饲料螺旋输送机优化设计及介绍
  螺旋输送机是一种用途广泛的运输机械，它是利用螺旋体与物料之间产生的相对运动进行输送。当螺旋叶片旋转时，物料的自重和壳体对物料的摩擦阻止其与螺旋叶片一起旋转，物料类似不转动的螺母，二者之间的相对运动促使物料沿螺旋轴轴向移动[1]。一方面它可以满足长距离输送物料的要求；另一方面还可以完成对物料的混合、搅拌等工作。螺旋输送机具有结构紧凑、密封性好、操作维护方便、物料不易撒落等优点，被广泛应用于粮食、饲料、油脂等行业。螺旋输送机的设计准则是既要保证机器有足够的强度、刚度，同时还要保证有足够的输送量和消耗较小的动力。螺旋体是机器的核心，它需要设计的参数较多，且关系较复杂，相互制约影响，因此也就有一个 佳组合的问题。本文运用优化设计理论进行螺旋输送机螺旋体设计，并应用连续蚁群算法进行优化求解，取得了比较满意的效果。
1 优化设计模型
1.1 设计要求
设计某饲料螺旋输送机，该机螺旋体的结构如图1所示。已知电机额定功率N=9.0kW，输送量Q=100t/h，螺旋体长度L=6.5m，叶片厚度t=3mm，材料A3，两段式结构，中间装有悬吊螺旋轴滑动轴承。
1.2 设计变量
螺旋体的主要尺寸有：空心轴的外径D、内径d、螺旋叶片的直径Dp、螺距S、长度L、叶片厚度t，其中，长度L、叶片厚度t 根据要求已经确定，需要设计的参数剩下D、S、Dp、d，取设计变量为
X=[x1，x2，x3，x4]T=[Dp，S，D，d]T。
1.3 目标函数
在满足螺旋输送机使用要求的前提下，减小螺旋体质量有利于节约材料和降低成本，同时也便于机器的移动。此外，提高输送效率也是螺旋输送机设计的一个重要因素。故本文以螺旋体的质量 小和输送效率 大为双优化目标。质量 小为目标函数，输送效率 大放在约束条件中体现，即

γ——螺旋体材料的密度（kg/m3），γ=7.8×103。
1.4 约束条件
①刚度限制条件
螺旋输送机的 大挠度不应超过许用值，即
g1（x）:ｆmax≤[f]（2）
式中：fmax——螺旋输送机的 大挠度（m）；
[f]—— 大许用挠度(m)，[f]=0.000 1L=0.000 65。
据两段式螺旋输送机的力学模型，

式中：K——电机安全系数，取K=1.2；
f ＇——物料与输送机之间的摩擦系数，f ＇=0.35；
H＇——进料口处物料堆积压力的等效计算高度（m），H＇=0.3；
L＇——进料口长度（m），L＇=0.5；
Q——输送量(t/h)。
③转速限制条件
为了减少物料的破碎率和机器的振动，以及物料被抛起而影响输送量，应对螺旋输送机的转速加以限制[2]，即
g3（x）：n≤[n]（4）
式中：[n]——螺旋输送机许用转速值（r/min）；
n——螺旋输送机的转速（r/min）。
转速与输送量的关系为：
Q=47ψβ0SρnDp2；（5）

式中：ψ——充填系数，取ψ=0.5；
β0——倾斜系数，取β0=0.6；
ρ——物料堆积密度(t/m3)，输送粮食时取ρ=0.75。
④扭转强度限制条件
螺旋输送机空心轴所受的 大剪应力不应超过材料的极限应力，即
g4（x）：τmax≤[τ]（7）
式中：[τ]——轴材料的极限剪应力（N/m2），[τ]=80×106；
τmax——轴材料所受的 大剪应力（N/m2）。

⑤输送效率限制条件
螺旋输送机 大的缺点就是输送效率比较低，为了减小功率消耗，应对螺旋输送机的 小输送效率进行限制，即
g 5（x）：η≥[η]
式中：[η]——螺旋输送机允许的 小输送效率，取[η]=0.5；
η——螺旋输送机的输送效率。

φ——物料与叶片之间的摩擦角，φ=tan-1f ＇=19.12°。
⑥边界限制条件
空心轴内径要求
g6（x）：0.01≤d≤0.05（10）
空心轴外径要求
g7（x）：0.05≤D≤0.15（11）
叶片直径要求
g8（x）：0.15≤Dp≤0.35（12）
螺旋体螺距要求
g9（x）：0.1≤S≤0.5（13）
为防止扭转失稳，空心轴壁厚要求
g10（x）：δ=（D-d）/2≥0.005（14）
为保证正常输送，叶片长度要求
g11（x）：l=Dp-D≥0.01（15）
螺旋输送机参数多，确定复杂而繁琐，常规设计很难得到 佳搭配值，从安全角度考虑，往往设计准则比较保守，造成质量增加，成本升高。本文以质量 轻和效率 大为双目标函数，建立了螺旋输送机优化模型，并采用蚁群算法进行优化求解。实例证明，在满足机器使用性能的条件下，有效降低了螺旋输送机的重量和提高了输送效率。蚁群优化具有方便处理约束条件，善于利用问题启发式信息等特点，采用两层搜索的连续空间蚁群优化求解方法，对于螺旋输送机优化设计可以降低求解难度和提高求解的效率。