本發(fā)明屬于礦山采掘工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于礦山采掘機(jī)械的仿生流紋降阻錐形截齒及截割煤巖工藝設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

在礦山采掘過(guò)程中，采掘機(jī)械的截齒消耗量巨大。例如，采煤機(jī)割煤用截齒，受截齒耐磨性影響，其波動(dòng)幅度較大，每生產(chǎn)1萬(wàn)噸煤消耗截齒400~1500個(gè)，按平均每生產(chǎn)1萬(wàn)噸煤消耗截齒800個(gè)計(jì)算，每生產(chǎn)100萬(wàn)噸煤，將消耗8萬(wàn)個(gè)截齒，按平均售價(jià)50元計(jì)算，每生產(chǎn)100萬(wàn)噸煤截齒材料費(fèi)達(dá)400萬(wàn)元，對(duì)于一個(gè)1000萬(wàn)噸以上的現(xiàn)代化礦井，僅截齒材料費(fèi)用投入將達(dá)4000萬(wàn)元以上。目前，截齒失效形式包括磨損、齒身彎曲變形或折斷、硬質(zhì)合金刀頭脫落、硬質(zhì)合金刀頭開(kāi)裂或崩刃等，其中50%以上的截齒為磨損失效。因此，如何提高截齒的耐磨性，從而延長(zhǎng)截齒的使用壽命，降低截齒材料消耗，一直是該研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，近些年，科研及工程人員發(fā)展了一系列新型截齒，專(zhuān)利名稱(chēng)為“鎬形截齒齒體頭部激光熔覆耐磨涂層強(qiáng)化工藝”（zl200810012681.8）、“一種新型礦用鎬形截齒”（zl201310549173.4）、“一種超聲沖擊截齒”（zl201410771354.6）、“可重復(fù)使用截齒體的情形截齒”（zl200720079426.6）對(duì)于提高截齒的耐磨性都取到了一定的效果。目前，通常采取改善截齒材料力學(xué)性能、強(qiáng)化截齒表面等方法提高截齒的耐磨性能，而這些方法往往會(huì)提升截齒的制造成本。根據(jù)仿生學(xué)理論，將物體表面設(shè)計(jì)為仿生結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)仿生減阻、仿生降噪和仿生增效等功能。因此，結(jié)合仿生學(xué)理論，本發(fā)明通過(guò)將錐形截齒的齒體、硬質(zhì)合金頭表面設(shè)計(jì)為仿生流紋結(jié)構(gòu)，降低采掘機(jī)械截齒截割煤巖阻力，提高截齒的耐磨性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種仿生流紋降阻錐形截齒及截割煤巖工藝設(shè)計(jì)方法，解決常規(guī)采掘機(jī)械截齒耐磨性差、易折斷的問(wèn)題。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

仿生流紋降阻錐形截齒，包括仿生流紋齒體、仿生流紋硬質(zhì)合金頭，所述仿生流紋齒體、仿生硬質(zhì)合金頭同軸，仿生流紋硬質(zhì)合金頭安裝在仿生流紋齒體上，仿生流紋齒體由齒柄、仿生流紋齒頭組成。

所述的仿生流紋齒頭的表面設(shè)置為仿生凸形流紋或仿生凹形流紋或仿生凸形流紋與仿生凹形流紋并存，仿生凸形流紋或仿生凹形流紋設(shè)置為多頭錐形螺旋結(jié)構(gòu)，錐形螺旋結(jié)構(gòu)頭數(shù)設(shè)置范圍為5~50，錐形螺旋結(jié)構(gòu)導(dǎo)程設(shè)置范圍為0.03m~10m，仿生凸形流紋凸起的高度為0mm～15mm范圍內(nèi)，仿生凹形流紋凹槽的深度為0mm～10mm范圍內(nèi)，仿生凸形流紋或仿生凹形流紋結(jié)構(gòu)表面積占仿生流紋齒頭表面積的比例為60%～100%。

所述的仿生流紋硬質(zhì)合金頭的表面設(shè)置為仿生凸形流紋或仿生凹形流紋或仿生凸形流紋與仿生凹形流紋并存，仿生凸形流紋或仿生凹形流紋設(shè)置為多頭錐形螺旋結(jié)構(gòu)，錐形螺旋結(jié)構(gòu)頭數(shù)設(shè)置范圍為5~50，錐形螺旋結(jié)構(gòu)導(dǎo)程設(shè)置范圍為0.02m~5m，仿生凸形流紋凸起的高度為0mm～10mm范圍內(nèi)，仿生凹形流紋凹槽的深度為0mm～5mm范圍內(nèi)，仿生凸形流紋或仿生凹形流紋結(jié)構(gòu)表面積占仿生流紋硬質(zhì)合金頭表面積的比例為70%～100%。

仿生流紋降阻錐形截齒的截割煤巖工藝設(shè)計(jì)方法，所述仿生流紋降阻錐形截齒采用如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，包括以下步驟：

（1）、根據(jù)煤巖堅(jiān)固性系數(shù)確定采用不同結(jié)構(gòu)的仿生流紋降阻錐形截齒；

（2）、根據(jù)煤巖堅(jiān)固性系數(shù)確定采掘機(jī)械裝備截齒安裝角度。

仿生流紋降阻錐形截齒的截割煤巖工藝設(shè)計(jì)方法，步驟（1）根據(jù)煤巖堅(jiān)固性系數(shù)確定采用不同結(jié)構(gòu)的仿生流紋降阻錐形截齒的具體方式為：

當(dāng)施工地點(diǎn)煤堅(jiān)固性系數(shù)為f＞5時(shí)，仿生流紋齒頭表面仿生凸形流紋凸起的高度為0mm～10mm，仿生流紋齒頭表面仿生凹形流紋凹槽的深度為0mm～5mm，仿生凸形流紋或仿生凹形流紋表面積占仿生流紋齒頭表面積的比例為60%～100%；仿生流紋硬質(zhì)合金頭表面仿生凸形流紋凸起的高度為0mm～5mm，仿生流紋硬質(zhì)合金頭表面仿生凹形流紋凹槽的深度為0mm～3mm，仿生凸形流紋或仿生凹形流紋表面積占仿生流紋硬質(zhì)合金頭表面積的比例為70%～100%；

當(dāng)施工地點(diǎn)煤堅(jiān)固性系數(shù)為5≥f＞3時(shí)，仿生流紋齒頭表面仿生凸形流紋凸起的高度為0mm～12mm，仿生流紋齒頭表面仿生凹形流紋凹槽的深度為0mm～8mm，仿生凸形流紋或仿生凹形流紋表面積占仿生流紋齒頭表面積的比例為60%～95%；仿生流紋硬質(zhì)合金頭表面仿生凸形流紋凸起的高度為0mm～8mm，仿生流紋硬質(zhì)合金頭表面仿生凹形流紋凹槽的深度為0mm～5mm，仿生凸形流紋或仿生凹形流紋表面積占仿生流紋硬質(zhì)合金頭表面積的比例為70%～95%；

當(dāng)施工地點(diǎn)煤堅(jiān)固性系數(shù)為3≥f＞1.5時(shí)，仿生流紋齒頭表面仿生凸形流紋凸起的高度為2mm～12mm，仿生流紋齒頭表面仿生凹形流紋凹槽的深度為1mm～8mm，仿生凸形流紋或仿生凹形流紋表面積占仿生流紋齒頭表面積的比例為60%～90%；仿生流紋硬質(zhì)合金頭表面仿生凸形流紋凸起的高度為1mm～8mm，仿生流紋硬質(zhì)合金頭表面仿生凹形流紋凹槽的深度為1mm～5mm，仿生凸形流紋或仿生凹形流紋表面積占仿生流紋硬質(zhì)合金頭表面積的比例為70%～90%；

當(dāng)施工地點(diǎn)煤堅(jiān)固性系數(shù)為1.5≥f＞0.5時(shí)，仿生流紋齒頭表面仿生凸形流紋凸起的高度為3mm～12mm，仿生流紋齒頭表面仿生凹形流紋凹槽的深度為2mm～8mm，仿生凸形流紋或仿生凹形流紋表面積占仿生流紋齒頭表面積的比例為60%～85%；仿生流紋硬質(zhì)合金頭表面仿生凸形流紋凸起的高度為2mm～8mm，仿生流紋硬質(zhì)合金頭表面仿生凹形流紋凹槽的深度為2mm～5mm，仿生凸形流紋或仿生凹形流紋表面積占仿生流紋硬質(zhì)合金頭表面積的比例為70%～85%；

當(dāng)施工地點(diǎn)煤堅(jiān)固性系數(shù)為0.5≥f＞0時(shí)，仿生流紋齒頭表面仿生凸形流紋凸起的高度為3mm～15mm，仿生流紋齒頭表面仿生凹形流紋凹槽的深度為2mm～10mm，仿生凸形流紋或仿生凹形流紋表面積占仿生流紋齒頭表面積的比例為60%～80%；仿生流紋硬質(zhì)合金頭表面仿生凸形流紋凸起的高度為2mm～10mm，仿生流紋硬質(zhì)合金頭表面仿生凹形流紋凹槽的深度為2mm～5mm，仿生凸形流紋或仿生凹形流紋表面積占仿生流紋硬質(zhì)合金頭表面積的比例為60%～80%；

仿生流紋降阻錐形截齒的截割煤巖工藝設(shè)計(jì)方法，步驟（2）根據(jù)煤巖堅(jiān)固性系數(shù)確定采掘機(jī)械裝備截齒安裝角度的具體方式為：

當(dāng)施工地點(diǎn)煤巖堅(jiān)固性系數(shù)為f＞5時(shí)，采掘機(jī)械裝備截齒安裝角度為55°～60°；

當(dāng)施工地點(diǎn)煤巖堅(jiān)固性系數(shù)為5≥f＞3范圍內(nèi)時(shí)，采掘機(jī)械裝備截齒安裝角度為50°～55°；

當(dāng)施工地點(diǎn)煤堅(jiān)固性系數(shù)為3≥f＞1.5范圍內(nèi)時(shí)，采掘機(jī)械裝備截齒安裝角度為45°～50°；

當(dāng)施工地點(diǎn)煤巖堅(jiān)固性系數(shù)為1.5≥f＞0.5范圍內(nèi)時(shí)，采掘機(jī)械裝備截齒安裝角度為40°～50°；

當(dāng)施工地點(diǎn)煤巖堅(jiān)固性系數(shù)為0.5≥f＞0范圍內(nèi)時(shí)，采掘機(jī)械裝備截齒安裝角度為40°～45°。

由于采用了上述方案，本發(fā)明具有以下效果：

本發(fā)明設(shè)計(jì)一種具有仿生結(jié)構(gòu)的錐形截齒，基于仿生學(xué)理論，將錐形截齒的齒體、硬質(zhì)合金頭表面設(shè)計(jì)為仿生流紋結(jié)構(gòu)，從而有效降低采掘機(jī)械截齒截割煤巖阻力，提高截齒的耐磨性。同時(shí)，依據(jù)巖石力學(xué)理論，應(yīng)用仿生結(jié)構(gòu)的錐形截齒，根據(jù)施工地點(diǎn)煤巖堅(jiān)固性系數(shù)確定截割煤巖工藝設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了截齒結(jié)構(gòu)與煤巖強(qiáng)度相匹配的優(yōu)化工藝方案，能夠最大程度的減少截齒折彎、折斷等損壞的發(fā)生概率，延長(zhǎng)截齒的使用壽命，值得在煤礦企業(yè)推廣應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例一的剖視圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例一圖2的局部視圖a；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例一圖2的局部視圖b；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例一的右視圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例二的剖視圖；

圖8是本發(fā)明實(shí)施例二圖7的局部視圖a；

圖9是本發(fā)明實(shí)施例二圖7的局部視圖b；

圖10是本發(fā)明實(shí)施例二的右視圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一：如圖1～圖3所示，本發(fā)明仿生流紋降阻錐形截齒，包括仿生流紋齒體1、仿生流紋硬質(zhì)合金頭2，仿生流紋齒體1、仿生硬質(zhì)合金頭2同軸，仿生流紋硬質(zhì)合金頭2安裝在仿生流紋齒體1上，仿生流紋齒體1由齒柄3、仿生流紋齒頭4組成。

仿生流紋齒頭4的表面設(shè)置為仿生凸形流紋5或仿生凹形流紋6或仿生凸形流紋5與仿生凹形流紋6并存，仿生凸形流紋5或仿生凹形流紋6設(shè)置為多頭錐形螺旋結(jié)構(gòu)，錐形螺旋結(jié)構(gòu)頭數(shù)設(shè)置范圍為5~50，錐形螺旋結(jié)構(gòu)導(dǎo)程設(shè)置范圍為0.03m~10m，仿生凸形流紋5凸起的高度為0mm～15mm范圍內(nèi)，仿生凹形流紋6凹槽的深度為0mm～10mm范圍內(nèi)，仿生凸形流紋5或仿生凹形流紋6結(jié)構(gòu)表面積占仿生流紋齒頭表面積的比例為60%～100%。

仿生流紋硬質(zhì)合金頭2的表面設(shè)置為仿生凸形流紋5或仿生凹形流紋6或仿生凸形流紋5與仿生凹形流紋6并存，仿生凸形流紋5或仿生凹形流紋6設(shè)置為多頭錐形螺旋結(jié)構(gòu)，錐形螺旋結(jié)構(gòu)頭數(shù)設(shè)置范圍為5~50，錐形螺旋結(jié)構(gòu)導(dǎo)程設(shè)置范圍為0.02m~5m，仿生凸形流紋5凸起的高度為0mm～10mm范圍內(nèi)，仿生凹形流紋6凹槽的深度為0mm～5mm范圍內(nèi)，仿生凸形流紋5或仿生凹形流紋6結(jié)構(gòu)表面積占仿生流紋硬質(zhì)合金頭2表面積的比例為70%～100%。

仿生流紋降阻錐形截齒的截割煤巖工藝設(shè)計(jì)方法，所述仿生流紋降阻錐形截齒采用如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，包括以下步驟：

（1）、根據(jù)煤巖堅(jiān)固性系數(shù)確定采用不同結(jié)構(gòu)的仿生流紋降阻錐形截齒；

（2）、根據(jù)煤巖堅(jiān)固性系數(shù)確定采掘機(jī)械裝備截齒安裝角度。

仿生流紋降阻錐形截齒的截割煤巖工藝設(shè)計(jì)方法，步驟（1）根據(jù)煤巖堅(jiān)固性系數(shù)確定采用不同結(jié)構(gòu)的仿生流紋降阻錐形截齒的具體方式為：

當(dāng)施工地點(diǎn)煤堅(jiān)固性系數(shù)為f＞5時(shí)，仿生流紋齒頭4表面仿生凸形流紋5凸起的高度為0mm～10mm，仿生流紋齒頭4表面仿生凹形流紋6凹槽的深度為0mm～5mm，仿生凸形流紋5或仿生凹形流紋6表面積占仿生流紋齒頭4表面積的比例為60%～100%；仿生流紋硬質(zhì)合金頭2表面仿生凸形流紋5凸起的高度為0mm～5mm，仿生流紋硬質(zhì)合金頭2表面仿生凹形流紋6凹槽的深度為0mm～3mm，仿生凸形流紋5或仿生凹形流紋6表面積占仿生流紋硬質(zhì)合金頭2表面積的比例為70%～100%；

當(dāng)施工地點(diǎn)煤堅(jiān)固性系數(shù)為5≥f＞3時(shí)，仿生流紋齒頭4表面仿生凸形流紋5凸起的高度為0mm～12mm，仿生流紋齒頭4表面仿生凹形流紋6凹槽的深度為0mm～8mm，仿生凸形流紋5或仿生凹形流紋6表面積占仿生流紋齒頭4表面積的比例為60%～95%；仿生流紋硬質(zhì)合金頭2表面仿生凸形流紋5凸起的高度為0mm～8mm，仿生流紋硬質(zhì)合金頭2表面仿生凹形流紋6凹槽的深度為0mm～5mm，仿生凸形流紋5或仿生凹形流紋6表面積占仿生流紋硬質(zhì)合金頭2表面積的比例為70%～95%；

當(dāng)施工地點(diǎn)煤堅(jiān)固性系數(shù)為3≥f＞1.5時(shí)，仿生流紋齒頭4表面仿生凸形流紋5凸起的高度為2mm～12mm，仿生流紋齒頭4表面仿生凹形流紋6凹槽的深度為1mm～8mm，仿生凸形流紋5或仿生凹形流紋6表面積占仿生流紋齒頭4表面積的比例為60%～90%；仿生流紋硬質(zhì)合金頭2表面仿生凸形流紋5凸起的高度為1mm～8mm，仿生流紋硬質(zhì)合金頭2表面仿生凹形流紋6凹槽的深度為1mm～5mm，仿生凸形流紋5或仿生凹形流紋6表面積占仿生流紋硬質(zhì)合金頭2表面積的比例為70%～90%；

當(dāng)施工地點(diǎn)煤堅(jiān)固性系數(shù)為1.5≥f＞0.5時(shí)，仿生流紋齒頭4表面仿生凸形流紋5凸起的高度為3mm～12mm，仿生流紋齒頭4表面仿生凹形流紋6凹槽的深度為2mm～8mm，仿生凸形流紋5或仿生凹形流紋6表面積占仿生流紋齒頭4表面積的比例為60%～85%；仿生流紋硬質(zhì)合金頭2表面仿生凸形流紋5凸起的高度為2mm～8mm，仿生流紋硬質(zhì)合金頭2表面仿生凹形流紋6凹槽的深度為2mm～5mm，仿生凸形流紋5或仿生凹形流紋6表面積占仿生流紋硬質(zhì)合金頭2表面積的比例為70%～85%；

當(dāng)施工地點(diǎn)煤堅(jiān)固性系數(shù)為0.5≥f＞0時(shí)，仿生流紋齒頭4表面仿生凸形流紋5凸起的高度為3mm～15mm，仿生流紋齒頭4表面仿生凹形流紋6凹槽的深度為2mm～10mm，仿生凸形流紋5或仿生凹形流紋6表面積占仿生流紋齒頭4表面積的比例為60%～80%；仿生流紋硬質(zhì)合金頭2表面仿生凸形流紋5凸起的高度為2mm～10mm，仿生流紋硬質(zhì)合金頭2表面仿生凹形流紋6凹槽的深度為2mm～5mm，仿生凸形流紋5或仿生凹形流紋6表面積占仿生流紋硬質(zhì)合金頭2表面積的比例為60%～80%；

仿生流紋降阻錐形截齒的截割煤巖工藝設(shè)計(jì)方法，步驟（2）根據(jù)煤巖堅(jiān)固性系數(shù)確定采掘機(jī)械裝備截齒安裝角度的具體方式為：

當(dāng)施工地點(diǎn)煤巖堅(jiān)固性系數(shù)為f＞5時(shí)，采掘機(jī)械裝備截齒安裝角度為55°～60°；

當(dāng)施工地點(diǎn)煤巖堅(jiān)固性系數(shù)為5≥f＞3范圍內(nèi)時(shí)，采掘機(jī)械裝備截齒安裝角度為50°～55°；

當(dāng)施工地點(diǎn)煤堅(jiān)固性系數(shù)為3≥f＞1.5范圍內(nèi)時(shí)，采掘機(jī)械裝備截齒安裝角度為45°～50°；

當(dāng)施工地點(diǎn)煤巖堅(jiān)固性系數(shù)為1.5≥f＞0.5范圍內(nèi)時(shí)，采掘機(jī)械裝備截齒安裝角度為40°～50°；

當(dāng)施工地點(diǎn)煤巖堅(jiān)固性系數(shù)為0.5≥f＞0范圍內(nèi)時(shí)，采掘機(jī)械裝備截齒安裝角度為40°～45°。

下面介紹一下本發(fā)明實(shí)施例一仿生流紋降阻錐形截齒截割煤巖體原理：

如圖1所示，基于仿生學(xué)理論，本發(fā)明仿生流紋降阻錐形截齒仿生流紋齒頭4、仿生流紋硬質(zhì)合金頭2表面設(shè)計(jì)為仿生凸形流紋5，在截齒截割煤巖體時(shí)，與常規(guī)的錐形截齒相比，能有效降低齒頭與煤巖體的接觸面積，從而降低了截齒截割煤巖體的阻力，此外，仿生凸形流紋5之間形成的凹凸間隔變化，在截齒截割煤巖體時(shí)，仿生流紋齒頭4表面存在巖石破碎膨脹變形的空間，使應(yīng)力得到釋放，起到卸壓作用，間接降低了截齒截割煤巖體的阻力；仿生凸形流紋5設(shè)置為多頭錐形螺旋結(jié)構(gòu)，且錐形螺旋結(jié)構(gòu)導(dǎo)程、仿生凸形流紋高度是變化的，使凸形流紋高度沿仿生流紋硬質(zhì)合金頭2方向逐漸變低，截齒截割煤巖體時(shí)同樣可以保持阻力較小?；诜律鷮W(xué)理論、巖石力學(xué)理論，設(shè)計(jì)仿生凸形流紋高度、仿生凸形流紋5面積占仿生流紋齒頭4或仿生流紋硬質(zhì)合金頭2面積比例、安裝角度，能夠最大程度降低截齒截割煤巖體的阻力，從而提高了截齒的耐磨性，減少截齒折彎、折斷等損壞的發(fā)生概率，延長(zhǎng)截齒的使用壽命。

實(shí)施例二：如圖6～圖10所示，與實(shí)施例一不同的在于，仿生流紋齒頭4、仿生硬質(zhì)合金頭2表面設(shè)計(jì)為仿生凹形流紋6，實(shí)施例二的使用方法與實(shí)施例一相同。

以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案，盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：依然可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。