仿生流纹降阻锥形截齿及截割煤岩工艺设计方法与流程

本发明属于矿山采掘工程技术领域，具体涉及一种适用于矿山采掘机械的仿生流纹降阻锥形截齿及截割煤岩工艺设计方法。

背景技术：

在矿山采掘过程中，采掘机械的截齿消耗量巨大。例如，采煤机割煤用截齿，受截齿耐磨性影响，其波动幅度较大，每生产1万吨煤消耗截齿400~1500个，按平均每生产1万吨煤消耗截齿800个计算，每生产100万吨煤，将消耗8万个截齿，按平均售价50元计算，每生产100万吨煤截齿材料费达400万元，对于一个1000万吨以上的现代化矿井，仅截齿材料费用投入将达4000万元以上。目前，截齿失效形式包括磨损、齿身弯曲变形或折断、硬质合金刀头脱落、硬质合金刀头开裂或崩刃等，其中50%以上的截齿为磨损失效。因此，如何提高截齿的耐磨性，从而延长截齿的使用寿命，降低截齿材料消耗，一直是该研究领域的热点，近些年，科研及工程人员发展了一系列新型截齿，专利名称为“镐形截齿齿体头部激光熔覆耐磨涂层强化工艺”（zl200810012681.8）、“一种新型矿用镐形截齿”（zl201310549173.4）、“一种超声冲击截齿”（zl201410771354.6）、“可重复使用截齿体的情形截齿”（zl200720079426.6）对于提高截齿的耐磨性都取到了一定的效果。目前，通常采取改善截齿材料力学性能、强化截齿表面等方法提高截齿的耐磨性能，而这些方法往往会提升截齿的制造成本。根据仿生学理论，将物体表面设计为仿生结构，可实现仿生减阻、仿生降噪和仿生增效等功能。因此，结合仿生学理论，本发明通过将锥形截齿的齿体、硬质合金头表面设计为仿生流纹结构，降低采掘机械截齿截割煤岩阻力，提高截齿的耐磨性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种仿生流纹降阻锥形截齿及截割煤岩工艺设计方法，解决常规采掘机械截齿耐磨性差、易折断的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

仿生流纹降阻锥形截齿，包括仿生流纹齿体、仿生流纹硬质合金头，所述仿生流纹齿体、仿生硬质合金头同轴，仿生流纹硬质合金头安装在仿生流纹齿体上，仿生流纹齿体由齿柄、仿生流纹齿头组成。

所述的仿生流纹齿头的表面设置为仿生凸形流纹或仿生凹形流纹或仿生凸形流纹与仿生凹形流纹并存，仿生凸形流纹或仿生凹形流纹设置为多头锥形螺旋结构，锥形螺旋结构头数设置范围为5~50，锥形螺旋结构导程设置范围为0.03m~10m，仿生凸形流纹凸起的高度为0mm～15mm范围内，仿生凹形流纹凹槽的深度为0mm～10mm范围内，仿生凸形流纹或仿生凹形流纹结构表面积占仿生流纹齿头表面积的比例为60%～100%。

所述的仿生流纹硬质合金头的表面设置为仿生凸形流纹或仿生凹形流纹或仿生凸形流纹与仿生凹形流纹并存，仿生凸形流纹或仿生凹形流纹设置为多头锥形螺旋结构，锥形螺旋结构头数设置范围为5~50，锥形螺旋结构导程设置范围为0.02m~5m，仿生凸形流纹凸起的高度为0mm～10mm范围内，仿生凹形流纹凹槽的深度为0mm～5mm范围内，仿生凸形流纹或仿生凹形流纹结构表面积占仿生流纹硬质合金头表面积的比例为70%～100%。

仿生流纹降阻锥形截齿的截割煤岩工艺设计方法，所述仿生流纹降阻锥形截齿采用如权利要求1所述的结构，包括以下步骤：

（1）、根据煤岩坚固性系数确定采用不同结构的仿生流纹降阻锥形截齿；

（2）、根据煤岩坚固性系数确定采掘机械装备截齿安装角度。

仿生流纹降阻锥形截齿的截割煤岩工艺设计方法，步骤（1）根据煤岩坚固性系数确定采用不同结构的仿生流纹降阻锥形截齿的具体方式为：

当施工地点煤坚固性系数为f＞5时，仿生流纹齿头表面仿生凸形流纹凸起的高度为0mm～10mm，仿生流纹齿头表面仿生凹形流纹凹槽的深度为0mm～5mm，仿生凸形流纹或仿生凹形流纹表面积占仿生流纹齿头表面积的比例为60%～100%；仿生流纹硬质合金头表面仿生凸形流纹凸起的高度为0mm～5mm，仿生流纹硬质合金头表面仿生凹形流纹凹槽的深度为0mm～3mm，仿生凸形流纹或仿生凹形流纹表面积占仿生流纹硬质合金头表面积的比例为70%～100%；

当施工地点煤坚固性系数为5≥f＞3时，仿生流纹齿头表面仿生凸形流纹凸起的高度为0mm～12mm，仿生流纹齿头表面仿生凹形流纹凹槽的深度为0mm～8mm，仿生凸形流纹或仿生凹形流纹表面积占仿生流纹齿头表面积的比例为60%～95%；仿生流纹硬质合金头表面仿生凸形流纹凸起的高度为0mm～8mm，仿生流纹硬质合金头表面仿生凹形流纹凹槽的深度为0mm～5mm，仿生凸形流纹或仿生凹形流纹表面积占仿生流纹硬质合金头表面积的比例为70%～95%；

当施工地点煤坚固性系数为3≥f＞1.5时，仿生流纹齿头表面仿生凸形流纹凸起的高度为2mm～12mm，仿生流纹齿头表面仿生凹形流纹凹槽的深度为1mm～8mm，仿生凸形流纹或仿生凹形流纹表面积占仿生流纹齿头表面积的比例为60%～90%；仿生流纹硬质合金头表面仿生凸形流纹凸起的高度为1mm～8mm，仿生流纹硬质合金头表面仿生凹形流纹凹槽的深度为1mm～5mm，仿生凸形流纹或仿生凹形流纹表面积占仿生流纹硬质合金头表面积的比例为70%～90%；

当施工地点煤坚固性系数为1.5≥f＞0.5时，仿生流纹齿头表面仿生凸形流纹凸起的高度为3mm～12mm，仿生流纹齿头表面仿生凹形流纹凹槽的深度为2mm～8mm，仿生凸形流纹或仿生凹形流纹表面积占仿生流纹齿头表面积的比例为60%～85%；仿生流纹硬质合金头表面仿生凸形流纹凸起的高度为2mm～8mm，仿生流纹硬质合金头表面仿生凹形流纹凹槽的深度为2mm～5mm，仿生凸形流纹或仿生凹形流纹表面积占仿生流纹硬质合金头表面积的比例为70%～85%；

当施工地点煤坚固性系数为0.5≥f＞0时，仿生流纹齿头表面仿生凸形流纹凸起的高度为3mm～15mm，仿生流纹齿头表面仿生凹形流纹凹槽的深度为2mm～10mm，仿生凸形流纹或仿生凹形流纹表面积占仿生流纹齿头表面积的比例为60%～80%；仿生流纹硬质合金头表面仿生凸形流纹凸起的高度为2mm～10mm，仿生流纹硬质合金头表面仿生凹形流纹凹槽的深度为2mm～5mm，仿生凸形流纹或仿生凹形流纹表面积占仿生流纹硬质合金头表面积的比例为60%～80%；

仿生流纹降阻锥形截齿的截割煤岩工艺设计方法，步骤（2）根据煤岩坚固性系数确定采掘机械装备截齿安装角度的具体方式为：

当施工地点煤岩坚固性系数为f＞5时，采掘机械装备截齿安装角度为55°～60°；

当施工地点煤岩坚固性系数为5≥f＞3范围内时，采掘机械装备截齿安装角度为50°～55°；

当施工地点煤坚固性系数为3≥f＞1.5范围内时，采掘机械装备截齿安装角度为45°～50°；

当施工地点煤岩坚固性系数为1.5≥f＞0.5范围内时，采掘机械装备截齿安装角度为40°～50°；

当施工地点煤岩坚固性系数为0.5≥f＞0范围内时，采掘机械装备截齿安装角度为40°～45°。

由于采用了上述方案，本发明具有以下效果：

本发明设计一种具有仿生结构的锥形截齿，基于仿生学理论，将锥形截齿的齿体、硬质合金头表面设计为仿生流纹结构，从而有效降低采掘机械截齿截割煤岩阻力，提高截齿的耐磨性。同时，依据岩石力学理论，应用仿生结构的锥形截齿，根据施工地点煤岩坚固性系数确定截割煤岩工艺设计方法，实现了截齿结构与煤岩强度相匹配的优化工艺方案，能够最大程度的减少截齿折弯、折断等损坏的发生概率，延长截齿的使用寿命，值得在煤矿企业推广应用。

附图说明

图1是本发明实施例一的结构图；

图2是本发明实施例一的剖视图；

图3是本发明实施例一图2的局部视图a；

图4是本发明实施例一图2的局部视图b；

图5是本发明实施例一的右视图；

图6是本发明实施例二的结构图；

图7是本发明实施例二的剖视图；

图8是本发明实施例二图7的局部视图a；

图9是本发明实施例二图7的局部视图b；

图10是本发明实施例二的右视图。

具体实施方式

实施例一：如图1～图3所示，本发明仿生流纹降阻锥形截齿，包括仿生流纹齿体1、仿生流纹硬质合金头2，仿生流纹齿体1、仿生硬质合金头2同轴，仿生流纹硬质合金头2安装在仿生流纹齿体1上，仿生流纹齿体1由齿柄3、仿生流纹齿头4组成。

仿生流纹齿头4的表面设置为仿生凸形流纹5或仿生凹形流纹6或仿生凸形流纹5与仿生凹形流纹6并存，仿生凸形流纹5或仿生凹形流纹6设置为多头锥形螺旋结构，锥形螺旋结构头数设置范围为5~50，锥形螺旋结构导程设置范围为0.03m~10m，仿生凸形流纹5凸起的高度为0mm～15mm范围内，仿生凹形流纹6凹槽的深度为0mm～10mm范围内，仿生凸形流纹5或仿生凹形流纹6结构表面积占仿生流纹齿头表面积的比例为60%～100%。

仿生流纹硬质合金头2的表面设置为仿生凸形流纹5或仿生凹形流纹6或仿生凸形流纹5与仿生凹形流纹6并存，仿生凸形流纹5或仿生凹形流纹6设置为多头锥形螺旋结构，锥形螺旋结构头数设置范围为5~50，锥形螺旋结构导程设置范围为0.02m~5m，仿生凸形流纹5凸起的高度为0mm～10mm范围内，仿生凹形流纹6凹槽的深度为0mm～5mm范围内，仿生凸形流纹5或仿生凹形流纹6结构表面积占仿生流纹硬质合金头2表面积的比例为70%～100%。

仿生流纹降阻锥形截齿的截割煤岩工艺设计方法，所述仿生流纹降阻锥形截齿采用如权利要求1所述的结构，包括以下步骤：

（1）、根据煤岩坚固性系数确定采用不同结构的仿生流纹降阻锥形截齿；

（2）、根据煤岩坚固性系数确定采掘机械装备截齿安装角度。

仿生流纹降阻锥形截齿的截割煤岩工艺设计方法，步骤（1）根据煤岩坚固性系数确定采用不同结构的仿生流纹降阻锥形截齿的具体方式为：

当施工地点煤坚固性系数为f＞5时，仿生流纹齿头4表面仿生凸形流纹5凸起的高度为0mm～10mm，仿生流纹齿头4表面仿生凹形流纹6凹槽的深度为0mm～5mm，仿生凸形流纹5或仿生凹形流纹6表面积占仿生流纹齿头4表面积的比例为60%～100%；仿生流纹硬质合金头2表面仿生凸形流纹5凸起的高度为0mm～5mm，仿生流纹硬质合金头2表面仿生凹形流纹6凹槽的深度为0mm～3mm，仿生凸形流纹5或仿生凹形流纹6表面积占仿生流纹硬质合金头2表面积的比例为70%～100%；

当施工地点煤坚固性系数为5≥f＞3时，仿生流纹齿头4表面仿生凸形流纹5凸起的高度为0mm～12mm，仿生流纹齿头4表面仿生凹形流纹6凹槽的深度为0mm～8mm，仿生凸形流纹5或仿生凹形流纹6表面积占仿生流纹齿头4表面积的比例为60%～95%；仿生流纹硬质合金头2表面仿生凸形流纹5凸起的高度为0mm～8mm，仿生流纹硬质合金头2表面仿生凹形流纹6凹槽的深度为0mm～5mm，仿生凸形流纹5或仿生凹形流纹6表面积占仿生流纹硬质合金头2表面积的比例为70%～95%；

当施工地点煤坚固性系数为3≥f＞1.5时，仿生流纹齿头4表面仿生凸形流纹5凸起的高度为2mm～12mm，仿生流纹齿头4表面仿生凹形流纹6凹槽的深度为1mm～8mm，仿生凸形流纹5或仿生凹形流纹6表面积占仿生流纹齿头4表面积的比例为60%～90%；仿生流纹硬质合金头2表面仿生凸形流纹5凸起的高度为1mm～8mm，仿生流纹硬质合金头2表面仿生凹形流纹6凹槽的深度为1mm～5mm，仿生凸形流纹5或仿生凹形流纹6表面积占仿生流纹硬质合金头2表面积的比例为70%～90%；

当施工地点煤坚固性系数为1.5≥f＞0.5时，仿生流纹齿头4表面仿生凸形流纹5凸起的高度为3mm～12mm，仿生流纹齿头4表面仿生凹形流纹6凹槽的深度为2mm～8mm，仿生凸形流纹5或仿生凹形流纹6表面积占仿生流纹齿头4表面积的比例为60%～85%；仿生流纹硬质合金头2表面仿生凸形流纹5凸起的高度为2mm～8mm，仿生流纹硬质合金头2表面仿生凹形流纹6凹槽的深度为2mm～5mm，仿生凸形流纹5或仿生凹形流纹6表面积占仿生流纹硬质合金头2表面积的比例为70%～85%；

当施工地点煤坚固性系数为0.5≥f＞0时，仿生流纹齿头4表面仿生凸形流纹5凸起的高度为3mm～15mm，仿生流纹齿头4表面仿生凹形流纹6凹槽的深度为2mm～10mm，仿生凸形流纹5或仿生凹形流纹6表面积占仿生流纹齿头4表面积的比例为60%～80%；仿生流纹硬质合金头2表面仿生凸形流纹5凸起的高度为2mm～10mm，仿生流纹硬质合金头2表面仿生凹形流纹6凹槽的深度为2mm～5mm，仿生凸形流纹5或仿生凹形流纹6表面积占仿生流纹硬质合金头2表面积的比例为60%～80%；

仿生流纹降阻锥形截齿的截割煤岩工艺设计方法，步骤（2）根据煤岩坚固性系数确定采掘机械装备截齿安装角度的具体方式为：

当施工地点煤岩坚固性系数为f＞5时，采掘机械装备截齿安装角度为55°～60°；

当施工地点煤岩坚固性系数为5≥f＞3范围内时，采掘机械装备截齿安装角度为50°～55°；

当施工地点煤坚固性系数为3≥f＞1.5范围内时，采掘机械装备截齿安装角度为45°～50°；

当施工地点煤岩坚固性系数为1.5≥f＞0.5范围内时，采掘机械装备截齿安装角度为40°～50°；

当施工地点煤岩坚固性系数为0.5≥f＞0范围内时，采掘机械装备截齿安装角度为40°～45°。

下面介绍一下本发明实施例一仿生流纹降阻锥形截齿截割煤岩体原理：

如图1所示，基于仿生学理论，本发明仿生流纹降阻锥形截齿仿生流纹齿头4、仿生流纹硬质合金头2表面设计为仿生凸形流纹5，在截齿截割煤岩体时，与常规的锥形截齿相比，能有效降低齿头与煤岩体的接触面积，从而降低了截齿截割煤岩体的阻力，此外，仿生凸形流纹5之间形成的凹凸间隔变化，在截齿截割煤岩体时，仿生流纹齿头4表面存在岩石破碎膨胀变形的空间，使应力得到释放，起到卸压作用，间接降低了截齿截割煤岩体的阻力；仿生凸形流纹5设置为多头锥形螺旋结构，且锥形螺旋结构导程、仿生凸形流纹高度是变化的，使凸形流纹高度沿仿生流纹硬质合金头2方向逐渐变低，截齿截割煤岩体时同样可以保持阻力较小。基于仿生学理论、岩石力学理论，设计仿生凸形流纹高度、仿生凸形流纹5面积占仿生流纹齿头4或仿生流纹硬质合金头2面积比例、安装角度，能够最大程度降低截齿截割煤岩体的阻力，从而提高了截齿的耐磨性，减少截齿折弯、折断等损坏的发生概率，延长截齿的使用寿命。

实施例二：如图6～图10所示，与实施例一不同的在于，仿生流纹齿头4、仿生硬质合金头2表面设计为仿生凹形流纹6，实施例二的使用方法与实施例一相同。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。