CN110399673B - 一种基于牛磨牙天然摩擦副的多级磨头耦合仿生设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于牛磨牙天然摩擦副的多级磨头耦合仿生设计方法，应用于工程仿生技术领域，针对现有磨头破碎物料产品的细密度不高、物料易高温变性的问题，本发明通过提取牛磨牙齿坎和齿星结构的尺寸参数类比优化动、定磨头的齿面结构，并结合工程仿生设计准则，设置动、定磨头的齿面结构参数的优化范围，设计相应的响应面试验方案进一步优化磨头结构，设计最佳仿生磨头；通过本发明的方法改变了磨头与物料摩擦界面的接触形式，能显著增强磨头的破碎能力，进一步增加物料细化程度，降低工作温度，提高粉碎效率。

Description

一种基于牛磨牙天然摩擦副的多级磨头耦合仿生设计方法

技术领域

本发明属于工程仿生技术领域，特别涉及一种粉碎设备磨头多级耦合仿生设计技术。

背景技术

目前，粉体加工行业如建材、食品、医药、化工等存在大量摩擦磨损行为导致的材料及能源的巨大损耗。磨头作为粉碎设备的一种重要功能部件，其齿面形态是制约其性能提升的关键因素。磨头的传统设计多依靠工程经验，存在物料粉碎度低、齿面易磨损、工作温度高诱发物料变性等瓶颈问题。磨头的工作原理是动、定两磨头产生高速相对转动，物料在磨头齿面间隙中被剪切、研磨至粉碎。目前的磨头多为一级研磨，物料产品细密度不高。为进一步提高研磨细度，目前多采用多个平行结构同时工作实现多次研磨，研磨细度得以一定程度提高，但同时产生大量摩擦热，易使物料高温变质，同时加剧磨头磨损，降低生产效率。

有效破碎是牙齿提高减摩降磨性能的最佳途径。牙齿作为一种天然的高效率摩擦副在切割、研磨食物中发挥着关键作用。经过长期自然选择，动物牙齿形成特定的优化形态和优良的摩擦学性能，服役于较人类而言更加复杂、极端的咀嚼工况。因此，向自然学习，发展基于典型天然摩擦副的仿生磨头是粉体加工业实现多破少磨的有效途径。

牛磨牙具有独特的功能表面结构，可以在干枯稻草等难破碎食料的长期服役过程中保持低阻力、低磨耗，并在不同磨牙的协同作用下高效地碎化食物，为粉碎设备关键零部件工作性能的提升提供了仿生研究模本。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于牛磨牙天然摩擦副的多级磨头耦合仿生设计方法，实现提升磨头的破碎能力和破碎效率，降低工作温度，提升整体工作性能的效果。

本发明采用的技术方案为：一种基于牛磨牙天然摩擦副的多级磨头耦合仿生设计方法，包括：

S1、选取牛磨牙列为生物模本，基于逆向工程技术重构牛磨牙列的三维数值模型；

S2、建立统一的牛磨牙列坐标系，分别拟合提取牛磨牙列左右两侧其中一侧的上下牙列同名牛磨牙齿坎和齿星结构的尺寸参数；

S3、基于功能和结构相似性，根据步骤S2提取的牛磨牙齿坎和齿星结构的尺寸参数类比优化动、定磨头的齿面结构；

S4、结合工程仿生设计准则，设置动、定磨头的齿面结构参数的优化范围，设计相应的响应面试验方案进一步优化磨头结构。

进一步地，步骤S2所述的提取上下牙列同名牛磨牙齿坎和齿星结构的尺寸参数，具体为：牛磨牙列左右两侧其中一侧的三对磨牙中相邻的一组近中齿坎尺寸参数与远中齿坎尺寸参数。

更进一步地，所述齿坎尺寸参数包括：齿坎宽深比、齿坎倾角以及齿坎夹角；所述齿星尺寸参数包括：齿星圆弧半径。

进一步地，步骤S3所述磨头包括三级磨头，步骤S3所述基于功能和结构相似性，利用提取的牛磨牙齿坎和齿星结构的尺寸参数类比优化动、定磨头的齿面结构；具体为：

根据上牙列近中齿坎宽深比优化一、二级定磨头齿槽宽深比；根据上牙列近中齿坎倾角优化一、二级定磨头齿面前角；根据上牙列近中齿星圆弧半径参数优化一、二级定磨头齿面形态；

根据上牙列远中齿坎的宽深比优化三级定磨头齿槽宽深比；根据上牙列远中齿坎倾角优化三级定磨头齿面前角；根据上牙列远中齿星圆弧半径参数优化三级定磨头齿面形态；

根据下牙列近中齿坎宽深比优化一、二级动磨头齿槽宽深比，根据下牙列近中齿坎倾角优化一、二级动磨头齿面前角，根据下牙列近中齿星圆弧半径参数优化一、二级动磨头齿面形态；根据下牙列近中齿坎夹角优化一、二级动磨头齿面螺旋升角；

根据下牙列远中齿坎宽深比优化三级动磨头齿槽宽深比，根据下牙列远中齿坎倾角优化三级动磨头齿面前角，根据下牙列远中齿星圆弧半径参数优化三级动磨头齿面形态；根据下牙列远中齿坎夹角优化三级动磨头齿面螺旋升角。

进一步地，步骤S4所述设置动磨头齿面结构的参数优化范围，具体为：一级齿槽宽深比1.0～2.5、一级齿面前角7°～23°、一级齿面螺旋升角57°～83°；二级齿槽宽深比1.0～3.5、二级齿面前角17°～23°、二级齿面螺旋升角57°～83°；三级齿槽宽深比1.0～2.0、三级齿面前角16°～26°、三级齿面螺旋升角65°～83°；

步骤S4所述设置定磨头齿面结构参数的优化范围，具体为：一级齿槽宽深比0.44～1.84、一级齿面前角0°～10°；二级齿槽宽深比0.44～1.84、二级齿面前角0°～10°；三级齿槽宽深比0.5～3.0、三级齿面前角5°～25°。

进一步地，步骤S4所述设计相应的响应面试验方案进一步优化磨头结构，具体为：以动磨头齿槽宽深比、动磨头齿面前角、动磨头齿面螺旋升角、定磨头齿槽宽深比、定磨头齿面前角这五个因素为自变量；以物料破碎率、研磨热、破碎功率及生产能力这四个响应值作为研磨效果评价指标，设计Box-Behnken响应面试验方案；利用离散单元法仿真分析响应面试验方案，结合多目标优化遗传算法确定仿生优化的参数组合，设计最佳仿生磨头。

更进一步地，所述多目标优化遗传算法为基于带精英策略的快速非支配排序遗传算法。

进一步地，步骤S1所述牛磨牙列取材于磨牙功能结构较发达的健康成年牛。

更进一步地，步骤S1所述基于逆向工程技术重构牛磨牙列的三维数值模型的建模误差小于0.05毫米。

进一步地，步骤S2所述的牛磨牙列坐标系具体为：以牛的颌骨中线为X轴，以牛的颊侧-舌侧方向为Y轴，以牛的下颌-上颌竖直方向为Z轴建立的三维直角坐标系。

本发明的有益效果：本发明通过提取牛磨牙齿坎和齿星结构的尺寸参数类比优化动、定磨头的齿面结构；并结合工程仿生设计准则，设置动、定磨头的齿面结构参数的优化范围，设计相应的响应面试验方案进一步优化磨头结构，设计最佳仿生磨头；本发明的方法具备以下优点：

1、通过仿生设计技术改变了磨头与物料摩擦界面的接触形式，显著增强了磨头的破碎能力，进一步增加物料细化程度，提高粉碎效率；

2、有效改善了摩擦界面的摩擦学特性，进而有助于改善目前粉碎设备工作过程中动、定磨头由于高频、高速摩擦导致的磨头齿面易磨损、工作温度高诱发物料变性等问题；

3、本发明的仿生设计技术在提升食品、药品、建材等的破碎与粉体加工装备制造水平方面具有潜在重要的推广应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例提供的牛磨牙齿坎的剖面轮廓示意图；

图2为本发明实施例提供的粉碎设备多级仿生定磨头的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的粉碎设备多级仿生动磨头的结构示意图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

齿按形态、位置和机能可分为切齿、犬齿和臼齿三种。牛无上切齿，下切齿每侧有4个，从内向外分别为门齿、内中间齿、外中间齿和隅齿(边齿)；牛无犬齿(dentes canini)，牛的臼齿也称牛磨牙(dentes molares)位于齿弓后部，与颊相对，又称颊齿；牛磨牙分前磨牙(premolars)和后磨牙(molars)，左右两侧上下颌各有前磨牙3对和后磨牙3对；以右侧为例按照从外向内记为：第一前磨牙、第二前磨牙、第三前磨牙、第一后磨牙、第二后磨牙、第三后磨牙。每一磨牙按照从外向内均包括近中齿坎与远中齿坎，本发明中采用相邻的一组近中齿坎尺寸参数与远中齿坎尺寸参数来分别对一、二、三级磨头结构进行优化，即采用该组中的近中齿坎尺寸参数优化一、二级磨头结构，采用远中齿坎尺寸参数优化三级磨头结构。

本实施例中以右侧上下颌相邻的第一后磨牙远中齿坎与第二后磨牙近中齿坎为例对本发明的内容进行说明：

本发明中取右上颌后磨牙从外向内的第一后磨牙的尺寸参数优化三级定磨头齿槽宽深比、齿面前角以及齿面形态，取右上颌后磨牙从外向内的第二后磨牙的尺寸参数优化一、二级定磨头齿槽宽深比、齿面前角、以及齿面形态；取右下颌后磨牙从外向内的第一后磨牙的尺寸参数优化三级动磨头齿槽宽深比、齿面前角、齿面螺旋升角以及齿面形态；取右下颌后磨牙从外向内的第二后磨牙的尺寸参数优化一、二级动磨头齿槽宽深比、齿面前角、齿面螺旋升角以及齿面形态。在实际设计中也可以提取上下颌左侧的从外向内对应位置后磨牙尺寸参数优化一、二、三级动定磨头结构。

本发明的具体实现过程包括以下步骤：

S1、选取牛磨牙列为生物模本，基于逆向工程技术重构牛磨牙列的三维数值模型。

在本实施例中，使用高精度ATOS蓝光扫描仪对齿坎、齿星等功能特征发达的健康成年牛的磨牙列进行三维扫描，完整获取牙冠表面点云。将点云数据导入Geomagic Studio软件进行预处理、封装、多边形化、网格化、曲面构造等操作，并进行建模精度分析，获得满足精度要求(即误差小于0.05毫米)的牛磨牙列三维数值模型。该逆向工程技术为现有技术，在本实施例中为实现特定功能而采用。

S2、建立统一的牙列坐标系，分别拟合提取上下牙列同名牛磨牙齿坎和齿星结构的尺寸参数。

考虑到不同磨牙形态结构的协同作用，各磨牙特征参数的提取应在统一的牙列坐标系下进行。结合牛颌骨生理结构与实际咬合运动关系，是以颌骨中线、颊侧-舌侧方向、下颌-上颌竖直方向分别为X、Y、Z三个方向的基准建立牙列坐标系。使用三维软件Unigraphics NX拟合提取牛磨牙主要功能特征--齿坎和齿星的结构参数，如图1所示，包含齿坎宽度、深度、倾角、齿星圆弧半径及齿坎夹角等。

S3、基于功能和结构相似性，利用提取的几何特征参数类比优化动、定磨头的齿面结构。

如图2所示为三级定磨头的结构示意图，本实施例在对定磨头齿面结构的仿生优化中，提取上牙列第二磨牙近中齿坎宽深比优化一、二级定磨头齿槽宽深比，齿坎倾角优化一、二级定磨头齿面前角，齿星圆弧半径参数优化一、二级定磨头齿面形态。提取第一磨牙远中齿坎的宽深比优化三级定磨头齿槽宽深比，齿坎倾角优化三级定磨头齿面前角，齿星圆弧半径参数优化三级定磨头齿面形态。

如图3所示为三级动磨头的结构示意图，包括三级磨头，图3中给出了动磨头的Ⅰ级研磨区、动磨头Ⅱ级研磨区、动磨头Ⅲ级研磨区的结构示意图；为便于描述本实施例中将Ⅰ级研磨区对应的动磨头记为一级动磨头，将Ⅱ级研磨区对应的动磨头记为二级动磨头，将Ⅲ级研磨区对应的动磨头记为三级动磨头；本实施例在对动磨头齿面结构的仿生优化中，提取下牙列第二磨牙近中齿坎宽深比优化一、二级动磨头齿槽宽深比，齿坎倾角优化一、二级动磨头齿面前角，齿星圆弧半径参数优化一、二级动磨头齿面形态，齿坎夹角优化一、二级动磨头齿面螺旋升角；提取下牙列第一磨牙远中齿坎的宽深比优化三级动磨头齿槽宽深比，齿坎倾角优化三级动磨头齿面前角，齿星圆弧半径参数优化三级动磨头齿面形态，齿坎夹角优化三级动磨头齿面螺旋升角。

S4、结合工程仿生设计准则，合理设置步骤S2中包含牛磨牙本征参数在内的水平范围，设计相应的响应面试验方案进一步优化磨头结构。

结合牛磨牙的本征参数及工程设计准则，动磨头仿生特征参数的优化范围设置为：一级宽深比1.0～2.5、前角7°～23°、螺旋升角57°～83°；二级宽深比1.0～3.5、前角17°～23°、螺旋升角57°～83°；三级宽深比1.0～2.0、前角16°～26°、螺旋升角65°～83°。定磨头仿生特征参数的优化范围设置为：一级宽深比0.44～1.84、前角0°～10°；二级宽深比0.44～1.84、前角0°～10°；三级宽深比0.5～3.0、前角5°～25°。

考虑牛磨牙运动的协同关系，动、定磨头同步优化。以动磨头宽深比、前角、螺旋升角、定磨头宽深比、前角等五因素为自变量，物料破碎率、研磨热、破碎功率及生产能力等四个目标为响应，设计Box-Behnken响应面试验方案。根据离散物质本身所具有的离散特性建立数学模型，采用离散单元法对响应面试验方案进行研磨仿真计算。本实施例中对响应面试验方案进行模拟分析所使用的软件为离散元软件EDEM。

根据响应面拟合结果，结合多目标优化遗传算法确定最优仿生参数组合，设计优化的仿生磨头。本实施例采用的多目标优化算法是基于带精英策略的快速非支配排序遗传算法(NSGA-II)，运用该遗传算法的全局搜索能力，可避免传统多目标优化方法在寻优过程中陷入局部最优解，使解个体保持多样性，进一步提升参数的优化效果。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种基于牛磨牙天然摩擦副的多级磨头耦合仿生设计方法，其特征在于，包括：

S1、选取牛磨牙列为生物模本，基于逆向工程技术重构牛磨牙列的三维数值模型；

S2、建立统一的牛磨牙列坐标系，分别拟合提取牛磨牙列左右两侧其中一侧的上下牙列同名牛磨牙齿坎和齿星结构的尺寸参数；

S3、基于功能和结构相似性，根据步骤S2提取的牛磨牙齿坎和齿星结构的尺寸参数类比优化动、定磨头的齿面结构；具体为：

根据上牙列近中齿坎宽深比优化一、二级定磨头齿槽宽深比；根据上牙列近中齿坎倾角优化一、二级定磨头齿面前角；根据上牙列近中齿星圆弧半径参数优化一、二级定磨头齿面形态；

根据上牙列远中齿坎的宽深比优化三级定磨头齿槽宽深比；根据上牙列远中齿坎倾角优化三级定磨头齿面前角；根据上牙列远中齿星圆弧半径参数优化三级定磨头齿面形态；

根据下牙列近中齿坎宽深比优化一、二级动磨头齿槽宽深比，根据下牙列近中齿坎倾角优化一、二级动磨头齿面前角，根据下牙列近中齿星圆弧半径参数优化一、二级动磨头齿面形态；根据下牙列近中齿坎夹角优化一、二级动磨头齿面螺旋升角；

根据下牙列远中齿坎宽深比优化三级动磨头齿槽宽深比，根据下牙列远中齿坎倾角优化三级动磨头齿面前角，根据下牙列远中齿星圆弧半径参数优化三级动磨头齿面形态；根据下牙列远中齿坎夹角优化三级动磨头齿面螺旋升角；

S4、结合工程仿生设计准则，设置动、定磨头的齿面结构的参数优化范围，设计相应的响应面试验方案进一步优化磨头结构。

2.根据权利要求1所述的一种基于牛磨牙天然摩擦副的多级磨头耦合仿生设计方法，其特征在于，步骤S2所述的提取上下牙列同名牛磨牙齿坎和齿星结构的尺寸参数，具体为：牛磨牙列左右两侧其中一侧的三对磨牙中相邻的一组近中齿坎尺寸参数与远中齿坎尺寸参数。

3.根据权利要求2所述的一种基于牛磨牙天然摩擦副的多级磨头耦合仿生设计方法，其特征在于，所述齿坎尺寸参数包括：齿坎宽深比、齿坎倾角以及齿坎夹角；所述齿星尺寸参数包括：齿星圆弧半径。

4.根据权利要求3所述的一种基于牛磨牙天然摩擦副的多级磨头耦合仿生设计方法，其特征在于，步骤S4所述设置动磨头齿面结构的参数优化范围，具体为：一级齿槽宽深比1.0～2.5、一级齿面前角7°～23°、一级齿面螺旋升角57°～83°；二级齿槽宽深比1.0～3.5、二级齿面前角17°～23°、二级齿面螺旋升角57°～83°；三级齿槽宽深比1.0～2.0、三级齿面前角16°～26°、三级齿面螺旋升角65°～83°；

步骤S4所述设置定磨头齿面结构参数的优化范围，具体为：一级齿槽宽深比0.44～1.84、一级齿面前角0°～10°；二级齿槽宽深比0.44～1.84、二级齿面前角0°～10°；三级齿槽宽深比0.5～3.0、三级齿面前角5°～25°。

5.根据权利要求4所述的一种基于牛磨牙天然摩擦副的多级磨头耦合仿生设计方法，其特征在于，步骤S4所述设计相应的响应面试验方案进一步优化磨头结构，具体为：以动磨头齿槽宽深比、动磨头齿面前角、动磨头齿面螺旋升角、定磨头齿槽宽深比、定磨头齿面前角这五个因素为自变量；以物料破碎率、研磨热、破碎功率及生产能力这四个响应值作为研磨效果评价指标，设计Box-Behnken响应面试验方案；利用离散单元法仿真分析响应面试验方案，结合多目标优化遗传算法确定仿生优化的参数组合，设计最佳仿生磨头。

6.根据权利要求5所述的一种基于牛磨牙天然摩擦副的多级磨头耦合仿生设计方法，其特征在于，所述多目标优化遗传算法为基于带精英策略的快速非支配排序遗传算法。

7.根据权利要求1所述的一种基于牛磨牙天然摩擦副的多级磨头耦合仿生设计方法，其特征在于，步骤S1所述牛磨牙列取材于磨牙功能结构发达的健康成年牛。

8.根据权利要求1所述的一种基于牛磨牙天然摩擦副的多级磨头耦合仿生设计方法，其特征在于，步骤S1所述基于逆向工程技术重构牛磨牙列的三维数值模型的建模误差小于0.05毫米。

9.根据权利要求1所述的一种基于牛磨牙天然摩擦副的多级磨头耦合仿生设计方法，其特征在于，步骤S2所述的牛磨牙列坐标系具体为：以牛的颌骨中线为X轴，以牛的颊侧-舌侧方向为Y轴，以牛的下颌-上颌竖直方向为Z轴建立的三维直角坐标系。

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