基于牛磨牙几何形态的胶体磨机磨头工作表面仿生设计研究

摘要

随着当前粉碎加工行业的发展，人们对物料粉碎加工的质量和细度要求越来越高，胶体磨机是粉碎加工行业发展过程中非常重要的设备，在各行业中均有着广泛的应用，发展空间广阔。但目前的胶体磨也存在着一些问题：转定子与物料间容易产生较大的热量，工作温度随之升高，易使物料变性；磨头工作表面较易磨损，而磨损后，细化效果会显著下降。牛磨牙具有独特的几何结构和良好的耐磨性，本文采用仿生设计的方法，将牛磨牙几何特征应用到胶体磨机磨头工作表面上，以降低其工作温度和作用阻力，提高物料破碎效率，本文主要工作内容如下： 1. 牛磨牙的逆向重构。利用高精度三维扫描仪获取完整成熟牛磨牙列的点云数据，并运用逆向工程软件Geomagic studio对获取的点云数据进行处理，重构牛磨牙模型，同时对其进行建模误差分析，为仿生设计奠定基础。 2. 提出一种针对动物磨牙仿生几何形态特征确定、提取与表征的方法。研究牛牙的齿系及其分布形式，从宏观角度描述牛磨牙的几何结构和特征分布，结合其生理意义和作用，分析整个牙列中各磨牙牙冠几何特征变化规律和趋势，判辨牙列中几何结构变化最明显的几何特征，初步确定仿生设计的仿生特征——齿坎和牙尖。然后运用有限元分析法，从牛磨牙的整体几何特征和局部几何特征两方面，分析牛磨牙牙冠几何特征对其咀嚼过程的影响，进一步确定仿生设计的仿生特征——齿坎。在此基础上，采用三维软件SolidWorks通过投影法和剖视图法对牛磨牙齿坎特征的尺寸参数进行提取，用圆弧和直线来逼近其特征轮廓，并对仿生特征的参数进行表征。 3. 提出一种新型的基于牛磨牙几何特征的胶体磨机磨头仿生设计方法。采用牛磨牙齿坎的几何形态优化磨头的工作表面，如采用齿星弧面、齿坎张角和齿坎侧面倾角、齿坎尖角、齿坎次尖依次优化工作端面、齿槽形状（即法向压力角?）、螺旋角?、齿槽底面，建立胶体磨机磨头仿生模型。根据设计原则和实际加工情况，合理地选取所提取特征参数的水平，并设计相应的正交试验，利用有限元分析进行验证，从而设计出最优的胶体磨仿生磨头。仿真结果表明该磨头能有效降低胶体磨工作温度，减小作用阻力。 4. 仿生磨头的试验验证。搭建胶体磨机实验平台，以工作温度、作用阻力和研磨细度等为评价指标，分别对仿生磨头与普通锯齿形磨头进行研磨试验，对试验结果进行对比分析，结果表明仿生磨头能有效降低工作温度和作用阻力，提高研磨细度。 研究结果表明：基于牛磨牙几何形态特征的胶体磨机仿生磨头能有效地降低胶体磨工作温度和作用阻力，提高物料研磨细度。

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