一种粉碎机锤片结构仿生设计方法

本发明涉及粉体加工技术领域，具体而言，涉及一种粉碎机锤片结构仿生设计方法。

背景技术：

我国作为一个农业大国，每年都会产出大量的秸秆，据农业农村部数据显示，我国每年秸秆产量大约有9亿吨，但这些秸秆的综合利用率却不到40％。秸秆处理是现阶段的重要课题，饲料化和肥料化是秸秆处理的重要方式之一，秸秆在饲料化和肥料化之前都需要进行粉碎处理。

秸秆粉碎机是粉碎秸秆的重要工具，能够对秸秆进行有效处理。锤片作为秸秆粉碎机的核心部件，其粉碎性能优劣直接影响产物质量。市面上现有的锤片多为矩形锤片，其结构简单，易磨损。在实际使用中粉碎效率不高、服役周期短。

生物经过亿万年的进化，优化出各种各样的形态、构型、结构和材料等，生物的这些特殊结构和功能，为人类工程仿生提供了天然的蓝本。海狸的门齿锋利，咬肌尤为发达能轻而易举地咬断树杆，是自然界中的伐木能手。本着向大自然学习原则，提出一种基于河狸门牙几何特征的粉碎机锤片结构仿生设计方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种粉碎机锤片结构仿生设计方法，其提供一种新型锤片来解决以上问题，能够提高锤片对物料的粉碎效率，延长锤片服役周期。

本发明的实施例是这样实现的：

一种粉碎机锤片结构仿生设计方法，其包括：

s1、选取海狸上颌骨为生物模本，采用逆向工程技术获得其三维实体模型；

s2、建立海狸上颌骨的三维直角坐标系；

s3、基于步骤s1建立的海狸上颌骨的实体模型，提取门牙结构参数，建立锤片锯齿结构并优化；

步骤s3中提取门牙结构参数并优化锤片锯齿结构，具体为：

s31、将上颌骨左门牙或右门牙侧面分别投影到y-z平面上，得到门牙侧面轮廓曲线；

s32、将s31得到的轮廓曲线旋转3～5°，以修正位置；

s33、建立修正曲线的直角坐标系，并均匀提取曲线上50-100个坐标点；

s34、将s33中取得的坐标点进行平滑处理，并采用最小二乘法进行拟合，得到曲线的特征方程；

s35、结合粉碎物料的结构尺寸确定齿间距的范围；

s36、基于仿生工程优化设计原则，设定锯齿高度、齿间距、锯齿厚度参数优化范围，设计相应的响应面试验方案对锤片锯齿结构参数进一步优化处理。

在本发明较佳的实施例中，上述s31中门牙侧面轮廓曲线优化锤片锯齿结构。

在本发明较佳的实施例中，上述s36中响应面试验方案具体为：以锯齿齿高、齿间距、锯齿厚度为自变量，以断裂时长、物料所受应力为粉碎性能评价指标，设计基于box-behnken采样原理的响应面试验方案；利用有限元分析软件对响应面试验方案进行模拟，确定出最佳的仿生结构参数组合。

在本发明较佳的实施例中，上述s2中三维直角坐标系为以远中-近中方向为x轴、以颊侧-舌侧方向为y轴、以下颌-上颌方向为z轴建立的三维直角坐标系。

在本发明较佳的实施例中，上述s1中，采用逆向工程时，利用工业ct断层扫描对上颌骨进行非接触式扫描，获得点云数据，使用逆向工程软件geomagicstudio依次对点云数据进行简化、降噪等预处理、封装处理、完善三角面片多边形模型、构建nurbs曲面，完成三维实体模型逆向重构。

在本发明较佳的实施例中，上述s33中，将轮廓曲线导入getdata软件中提取坐标点，确定轮廓高度-宽度比，s34中使用origin软件对轮廓曲线进行拟合，得到曲线特征方程。

在本发明较佳的实施例中，上述s35中齿间距范围为1～2mm。

在本发明较佳的实施例中，上述s36中锯齿高度为1～2mm，齿厚为4～6mm。

在本发明较佳的实施例中，上述粉碎机锤片结构包括主体部分和在主体部分两侧设置的锯齿，锯齿为依据仿生设计方法得到锤片锯齿结构，多个锯齿间隔设置并排布为一列，主体部分设置有两个间隔的第一连接孔和第二连接孔，用于固定在粉碎机上。

本发明的有益效果是：

本发明通过选取成熟完整的海狸门牙为仿生原型，通过工业ct断层扫描获取海狸门牙的点云数据，利用逆向工程软件构建海狸门牙三维实体模型，对扫描得到的海狸门牙结构进行分析，并通过有限元对牙齿切割运动过程进行有限元模拟，确定出门牙上的特征，提取门牙特征参数，设计相应的响应面试验方案，通过有限元法对设计出的各试验方案进行模拟及分析，进而设计出最优的仿生锤片；该方法适用于粉体加工，针对现有的粉碎机锤片结构存在的问题，本发明的特殊锯齿结构使得作用在物料上的应力更集中，使其能够更快的断裂，提高了对物料的粉碎效率；由于仿生锤片的特殊结构，锯齿尖端磨损之后,锯齿的侧边以及齿间的侧边还能继续发挥作用,延长了锤片的服役周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。

图1为本发明锤片结构y-z平面剖切图；

图2为本发明粉碎机锤片结构的示意图；

图标：1-第一连接孔；2-齿间距；3-锯齿结构；4-第二连接孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和表示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

第一实施例

请参照图1和图2，本实施例提供一种粉碎机锤片结构仿生设计方法和依据该方法制造出的粉碎机锤片结构，粉碎机锤片结构为类似海狸门牙的结构，海狸门牙可分为左上、左下、右上、右下四颗门牙，本实施内容以右上门牙为例，进行说明，粉碎机锤片结构包括主体部分和在主体部分两侧设置的锯齿结构3，该主体部分呈矩形片状，锯齿为依据仿生设计方法得到的锤片锯齿结构3，多个锯齿间隔设置并排布为一列，在主体部分的两侧各有一列，主体部分设置有两个间隔的第一连接孔1和第二连接孔4，用于固定在粉碎机上，第一连接孔1和第二连接孔4均为圆孔，且分别贯穿主体部分的两侧，该结构能够提高粉碎机的粉碎效率，延长粉碎机锤片结构的使用期限。

锤片锯齿结构3的仿生设计包括：

s1、选取成熟完整的海狸上颌骨为生物模本，采用逆向工程技术获得其三维实体模型，其中，逆向工程为本实施例中为实现特定功能而采用；采用逆向工程时，利用工业ct断层扫描对上颌骨进行非接触式扫描，获得点云数据，使用逆向工程软件geomagicstudio依次对点云数据进行简化、降噪等预处理、封装处理、完善三角面片多边形模型、构建nurbs曲面，完成三维实体模型逆向重构，最后进行模型调整以满足特征提取要求。

s2、建立海狸上颌骨的三维直角坐标系；三维直角坐标系为以远中-近中方向为x轴、以颊侧-舌侧方向为y轴、以下颌-上颌方向为z轴建立的三维直角坐标系；

s3、基于步骤s1建立的海狸上颌骨的实体模型，提取门牙结构参数，建立锤片锯齿结构3并优化；提取门牙结构参数并优化锤片锯齿结构3，具体为：

s31、使用x-z平面剖切海狸门牙模型，将上颌骨右门牙侧面分别投影到y-z平面上，得到门牙侧面轮廓曲线图；使用门牙侧面轮廓曲线优化锤片锯齿结构3；

s32、将s31得到的轮廓曲线旋转3～5°，以修正位置；

s33、将轮廓曲线图导入getdata软件中，建立修正曲线的直角坐标系，并均匀提取曲线上50-100个坐标点，确定侧面轮廓高度-宽度比；

s34、将s33中取得的坐标点进行平滑处理，并采用最小二乘法进行拟合，导入并利用origin软件对轮廓曲线进行拟合，得到曲线的特征方程；

s35、结合粉碎物料的结构尺寸确定齿间距2的范围；本实施例的齿间距2范围为1.5mm；

s36、基于仿生工程优化设计原则，设定锯齿高度、齿间距2、锯齿厚度参数优化范围，设计相应的响应面试验方案对锤片锯齿结构3参数进一步优化处理。

s36中响应面试验方案具体为：以锯齿齿高、齿间距2、锯齿厚度为自变量，以断裂时长、物料所受应力为粉碎性能评价指标，设计基于box-behnken采样原理的响应面试验方案；利用有限元分析软件对响应面试验方案进行模拟，确定出最佳的仿生结构参数组合，最终锯齿高度为1.5mm，锯齿厚度为5mm。

综上所述，本发明实例通过选取成熟完整的海狸门牙为仿生原型，通过工业ct断层扫描获取海狸门牙的点云数据，利用逆向工程软件构建海狸门牙三维实体模型，对扫描得到的海狸门牙结构进行分析，并通过有限元对牙齿切割运动过程进行有限元模拟，确定出门牙上的特征，提取门牙特征参数，设计相应的响应面试验方案，通过有限元法对设计出的各试验方案进行模拟及分析，进而设计出最优的仿生锤片；该方法适用于粉体加工，针对现有的粉碎机锤片结构存在的问题，能够显著提高物料破碎效率，延长锤片结构的服役周期。

本说明书描述了本发明的实施例的示例，并不意味着这些实施例说明并描述了本发明的所有可能形式。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。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。