全断面硬岩掘进机(Tunnel Boring Machine,简称TBM)是铁路、公路、水利、市政建设等隧道施工的重大装备,相对传统的钻爆法具有快速、优质、环保、安全等优点,已成为隧道施工的首选装备。支撑-推进-换步机构是TBM实现连续循环作业的核心传动部件,对整机掘进性能具有重要影响。本文在系统分析其机构组成与工作原理的基础上,研究了该机构具有的拓扑结构特性,然后进一步研究了机构的运动传递特性,构建了机构静力学分析模型,分析了关键构件受力,最后进行了机构的虚拟样机仿真。全文主要内容如下:首先,系统分析了支撑-推进-换步机构的拓扑结构、液压缸驱动方式及工作原理,计算了不同作业工况机构的自由度,研究了机构的拓扑特性,构建了不同工况时机构的等效拓扑构型。然后,建立了机构位置正逆解分析模型和在线调向(或轨迹纠偏)的运动学模型,推导出在线调向函数,揭示出各驱动油缸位姿参数与刀盘位姿间的映射规律,进行了纠偏轨迹的规划。其次,在构件受力合理假设的前提下,建立了护盾静力分析模型,研究了护盾处受力对鞍架、扭矩油缸和撑靴受力的影响规律;同时,建立了支撑-推进-换步系统受力分析模型,分别分析了主梁、主梁导轨、鞍架及撑靴的受力特点,揭示出各驱动油缸受力和刀盘外载间的映射关系。最后,应用商用软件Solidworks进行了机构三维实体建模和整机装配,并通过机构的运动仿真分析,验证了机构运动的合理性,采用有限元方法进行了机构的应力仿真,分析了机构关键零部件受力,为物理样机的设计提供一定借鉴。