飼料螺旋輸送機優(yōu)化設計及介紹
  螺旋輸送機是一種用途廣泛的運輸機械，它是利用螺旋體與物料之間產生的相對運動進行輸送。當螺旋葉片旋轉時，物料的自重和殼體對物料的摩擦阻止其與螺旋葉片一起旋轉，物料類似不轉動的螺母，二者之間的相對運動促使物料沿螺旋軸軸向移動[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物料的混合、攪拌等工作。螺旋輸送機具有結構緊湊、密封性好、操作維護方便、物料不易撒落等優(yōu)點，被廣泛應用于糧食、飼料、油脂等行業(yè)。螺旋輸送機的設計準則是既要保證機器有足夠的強度、剛度，同時還要保證有足夠的輸送量和消耗較小的動力。螺旋體是機器的核心，它需要設計的參數(shù)較多，且關系較復雜，相互制約影響，因此也就有一個 佳組合的問題。本文運用優(yōu)化設計理論進行螺旋輸送機螺旋體設計，并應用連續(xù)蟻群算法進行優(yōu)化求解，取得了比較滿意的效果。
1 優(yōu)化設計模型
1.1 設計要求
設計某飼料螺旋輸送機，該機螺旋體的結構如圖1所示。已知電機額定功率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A3，兩段式結構，中間裝有懸吊螺旋軸滑動軸承。
1.2 設計變量
螺旋體的主要尺寸有：空心軸的外徑D、內徑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，需要設計的參數(shù)剩下D、S、Dp、d，取設計變量為
X=[x1，x2，x3，x4]T=[Dp，S，D，d]T。
1.3 目標函數(shù)
在滿足螺旋輸送機使用要求的前提下，減小螺旋體質量有利于節(jié)約材料和降低成本，同時也便于機器的移動。此外，提高輸送效率也是螺旋輸送機設計的一個重要因素。故本文以螺旋體的質量 小和輸送效率 大為雙優(yōu)化目標。質量 小為目標函數(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
螺旋輸送機的 大撓度不應超過許用值，即
g1（x）:ｆmax≤[f]（2）
式中：fmax——螺旋輸送機的 大撓度（m）；
[f]—— 大許用撓度(m)，[f]=0.000 1L=0.000 65。
據(jù)兩段式螺旋輸送機的力學模型，

式中：K——電機安全系數(shù)，取K=1.2；
f ＇——物料與輸送機之間的摩擦系數(shù)，f ＇=0.35；
H＇——進料口處物料堆積壓力的等效計算高度（m），H＇=0.3；
L＇——進料口長度（m），L＇=0.5；
Q——輸送量(t/h)。
③轉速限制條件
為了減少物料的破碎率和機器的振動，以及物料被拋起而影響輸送量，應對螺旋輸送機的轉速加以限制[2]，即
g3（x）：n≤[n]（4）
式中：[n]——螺旋輸送機許用轉速值（r/min）；
n——螺旋輸送機的轉速（r/min）。
轉速與輸送量的關系為：
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)，輸送糧食時取ρ=0.75。
④扭轉強度限制條件
螺旋輸送機空心軸所受的 大剪應力不應超過材料的極限應力，即
g4（x）：τmax≤[τ]（7）
式中：[τ]——軸材料的極限剪應力（N/m2），[τ]=80×106；
τmax——軸材料所受的 大剪應力（N/m2）。

⑤輸送效率限制條件
螺旋輸送機 大的缺點就是輸送效率比較低，為了減小功率消耗，應對螺旋輸送機的 小輸送效率進行限制，即
g 5（x）：η≥[η]
式中：[η]——螺旋輸送機允許的 小輸送效率，取[η]=0.5；
η——螺旋輸送機的輸送效率。

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）
螺旋輸送機參數(shù)多，確定復雜而繁瑣，常規(guī)設計很難得到 佳搭配值，從安全角度考慮，往往設計準則比較保守，造成質量增加，成本升高。本文以質量 輕和效率 大為雙目標函數(shù)，建立了螺旋輸送機優(yōu)化模型，并采用蟻群算法進行優(yōu)化求解。實例證明，在滿足機器使用性能的條件下，有效降低了螺旋輸送機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，采用兩層搜索的連續(xù)空間蟻群優(yōu)化求解方法，對于螺旋輸送機優(yōu)化設計可以降低求解難度和提高求解的效率。