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一种采煤及工程用截齿
技术领域
本发明涉及一种采煤及工程用的截齿。
背景技术
截齿的质量好坏，直接关系到开采挖掘工作的效率和成本以及采挖掘设备的寿命。在煤矿采掘应用中，截齿还应该尽量少或消除火花的产生，提高生产安全性。应用中为了适应各种不同的工作对象，提高镐形截齿的使用寿命，世界各大公司的产品也不断在做一些结构上的改进。这些结构上的改进主要着眼于提高截齿尖部穿透力及寿命，提高齿体头部的耐磨性。
到目前为止，镐形截齿的结构大体分为三种(见图1、图2、图3)，三种截齿虽然结构不同，但是这些截齿的失效形式85％以上不是由于硬质合金尖损坏而失效，而是由于截齿体头部过早磨损而致使合金尖脱落而失效。
DE19821147A1专利公布了一种在截齿尖周围均布圆柱形或圆锥体耐磨体的技术方案(图4)。但是，DE19821147A1的技术方案不是最优化的，存在以下缺点：
第一、为了布置耐磨体4，增大了截齿体工作方向上的投射面积6，增加了工具的工作阻力，在实际工作中会造成机器设备的震动和能耗的增加。
第二、其圆柱状或圆锥状耐磨体的平顶端面也会增加工作阻力，还有耐磨体平直的边缘在工作中会受冲击崩裂破碎，减弱其抵抗磨损的功效。
第三、方案未对耐磨体4的高度和直径比给出明确的界定，从其图示上看，耐磨体4的高度和直径比较小，基本只能保护工具肩部的金属基体，但在截齿工具的使用中，截齿整体会插入沙石或物料，物料会对截齿的整个上半部分造成磨损，高度较小的耐磨体会因其周边和底部的金属受磨损流失而失去依托，造成脱落，不能长效地保护截齿(见图13)。
专利号为200610102129.9的技术方案为耐磨工程截齿，虽然增大了耐磨体的高度，延长了截齿的寿命；但是同DE19821147A1的技术方案一样，为了布置耐磨体，必须在截齿体上出现一个大台阶，这个台阶在截齿工作时产生巨大的阻力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高寿命、工作阻力小、高效率、减少能源消耗、并增加了防爆安全性的采煤及工程用截齿。
本发明采用如下技术方案：
本发明由硬质合金主齿和截齿体构成，其特征在于在截齿体上硬质合金主齿的周围设置有副齿，所述的副齿端部是能够参与切割工作的齿尖或齿刃。
本发明所述的副齿的齿尖为圆锥状、蘑菇状或弧面球状等截面积逐渐减小的形状。
本发明所述的副齿的齿刃为单楔面齿刃或双楔面齿刃。
本发明带有齿尖的副齿端部高于截齿体的前端面。
本发明带有齿刃的副齿端部与截齿体的前端面平齐或高于截齿体的前端面。
本发明所述的副齿的直径和高度比大于1:1.5——5。
本发明所述的主齿的周边截齿体上设置有3-50个副齿，最佳为6-20个。
本发明所述的副齿的埋入截齿体内的深度大于主齿埋入深度的1/3。
本发明副齿的埋入截齿体内的深度大于主齿最大直径的1/3。
本发明所述的副齿埋入截齿体的部分是圆柱体或圆台体。
本发明积极效果如下：
通过对本发明方案与专利DE19821147A1的技术方案和之前公布的200610102129.9一种耐磨工程截齿的技术方案对比，实际效果有显著优越性，论述如下：
1.专利DE19821147A1的技术方案截齿的对比试验：
首先进行的是DE19821147A1方案技术的对比试验，在煤矿采割工作中进行。采割工作面高度为4m，工作面长度为100m，采煤机采割进给设定为0.6m，行走进给设定为7.7m/min，采煤机滚筒转速设定为28rpm。工作面煤层硬度f＝3.9，工作条件十分恶劣。试验前，矿方使用普通非耐磨截齿进行采割工作，由于煤层较硬，截齿损耗严重，截齿不能坚持完成整个工作面长度的100米切割工作，每班(8小时)需更换普通截齿89支，每班煤产量为2000吨。提供的200610102129.9一种耐磨工程截齿的技术方案的截齿，和DE19821147A1方案的设有耐磨体的截齿各400支做对比试验：首先在不改变采煤机参数的情况下试验DE19821147A1方案的截齿，将采煤机截齿全部换为该截齿，但是采煤机一开启就出现电流过载的现象，采煤机由于截齿的阻力面积加大，不能平顺切割，机器震动极大，截齿头部较宽的边缘实际是在捶击煤层，产生了巨大的粉尘，矿工担心机器过载损坏和粉尘超标中断了工作。为了测试给截齿的耐磨效果，操作矿工不得不将采割参数调整为行走进给设定为4.0m/min，采煤机滚筒转速设定为19rpm，采割进给仍设定为0.6m。调整后，机器勉强在规定载荷下工作，通过观察，耐磨体确有减缓磨损的效果，但是当切割到95m时，耐磨体出现脱落现象，随后，在120m时主齿开始脱落，必须停机更换。试验进行了四个班(32小时)，更换损坏截齿276支，平均每班更换69支，平均每班煤产量2100吨。
2.发明200610102129.9技术方案耐磨工程截齿的对比试验：
然后，矿方试验200610102129.9技术方案耐磨工程截齿，将采煤机截齿全部换为该截齿，并将采煤机参数恢复为采割进给设定为0.6m，行走进给设定为7.7m/min，采煤机滚筒转速设定为28rpm。试验开始后同样出现了先前的震动和粉尘问题，矿工中断了工作。为了测试给截齿的耐磨效果，操作矿同样将采割参数调整为行走进给设定为4.0m/min，采煤机滚筒转速设定为19rpm，采割进给仍设定为0.6m。调整后，机器在规定载荷下工作。在机器行走80m时，随耐磨体周边钢制截齿体的磨损，细长的耐磨体暴露突出，同时由于截齿肩部凸台的减小，采煤机工作阻力开始减小，通过观察，耐磨体上部有所暴露，圆柱顶端边缘出现崩裂，但因为埋入深度尚足以维持其正常工作减缓磨损，操作矿工认为工作阻力较小，采煤机工作出现载荷不足，所以决定调高恢复到之前的正常工作参数：即，工作行走80m后，行走进给设定为7.7m/min，采煤机滚筒转速设定为28rpm，采割进给仍设定为0.6m。由于该方案的耐磨体的比DE19821147A1的技术方案的耐磨体保持在主齿周围的时间更长，在切割行走到160m时，副齿才出现脱落现象，在切割200m时主齿开始脱落。试验进行了四个班(32小时)，更换损坏截齿220支，平均每班更换55支，平均每班煤产量2350吨。
通过上述试验发现，尽管200610102129.9技术方案耐磨工程截齿比专利DE19821147A1的技术方案截齿效果有所提高，但仍有改进余地，所以决定将耐磨体顶部改进为本发明提出的具有切割能力的副齿，并在进行上述试验的同一工作面进行进一步的对比试验。
3.本发明提出的具有切割能力的副齿截齿的对比试验：
矿方试验本方案的设有副齿的截齿，将采煤机截齿全部换为本方案截齿，并将采煤机参数恢复为采割进给设定为0.5m，行走进给设定为7.7m/min，采煤机滚筒转速设定为28rpm。试验开始后正常工作行走20m后，操作矿工认为工作阻力较小，采煤机工作载荷不足，所以决定调高工作参数：行走进给设定为12.8m/min，采煤机滚筒转速设定为28rpm，采割进给仍设定为0.6m。由于本方案截齿的尖锐外形而且副齿参与了煤块的破碎工作有更高的穿透力，参数调高后机器仍能正常工作。通过观察，副齿的效果显著，第一次更换的截齿在切割到280m时，副齿才出现脱落现象，在切割350m时主齿开始脱落。试验进行了四个班(32小时)，更换损坏截齿52支，平均每班更换13支，平均每班煤产量3500吨。
不同截齿的对比试验结果
 

每班损耗量损耗量/吨煤       停机更换时间普通截齿890.045120分钟/班德国专利耐磨体截齿690.03390分钟/班中国专利耐磨截齿550.02375分钟/班本发明方案截齿130.00418分钟/班
在实际应用案例中，副齿方案的优势更加显著，因为带有切削刃尖的副齿在物料接触截齿体前即将物料破碎，从而减少了物料对截齿体钢材的磨耗，进一步阻止了齿体磨损过程。
在另一个试验中，截齿主齿直径22mm，配装长度为18mm直径为6mm的副齿，当副齿由于截齿体磨损暴露长度达15mm时，主齿仍能正常工作。截齿寿命延长2至4倍。显而易见，如试验采用前述的耐磨体结构，短粗的耐磨体会在其周边截齿体磨损流失后脱落，保护效果较差。
根据DE19821147A1的方案描述，耐磨体可帮助截齿在工作中旋转。但如耐磨体不能固定在主齿周围足够长时间，那么其效果也是有限的。本发明的副齿从一开始就能保证截齿的旋转，加之，又可以更持久的保留在主齿周围，当然也就能够自始至终保证截齿产生旋转。
截齿在工作时，钢质的截齿体在与物料(例如煤炭、岩石)的碰撞接触中会产生火花，可能对煤炭生产安全造成威胁。本发明的副齿通过对物料的破碎作用和其本身减少了物料与钢质的截齿体的接触面积，并且副齿材质为摩擦时不产生火花的硬质材料，因而，截齿与物料碰撞产生火花几率大大减小，则本发明还将在延长截齿寿命的同时大大减低火花的产生，这一点对井下生产安全有极为重要的意义。
本发明的优点之一还在于：实现了截齿体与齿尖的等强度设计。在截齿的设计与制造中，等强度设计是设计人员追求的目标；所谓等强度设计是指截齿的齿体与齿尖要强度相等，即：截齿在工作中不因齿体过早磨损而致使齿尖脱落。应用本发明的结构、对于不同的工作对象，选择不同尺寸的主、副齿即可实现截齿的等强度设计。
根据以上所述，本发明的优点在于：
如前所述，本发明所要解决的技术问题是提供一种高寿命、工作阻力小、高效率、减少能源消耗、并增加工作安全性的采煤及工程用的截齿。通过对本发明结构、性能的论述以及实际的试验，本发明提供的截齿在各个方面都优于现有的截齿，本发明截齿的优点概括如下。
第一、副齿参与切割，不但保护了截齿体，而且大大减小工作阻力。
本发明通过优化副齿顶部形状，使其同主齿一起参与物料破碎工作，不但不会因为增加截齿体工作方向上的投射面积增加工具的工作阻力，反而使其介入物料破碎工作，减低工作阻力，同时克服耐磨体平直的边缘在工作中会受冲击崩裂破碎失效，从而能延长副齿对钢质齿体的保护作用；这样的设计可以使截齿的工作插入部分更尖锐，从而减少截齿工作中产生的阻力和震动。先前的DE19821147A1专利耐磨体带来的额外的工作阻力，在实践中，这种方案会增加机械加工的恶劣性。对于某些要求截齿有较高穿透性能的案例中，圆柱形或圆锥形的耐磨体是无法被布置在主齿周围的，否则这些耐磨体会大大减低截齿的穿透能力而使机器无法正常工作。采煤实际的案例中：采用圆柱形耐磨体的截齿在工作中更像是在锤击煤炭块，而非切割；其造成的巨大震动和锤击产生的大量粉尘迫使工作中断。而采用本发明提供的截齿能够高效完成作业。因为本发明的副齿的上述结构和其对截齿体的有效的保护作用，利用本方案可以完全消除截齿主齿周围的截齿垂直于轴线的台阶。
第二、良好、可靠的旋转性能。
本发明截齿在工作时，良好、可靠的旋转性能是非常重要的。旋转性能差会导致截齿磨偏，影响截齿的切割性能并大大降低截齿寿命，本发明截齿的副齿会自始自终保证截齿的旋转，使截齿在工作过程中四周磨损均匀，保证了截齿很好的切割性能并提高了截齿使用寿命。
第三、更长久的寿命。
本发明还将通过优化副齿的直径和高度比，副齿的长度以及较大面积的焊缝使其能更长时间地固定在主齿周围，不会造成用贵重金属硬质合金制造的副齿早期脱落，能更长久地介入物料破碎和对截齿体的耐磨保护工作。从而能有更长久的寿命。
第四、提高了煤矿采掘工作的防爆安全性。
本发明截齿在工作时，钢质的截齿体在与物料(例如煤炭、岩石)的碰撞接触中会产生火花，引起瓦斯及煤粉的爆炸，可能对煤炭生产安全造成威胁。本发明的副齿通过对物料的破碎作用和其本身减少了物料与钢质的截齿体的接触面积和接触应力，并且副齿材质为摩擦时不产生火花的硬质材料，因而，截齿与物料碰撞产生火花几率大大减小。所以，本发明还将在延长截齿寿命的同时大大减低火花的产生，这一点对于煤矿井下生产安全有极为重要的意义。
第五、本发明实现了截齿齿尖与截齿体的等强度设计。
等强度设计是指截齿的齿体与齿尖要强度相等，即：截齿在工作中不因齿体过早磨损而致使齿尖脱落致使截齿失效，或齿尖过早磨损而致使截齿失效，应使截齿齿尖与截齿体等强度。应用本发明的结构、对于不同的工作对象，选择不同尺寸的主、副齿即可实现截齿的等强度设计。所以，本发明实现了截齿体与齿尖的等强度设计。
附图说明
附图1为一种普通嵌入式直柱主齿截齿示意图。
附图2为一种普通蘑菇主齿截齿示意图
附图3为一种普通帽形主齿截齿示意图。
附图4为DE19821147A1专利设有耐磨体的截齿示意图。
附图5、6为本发明带有齿尖且端部高于截齿体前端面的副齿的截齿结构示意图。
附图7为本发明带有双楔面齿刃且端部高于截齿体前端面的副齿的截齿结构示意图。
附图8、9为本发明一种单楔面齿刃副齿的截齿结构示意图。
附图10为本发明一种设有单楔面端部高于截齿体前端面的副齿的截齿结构示意图。
附图11为本发明带有齿尖且端部高于截齿体前端面的副齿的截齿结构示意图。
附图12为本发明副齿同DE19821147A1专利耐磨体对截齿保护初期效果的对比示意图。
附图13为本发明副齿同DE19821147A1专利耐磨体对截齿保护效果的对比示意图。
附图14、15、16为本发明一种带齿尖的副齿结构示意图。
附图17、18为本发明一种带有单楔面齿刃的副齿结构示意图。
附图19为本发明一种带有双楔面齿刃的副齿结构示意图。
在附图中：1 主齿、2 截齿体、3 副齿、4 耐磨体、5 截齿体的前端面、6 截齿体台阶、7 齿尖、8 齿刃、9 截齿磨损的端面
具体实施方式
如附图所示，本发明由硬质合金主齿1和截齿体2构成，其特征在于在截齿体2上硬质合金主齿1的周围设置有副齿3，所述的副齿3端部是能够参与切割工作的齿尖7或齿刃8。所述的副齿3的齿尖7为圆锥状、蘑菇状或弧面球状等截面积逐渐减小的形状。所述的副齿3的齿刃8为单楔面齿刃或双楔面齿刃。带有齿尖的副齿端部高于截齿体的前端面5。带有齿刃的副齿端部与截齿体的前端面5平齐或高于截齿体的前端面5。所述的副齿3的直径和高度比大于1:1.5——5。所述的主齿1的周边截齿体2上设置有3-50个副齿3，最佳为6-20个。所述的副齿3的埋入截齿体2内的深度大于主齿1埋入深度的1/3。副齿3的埋入截齿体2内的深度大于主齿1最大直径的1/3。所述的副齿3埋入截齿体2的部分是圆柱体或圆台体。图5是本发明的一种截齿结构图。截齿由硬质合金主齿1、副齿3和截齿体2构成，其特征在于在硬质合金主齿1的周边截齿体2上设置有副齿3。
本发明的副齿不是简单的圆柱体或圆锥体，而是在圆柱体或圆锥体上部增加一个齿尖或刃，构成一个能进行采掘工作副齿。副齿指向工作对象，可以根据工作对象的性质设置为：圆锥状，蘑菇状、弧面球状或楔状图14至19。DE19821147A1专利截齿以及发明200610102129.9技术方案耐磨工程截齿，为了布置耐磨体，必须在截齿体上出现一个截齿体台阶6，这个台阶在截齿工作时产生巨大的阻力，这个阻力的危害很大，一是增大了设备的负荷，引起冲击、震动，损坏设备；二是增大能源消耗。本发明的副齿就解决了这一问题。工作中，副齿同主齿一起对被切割物进行破碎，尖锐的副齿直接破碎了被切割物，不会产生像台阶那样的阻力。根据试验结果，在同样工作条件下，使用本发明副齿设备功率消耗仅为DE19821147A1专利截齿以及发明200610102129.9技术方案耐磨工程截齿的50％。
本发明的副齿3通过对物料的破碎作用和其本身减少了物料与钢质的截齿体的接触面积，并且副齿3的材质为摩擦时不产生火花的硬质材料，因而，截齿与物料碰撞产生火花几率大大减小，则本发明还将在延长截齿寿命的同时大大减低火花的产生，增加了采煤防爆安全性，这一点对于煤矿井下生产安全有极为重要的意义。
本发明在主齿的周边截齿体上设置有3-50个副齿，最佳为6-20个。
本发明的副齿3的直径d和高度H可根据主齿的结构决定，本发明的副齿直径和高度比为1：1.5——5，最佳值为1：2——4。副齿的高度：对于嵌入式主齿，副齿3埋入截齿体2内地深度大于主齿1的埋入深度的1/3，副齿3埋入截齿体2内地深度最佳为等于主齿1的埋入深度。对于帽形主齿是不埋入或浅埋入的，所述的副齿3的高度应大于主齿1最大直径的1/3。
也就是对于嵌入式主齿，其副齿的长度应深入到基本与主齿底部平齐，有些案例可以略高于或略低于主齿底部。对于类似前述DE19821147A1专利示例的平底的帽形齿尖，副齿的深入长度应是主齿底面直径的1/3以上。例如：嵌入式主齿选配直径为5mm的副齿，长度应在10mm至16mm之间为佳。例如：帽型主齿底面直径为22mm，则副齿的长度应至少为11mm，副齿直径应约为3mm至5.5mm为佳。这样的结构克服了DE19821147A1专利的耐磨体只是为减少肩部局部金属磨损而设置的缺陷：因为在实际工作中，截齿整体会插入矿石、沙石等物料，物料会对截齿的整个上半部分造成磨损，这就意味着较短的和高度直径比较小的耐磨体会因其周边和底部的金属受磨损流失而失去依托，造成脱落，不能长效地保护截齿。
在一个嵌入式齿尖实际工作案例中，主齿直径为22mm，根据本发明方案配用直径为6mm，长度为18mm的副齿，工作中，由于齿体磨损副齿的轴向暴露长度达到了15mm，仍然能够有效地保护截齿齿体和参与挖掘工作。如果采用前述DE19821147A1专利方案的比例结构耐磨体，显然是不足够的，许多采用帽型主齿的截齿大生产厂商都在其说明书或产品手册上公布了该种截齿齿体磨损的模式，从其提供的试验结果看，较短的和高度直径比较小的耐磨体对截齿体的保护功效是不足的。
如附图5，6，7，8，9，10，11分别示例了设有不同形式的主、副齿的截齿。本发明中的副齿不再仅是被动的抵抗磨损，还可以主动地参与物料破碎和切割工作。这样的设计可以使截齿的工作插入部分更尖锐，从而减少截齿工作中产生的阻力和震动。如附图4所示的采用圆柱状耐磨体的截齿与图10所示本发明截齿的比较：图4所示截齿，肩部宽大；图10所示本发明截齿的副齿楔形顶部消除了截齿的宽大的肩部。采煤实际的案例中：采用圆柱形耐磨体的截齿在工作中更像是在锤击煤炭块，而非切割；其造成的巨大震动和锤击产生的大量粉尘迫使工作中断。而采用本发明提供的截齿能够高效完成作业。更进一步，因为本发明的副齿的上述结构和其对截齿体的有效的保护作用，利用本发明的副齿完全消除截齿的平台肩部。
附图14至19示例了一些副齿的具体形式，副齿的弧面球顶(7)和锥顶(8)使其能参与切割工作，不再仅是被动的耐磨元件，另外，这些外形消除了现有德国专利DE19821147A1中圆柱体易破碎的直角边缘，副齿下端可以倒角。
附图7、10中楔形顶部的副齿的顶面略高于截齿体的前端面5。附图8、9中楔形顶部的副齿的顶面与截齿体的前锥端面齐平形成更为平滑的工作面。
本发明提供了副齿直径和高度比大于1：1.5——5的方案，具体比率可以根据不同条件来确定，本发明界定的副齿直径和高度比能确保其能更长时间地固定在主齿周围。如附图6所示直锥式主齿截齿，细长的副齿底部深入到基本与主齿底端同样的深度。更具体说，图中的主齿埋入截齿体15mm，根据本发明方案，副齿底部应埋入10mm至16mm，直径应为5mm左右。
附图8、9、11所示的帽型主齿的截齿，副齿的长度h应不小于主齿底座直径D的1/3，即图中D为22mm，副齿的长度h应不小于11mm左右，直径应在3mm至5.5mm左右。本发明的界定克服了DE19821147A1的不足。该发明耐磨体为短粗圆柱体，是为保护截齿工具肩部的金属基体。而在实际工作中，截齿整体会插入矿石、沙石等物料，物料会对截齿的整个上半部分造成磨损，这就意味着较短的和高度直径比较小的耐磨体会因其周边和底部的金属受磨损流失而失去依托，造成脱落，不能长效地保护截齿。
附图12、13示例了截齿磨损的典型过程，为便于对比，图中左右两侧分别显示两种不同结构的截齿的剖面。图中最外侧点划线是截齿使用前的外形，内侧实线为磨损后的外形。在工作过程中截齿体逐步磨损，如图12所示为截齿初期磨损的情况对比；图13中当磨损到内侧实线10时，左侧专利DE19821147A1方案描述的短粗的耐磨体在周边和底部齿体磨损流失后会较快脱落；而右侧本发明截齿的副齿由于较高长度以及大面积的焊缝会更持久地固定在主齿周围，即使磨损到图示位置也不会脱落，对截齿体提供有效保护，使截齿的寿命更长久。本发明一种带齿尖的副齿结构如附图14、15、16所示。本发明一种带有单楔面齿刃的副齿结构如附图17、18所示。本发明一种带有双楔面齿刃的副齿结构附图19所示。
尽管本方案只例举了几种副齿的形式，但显而易见，副齿可以采用设有尖或刃的其他立体几何形状，如：棱柱状，菱形片或多边形片状等。并且，副齿的齿尖也可以是棱锥或其他曲面形状。