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、長度L、葉片厚度t,其中,長度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。
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