基于河狸门齿的锤片式粉碎机锤片仿生设计

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.048

工程设计学报

2023, Vol. 30

Issue (4): 476-484 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.048

机械仿生设计

基于河狸门齿的锤片式粉碎机锤片仿生设计

王金栋(

),谢宇鸿(

),陈燚,吴展扬

西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031

Biomimetic design of hammer pieces for hammer mill based on beaver incisors

Jindong WANG(

),Yuhong XIE(

),Yi CHEN,Zhanyang WU

School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China

全文: PDF(2803 KB) HTML

摘要：

为提高锤片式粉碎机的粉碎效率并降低其能耗，以河狸门齿为仿生原型，设计了一种新型仿生锤片。首先，对河狸门齿进行逆向重构，获取了准确的河狸门齿三维模型。然后，对河狸门齿的特征结构进行确定、提取与表征，并将提取的仿生耦元用于锤片齿面设计。最后，通过锤片-物料粉碎仿真计算，以物料断裂时长和所受最大应力作为仿生锤片性能的评价指标，基于响应面法构建了仿生锤片的结构参数与性能指标的响应面代理模型，并采用Design-Expert软件对最优结构参数组合进行了求解。物料粉碎仿真结果表明，相较于普通锤片，仿生锤片造成的物料断口较大，与物料正面碰撞时产生的最大应力更大，且物料断裂所需时间更短。物料粉碎实验结果表明，更换仿生锤片后粉碎机的生产效率更高，过粉碎现象有所改善，说明仿生锤片的使役性能优于普通锤片。研究结果可为饲料加工用粉碎机锤片的设计提供参考。

关键词： 河狸门齿; 锤片; 仿生设计; 优化

Abstract:

In order to improve the crushing efficiency and reduce energy consumption of the hammer mill, a new type of biomimetic hammer piece was designed with beaver incisors as biomimetic prototype. Firstly, the reverse reconstruction for beaver incisors was carried out to obtain an accurate three-dimensional model of beaver incisors. Then, the characteristic structure of beaver incisors was determined, extracted and characterized, and the obtained biomimetic coupling element was used for the tooth surface design of hammer pieces. Finally, through the hammer piece?material crushing simulation calculation, taking the fracture duration and maximum stress of material as the evaluation indicators of the biomimetic hammer piece performance, the response surface surrogate model of the structural parameters and performance indicators of the biomimetic hammer piece was constructed by the response surface method, and the optimal combination of structural parameters was solved by the Design-Expert software. The simulation results of material crushing showed that compared to ordinary hammer pieces, biomimetic hammer pieces caused larger material fractures, generated greater maximum stress when colliding with the material head-on, and required shorter time for material fracture. The experimental results of material crushing showed that after replacing the biomimetic hammer pieces, the production efficiency of the mill was higher and over crushing was improved, indicating that the service performance of the biomimetic hammer piece was better than that of the ordinary hammer piece. The research results can provide reference for the design of hammer pieces of mills for feed processing.

Key words: beaver incisor hammer piece biomimetic design optimization

收稿日期: 2022-09-29 出版日期: 2023-09-04

CLC:

TH 122

基金资助: 四川省科技计划资助项目(2021YFG0194);西南交通大学学科交叉专项(2682021ZTPY067)

通讯作者: 谢宇鸿 E-mail: wangjindong@swjtu.edu.cn;2331516202@qq.com

作者简介: 王金栋（1982—），男，河南平顶山人，副教授，硕士生导师，博士，从事精密测量与仿生设计研究，E-mail: wangjindong@swjtu.edu.cn，https://orcid.org/0000-0001-6785-3831

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王金栋,谢宇鸿,陈燚,吴展扬. 基于河狸门齿的锤片式粉碎机锤片仿生设计[J]. 工程设计学报, 2023, 30(4): 476-484.

Jindong WANG,Yuhong XIE,Yi CHEN,Zhanyang WU. Biomimetic design of hammer pieces for hammer mill based on beaver incisors[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2023, 30(4): 476-484.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.048 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2023/V30/I4/476

图1 河狸门齿

图2 河狸颅骨和河狸门齿的点云模型

图3 光滑处理前后的河狸门齿多边形模型

图4 河狸门齿三维模型

图5 河狸门齿末端齿廓曲线提取

图6 河狸门齿末端齿廓曲线拟合结果

图7 仿生锤片结构示意

表1 小麦秸秆材料参数

表2 仿生锤片结构参数响应面优化试验方案及结果

响应指标	决定系数R²	校正决定系数 $R a d j 2$	信噪比
r₁	0.973 3	0.931 9	21.764
r₂	0.938 5	0.859 5	10.941

表3 响应指标回归模型的拟合精度

表4 仿生锤片的最优结构参数组合 (mm)

图8 最优仿生锤片结构示意

图9 不同锤片与物料正面碰撞仿真结果

图10 不同锤片与物料侧面碰撞仿真结果

图11 与不同锤片碰撞过程中物料所受的应力

图12 420双斗型锤片式粉碎机及不同锤片

表5 不同锤片的粉碎性能

图13 粉碎后物料粒径分布结果

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