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全断面掘进机(TBM)是隧道建设领域的典型重大装备,其技术难度大且附加值高,体现了我国装备制造业的水平。刀盘驱动系统是TBM整机系统动、静之衔接,兼具支撑与驱动两大功能。高硬度、高温、高石英含量的"三高"围岩环境引起的复杂刀盘受力性态,使得TBM刀盘驱动系统振动剧烈,易出现传动部件损坏等工程故障。TBM刀盘驱动系统多点啮合、多级传动与多结合面等复杂结构特征,为复杂载荷激励下的系统动力学特性研究带来了挑战。本文以敞开式TBM刀盘驱动系统为研究对象,提出一种针对TBM刀盘驱动系统复杂结构特征的分层次动力学建模与分析方法,研究强冲击激励下的系统耦合振动机理,揭示系统参数对动力学特性的影响规律,并通过掘进现场与模型实验台的振动测试进行了理论模型验证。主要研究工作如下:1)针对TBM刀盘驱动系统的复杂结构特征,基于广义有限元建模思想,提出一种适用于复杂齿轮传动系统的分层次动力学建模方法。综合考虑TBM刀盘驱动系统驱动元参数与运动、力参数间的强耦合关系,采用基于动力学相似理论的虚拟轴段等效方法,建立了包含多源驱动、主减速器多级行星轮系及各结构件单元结合部位的非线性因素的刀盘驱动系统整机动力学模型。2)研究TBM刀盘驱动系统固有频率与振型特征,将系统振型划分成轴向振型、扭转振型与横向振型三种类型,得到了系统设计中应避免的模态跃迁点,并建议采用中心对称作为小齿轮分布方式;结合多源变频电机主从控制下的转速与转矩特性,研究电机启动、稳态载荷与冲击载荷等工况下的时频响应及系统动态啮合力特性,并揭示刀盘载荷、小齿轮分布方式及刀盘转速对系统振动响应特性的影响规律;基于仿真载荷下的预估响应与现场振动实测数据在振动水平上相当,误差约为18%～50%。3)以固有频率、关键节点振动响应及动态啮合力为系统动力学特性评价指标,考虑外部载荷、材料系数、啮合参数与联接参数等输入参数变化,基于代理模型技术分析了系统动力学特性的全局参数敏感度,获得了考虑多种类型参数交互作用的刀盘驱动系统动力学特性变化规律,为TBM刀盘驱动系统动力学设计提供理论依据。4)设计并建立刀盘驱动系统模型实验台,验证了各级传动系统的啮合频率及倍频是刀盘驱动系统的主要振动频率,且系统振动表现出明显的耦合特性。