飼料螺旋輸送機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)及介紹
  螺旋輸送機(jī)是一種用途廣泛的運(yùn)輸機(jī)械，它是利用螺旋體與物料之間產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行輸送。當(dāng)螺旋葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，物料的自重和殼體對(duì)物料的摩擦阻止其與螺旋葉片一起旋轉(zhuǎn)，物料類似不轉(zhuǎn)動(dòng)的螺母，二者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)促使物料沿螺旋軸軸向移動(dòng)[1]。一方面它可以滿足長(zhǎng)距離輸送物料的要求；另一方面還可以完成對(duì)物料的混合、攪拌等工作。螺旋輸送機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、密封性好、操作維護(hù)方便、物料不易撒落等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于糧食、飼料、油脂等行業(yè)。螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是既要保證機(jī)器有足夠的強(qiáng)度、剛度，同時(shí)還要保證有足夠的輸送量和消耗較小的動(dòng)力。螺旋體是機(jī)器的核心，它需要設(shè)計(jì)的參數(shù)較多，且關(guān)系較復(fù)雜，相互制約影響，因此也就有一個(gè) 佳組合的問題。本文運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)理論進(jìn)行螺旋輸送機(jī)螺旋體設(shè)計(jì)，并應(yīng)用連續(xù)蟻群算法進(jìn)行優(yōu)化求解，取得了比較滿意的效果。
1 優(yōu)化設(shè)計(jì)模型
1.1 設(shè)計(jì)要求
設(shè)計(jì)某飼料螺旋輸送機(jī)，該機(jī)螺旋體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。已知電機(jī)額定功率N=9.0kW，輸送量Q=100t/h，螺旋體長(zhǎng)度L=6.5m，葉片厚度t=3mm，材料A3，兩段式結(jié)構(gòu)，中間裝有懸吊螺旋軸滑動(dòng)軸承。
1.2 設(shè)計(jì)變量
螺旋體的主要尺寸有：空心軸的外徑D、內(nèi)徑d、螺旋葉片的直徑Dp、螺距S、長(zhǎng)度L、葉片厚度t，其中，長(zhǎng)度L、葉片厚度t 根據(jù)要求已經(jīng)確定，需要設(shè)計(jì)的參數(shù)剩下D、S、Dp、d，取設(shè)計(jì)變量為
X=[x1，x2，x3，x4]T=[Dp，S，D，d]T。
1.3 目標(biāo)函數(shù)
在滿足螺旋輸送機(jī)使用要求的前提下，減小螺旋體質(zhì)量有利于節(jié)約材料和降低成本，同時(shí)也便于機(jī)器的移動(dòng)。此外，提高輸送效率也是螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要因素。故本文以螺旋體的質(zhì)量 小和輸送效率 大為雙優(yōu)化目標(biāo)。質(zhì)量 小為目標(biāo)函數(shù)，輸送效率 大放在約束條件中體現(xiàn)，即

γ——螺旋體材料的密度（kg/m3），γ=7.8×103。
1.4 約束條件
①剛度限制條件
螺旋輸送機(jī)的 大撓度不應(yīng)超過許用值，即
g1（x）:ｆmax≤[f]（2）
式中：fmax——螺旋輸送機(jī)的 大撓度（m）；
[f]—— 大許用撓度(m)，[f]=0.000 1L=0.000 65。
據(jù)兩段式螺旋輸送機(jī)的力學(xué)模型，

式中：K——電機(jī)安全系數(shù)，取K=1.2；
f ＇——物料與輸送機(jī)之間的摩擦系數(shù)，f ＇=0.35；
H＇——進(jìn)料口處物料堆積壓力的等效計(jì)算高度（m），H＇=0.3；
L＇——進(jìn)料口長(zhǎng)度（m），L＇=0.5；
Q——輸送量(t/h)。
③轉(zhuǎn)速限制條件
為了減少物料的破碎率和機(jī)器的振動(dòng)，以及物料被拋起而影響輸送量，應(yīng)對(duì)螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速加以限制[2]，即
g3（x）：n≤[n]（4）
式中：[n]——螺旋輸送機(jī)許用轉(zhuǎn)速值（r/min）；
n——螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速（r/min）。
轉(zhuǎn)速與輸送量的關(guān)系為：
Q=47ψβ0SρnDp2；（5）

式中：ψ——充填系數(shù)，取ψ=0.5；
β0——傾斜系數(shù)，取β0=0.6；
ρ——物料堆積密度(t/m3)，輸送糧食時(shí)取ρ=0.75。
④扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度限制條件
螺旋輸送機(jī)空心軸所受的 大剪應(yīng)力不應(yīng)超過材料的極限應(yīng)力，即
g4（x）：τmax≤[τ]（7）
式中：[τ]——軸材料的極限剪應(yīng)力（N/m2），[τ]=80×106；
τmax——軸材料所受的 大剪應(yīng)力（N/m2）。

⑤輸送效率限制條件
螺旋輸送機(jī) 大的缺點(diǎn)就是輸送效率比較低，為了減小功率消耗，應(yīng)對(duì)螺旋輸送機(jī)的 小輸送效率進(jìn)行限制，即
g 5（x）：η≥[η]
式中：[η]——螺旋輸送機(jī)允許的 小輸送效率，取[η]=0.5；
η——螺旋輸送機(jī)的輸送效率。

φ——物料與葉片之間的摩擦角，φ=tan-1f ＇=19.12°。
⑥邊界限制條件
空心軸內(nèi)徑要求
g6（x）：0.01≤d≤0.05（10）
空心軸外徑要求
g7（x）：0.05≤D≤0.15（11）
葉片直徑要求
g8（x）：0.15≤Dp≤0.35（12）
螺旋體螺距要求
g9（x）：0.1≤S≤0.5（13）
為防止扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)，空心軸壁厚要求
g10（x）：δ=（D-d）/2≥0.005（14）
為保證正常輸送，葉片長(zhǎng)度要求
g11（x）：l=Dp-D≥0.01（15）
螺旋輸送機(jī)參數(shù)多，確定復(fù)雜而繁瑣，常規(guī)設(shè)計(jì)很難得到 佳搭配值，從安全角度考慮，往往設(shè)計(jì)準(zhǔn)則比較保守，造成質(zhì)量增加，成本升高。本文以質(zhì)量 輕和效率 大為雙目標(biāo)函數(shù)，建立了螺旋輸送機(jī)優(yōu)化模型，并采用蟻群算法進(jìn)行優(yōu)化求解。實(shí)例證明，在滿足機(jī)器使用性能的條件下，有效降低了螺旋輸送機(jī)的重量和提高了輸送效率。蟻群優(yōu)化具有方便處理約束條件，善于利用問題啟發(fā)式信息等特點(diǎn)，采用兩層搜索的連續(xù)空間蟻群優(yōu)化求解方法，對(duì)于螺旋輸送機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以降低求解難度和提高求解的效率。