[發明專利]一種基于牛牙功能機制的多級磨頭協同仿生設計方法

有效

• 申請號: 201910659551.1
• 申請日: 2019-07-22
• 公開（公告）號: CN110287649B
• 公開（公告）日: 2020-04-07
• 發明（設計）人: 周仲榮;王金棟;成聰;鄭靖
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17
• 代理公司: 成都虹盛匯泉專利代理有限公司 51268
• 代理人: 鐘玉巧

本發明公開一種基于牛牙功能機制的多級磨頭協同仿生設計方法，應用于工程仿生技術領域，為解決目前粉碎裝備功能部件磨頭存在的破碎性能不佳，物料細化程度低下；摩擦熱過大引起物料高溫變質等問題，本發明通過提取牛的切齒功能特征參數優化磨頭切刀結構；通過提取牛的磨牙功能結構參數優化磨頭磨齒結構；并基于仿生耦合設計準則，設置磨頭切刀結構、磨頭磨齒結構的參數優化范圍，設計響應面試驗方案進一步優化仿生結構，設計最佳仿生磨頭，為粉體加工業實現高質量、高效率生產提供智慧解決方案，為其它功能零部件摩擦副結構的仿生優化提供有益參考。

技術領域

本發明屬于工程仿生技術領域，特別涉及一種基于牛牙功能機制的多級磨頭協同仿生設計技術。

背景技術

隨著粉體加工業的發展，對物料產品細度等質量要求越來越高，傳統磨頭呈現出的“摩而不破”、“磨而不破”等弊端，是耗能耗材最直接的影響因素，已不能滿足高質量粉體的生產要求，表現為研磨不充分，物料粉碎度低；工作溫升高，物料易變性等。因此，“多破少磨、破磨結合”已成為粉體加工行業保證產品質量，提高生產效率的優選原則。

隨著工程仿生技術的發展，許多重大瓶頸問題的突破得益于自然生物界優化的功能原則和耦合機制。牙齒是體內最堅硬的器官，作為自然系統一種特殊的工具，在食物的高效粉碎過程中起至關重要的作用。經過數億年進化，牙齒形態近乎完美，具備特定的功能和空間約束。不同形態的牛牙排列組合形成牙列，在長時間的咀嚼過程中協同地發揮高效破碎機能，同時保持低磨損量，成為對服役環境具有最佳適應性和高度協調性的系統，為粉碎設備功能部件的協同仿生優化提供了優異的生物模本。

牛牙按形態、位置和機能可分為切齒、前磨牙、后磨牙。牛切齒形成便于切割的幾何外形，其舌面與咬合平面相交形成了特定的切角，保證了切嵴的銳度；其唇面呈外凸弧面狀，使切齒具有良好的抗沖擊性能，保證了牙齒的結構強度，服役于高效的食物切割。而牛磨牙牙冠表面形成齒坎和齒星等非光滑形態結構，改變了咬合面與食物摩擦界面的接觸形式，通過減小接觸面積，增大食物的作用應力，達到提高牙齒破碎能力的目的。同時，鋒利的齒坎嵴結構減小了研磨食物所需的力和能量，進而減小正壓力對牙冠表面的作用，降低摩擦分量，達到減磨、保護功能表面的作用。此外，食物的運動形式由滑動變為滾動，減少了基于光滑界面的摩擦破碎，從而提高能量的利用率，有助于實現高效破碎。

咀嚼運動過程實質是機械加工。伴隨牛的咀嚼運動，食物被切斷、壓碎、嚼細直至滿足攝食要求，而該過程的有效行為是通過切齒、磨牙協同發揮作用得以實現。上頜靜止，伴隨下頜開口前伸運動，切齒將食物切斷，起初步破碎功用，后經舌送至磨牙處。磨牙伴隨牙合運循環將食物壓碎、磨細，起研磨功用。該過程與磨頭粉碎物料的過程表現出高度的功能相似性：定磨頭與上頜牙列功能機制類同，動磨頭與下頜牙列功能機制相近。伴隨動磨頭的旋轉運動，物料經切刀初步破碎后，經引導進入動、定磨頭間隙進一步細磨。因此，協同牛的切齒、磨牙功能表面結構，發展破磨結合的多級動、定磨頭仿生技術，更接近生物的功能原理，將會產生更好的仿生效能。

發明內容

為解決目前粉碎裝備功能部件磨頭存在的破碎性能不佳，物料細化程度低下；摩擦熱過大引起物料高溫變質等問題，本發明提出一種基于牛牙功能機制的多級磨頭協同仿生設計方法，基于牛牙研磨食物的協同作用機制，提取切齒功能特征優化磨頭切刀結構，提取磨牙功能特征優化磨頭磨齒結構，同時耦合牛牙上下左右四個維度的結構特性，設計多級仿生磨頭，為粉體加工業實現高質量、高效率生產提供智慧解決方案，為其它功能零部件摩擦副結構的仿生優化提供參考。

本發明采用的技術方案為：一種基于牛牙功能機制的多級磨頭協同仿生設計方法，包括：

S1、選取牛的上、下頜牙列為生物耦合模本，基于反求工程技術構建牛牙列的實體模型；

S2、建立切齒切削直角坐標系，根據步驟S1建立的牛牙列的實體模型提取切齒功能特征參數優化磨頭切刀結構；