一种是节理在一定程度上促进岩石的破坏,无论从裂纹的数量还是镶齿的受力都是有利的;另一种是节理在一定程度上阻隔了裂纹的扩展,节理的阻隔会降低滚刀的破岩效率;围压对镶齿破岩的影响主要是抑制了裂纹产生和扩展,使镶齿滚刀的破岩量减少,降低了破岩的效率。建立了镶齿滚刀的直线破岩模型,开展了侵彻深度和移动速度对进给力、侧向力和正压力影响的数值模拟研究,结果表明:随侵彻深度和移动速度增加时,进给力都呈增大趋势,特别是随侵彻深度增加,进给力呈指数型增加;随侵彻深度增加,侧向力随之呈指数型增大,而且不同移动速度下其变化趋势一致;滚刀的正压力随侵彻深度的增加而呈指数型增加;正压力随移动速度增加几乎保持不变,这表明移动速度不会对滚刀的正压力产生影响;不同移动速度下,进给力和正压力变化曲线的峰谷值变化基本一致,进给力和正压力的载荷波动值与滚刀移动速度无关。基于齿形对破岩性能的影响,开展了楔齿、镐齿、锥齿和球齿四种不同齿形滚刀承载力的数值模拟研究,结果表明镶齿滚刀的正压力曲线呈周期性变动,其周期不随着侵彻深度的增加而变化,也不随着齿形的改变而变化,它是由镶齿滚刀上镶齿的排列规则造成的;随侵彻深度增加,不同齿形的滚刀进给力、侧向力和正压力都呈指数型增大,其中球齿随侵彻深度的增大变化最为明显;从力的波动幅值比较可知,滚刀各方向力的波动关系是正压力>进给力>侧向力,从齿形上分析各方向力的波动关系是球齿>锥齿>镐齿>楔齿。建立了镶齿滑移的数学模型,推导了镶齿滚刀在最小摩擦功状态下的方程解,指出镶齿滚刀的纯滚动点会因刀具的几何参数而改变,纯滚动的位置是在靠近滚刀中心偏向大端一侧。进一步推导了镶齿的单齿滑移量和滑移总量的公式,找出了影响滑移量的参数有安装位置、锥体倾角、锥体半径、侵彻深度和齿数,并依次分析这些参数对滑移的影响规律。开展了滑移的试验验证,通过研究镶齿滚刀在岩石和混凝土的滚压轨迹,验证了滚刀的向前滑移、不滑移和向后滑移三种破岩方式,证明了最小主锥上镶齿的滑移量最大,且纯滚动点位置处于主锥3和主锥4之间。通过反井钻机刀盘的工程试验,开展了刀盘的转速对钻杆拉力和扭矩影响的试验研究,结果表明:随转速的增大钻杆的拉力基本不变,钻杆的拉力与推力油缸的压力呈正比关系;随着转速的增加,钻杆的扭矩基本保持不变;在不同转速下,扭矩随拉力的增加而呈线性增大。开展拉力和转速对钻速影响的试验研究,结果表明随着拉力的增大,钻杆的钻速快速增加,拉力与钻速的变化曲线呈指数型;随着转速的增大,钻杆的钻速平稳增加,转速与钻速的变化曲线呈线性关系。开展拉力和转速对破岩比能耗影响的试验研究结果表明:最佳工作参数是拉力为1483 kN(设定推力缸压力为11 MPa),转速为4 r/min;这种获取最佳工程参数的方法,不仅为反井钻机在新的地质环境中如何选择工程参数提供了参考,而且为进一步研究镶齿滚刀的破岩性能和刀盘的设计奠定了基础。该论文有图153幅,表10个,参考文献161篇。