王友勝,許煥敏,高 騰,甘潤節(jié)
(河海大學(xué)機電工程學(xué)院,江蘇 常州 213022)
作為一種有連續(xù)進給能力和較高進給精度,同時兼?zhèn)浠旌稀嚢?、稱重等功用的無撓性牽引設(shè)備[1],螺旋給料機由于其結(jié)構(gòu)簡單、對環(huán)境污染小、使用較為便捷,經(jīng)常在化工、糧食加工等領(lǐng)域被用于輸送流動性較好、無粘性或者粘性較小的粉體物料以及相應(yīng)磨琢性較小的顆粒物料[2-3],某公司螺旋給料機實物圖,如圖1(a)所示。工作中,由于物料屬性、工作環(huán)境不同,有可能會出現(xiàn)卡料、堵塞現(xiàn)象,進而導(dǎo)致給料機輸送量、進給效率較低。為此,就得到適應(yīng)性較強、進給效率較高的機型,國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究。
文獻[4]通過分析大傾角輸送機中單個顆粒運動特性,通過理論與實驗結(jié)合的方式,準確預(yù)測了實際生產(chǎn)率;文獻[5]利用DEM對顆粒在螺旋體內(nèi)的運動進行數(shù)值模擬分析;文獻[6]通過將多個三維輸送機模型導(dǎo)入EDEM中,定量地分析了螺旋轉(zhuǎn)速、螺距大小等因素對給料過程的影響;文獻[7]以提高輸送效率為優(yōu)化目標,建立優(yōu)化模型并結(jié)合蟻群算法得到最佳優(yōu)化參數(shù);文獻[8]從螺旋給料裝置和螺旋給料仿真兩方面著手,詳細分析了國內(nèi)外關(guān)于螺旋給料裝置的研究現(xiàn)狀,指出了理論仿真模型與真實結(jié)構(gòu)之間仍存在一定偏差;文獻[9]利用離散元方法研究了螺旋體參數(shù)的變化對輸送量以及功率消耗的影響,為螺旋體設(shè)計提供了理論支持;文獻[10]對螺旋輸送機的輸送性能進行了大量的實驗研究。以上研究都主要是螺旋給料機的主要參數(shù)設(shè)計和輸送過程分析,沒有對優(yōu)化后的螺旋體結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)的有限元分析,無法得知新結(jié)構(gòu)是否滿足實際要求。
螺旋體是螺旋給料機的核心組件,直接影響著整機的輸送性能,螺旋體結(jié)構(gòu)實體,如圖1(b)所示。螺旋體中所涉及的參數(shù)較多并且相互之間存在影響,因此很難用傳統(tǒng)的設(shè)計方法得到最優(yōu)結(jié)果。本課題在以先建立起各參數(shù)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上,確定合理的優(yōu)化目標;然后在Matlab中編寫相應(yīng)的M文件,求解得到優(yōu)化結(jié)果。根據(jù)相應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果參數(shù),在Inventor中建立螺旋體三維模型,再將其轉(zhuǎn)換成igs格式;導(dǎo)入ANSYS中進行有限元分析,對三維模型結(jié)構(gòu)強度進行驗證。
圖1螺旋給料機實物展示Fig.1 Physical Display of Spiral Feeder
作為螺旋輸送裝置,螺旋給料機工作原理跟輸送機類似,都是在進料口處,將物料投入殼體內(nèi),同時螺旋體即螺旋葉片與轉(zhuǎn)軸在電機的驅(qū)動下做高速旋轉(zhuǎn)運動;投入殼體的物料受到螺旋葉片的推力作用使得其沿軸向運動,因自身重力的影響,物料在向前推進過程中又會自動墜落,故而物料在殼體內(nèi)的運動軌跡為復(fù)雜的空間曲線運動[11]。
即為圖1(b)所示該型號螺旋體參數(shù)模型,如圖2所示。包括螺旋葉片與螺桿軸兩部分;其主要參數(shù)有:葉片直徑D,螺距S,螺旋桿外徑d,螺旋桿內(nèi)徑d0,葉片厚度t,螺桿長度L,葉片高度h。本課題以該產(chǎn)品為實例進行優(yōu)化設(shè)計,已知螺旋葉片的材料為Q235A,螺旋桿的材料為45鋼,相關(guān)參數(shù)如葉片厚度t=3mm,葉片高度h=7mm,螺桿長度L=1.1m,當(dāng)前輸送量可達到20t∕h。
圖2螺旋體參數(shù)模型Fig.2 Spiral Parameter Model Diagram
考慮到產(chǎn)品參數(shù)標準化的重要性以及螺旋體實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn),相關(guān)螺旋體尺寸如,葉片厚度t以及高度h、螺桿長度L都是固定的,尺寸大小如2.2中所述;需優(yōu)化的參數(shù)則包括螺旋葉片直徑D,螺距S,螺桿外徑d、內(nèi)徑d0,變量表達式,如式(1)所示。
設(shè)計螺旋體時,需要選擇合理的尺寸大小,同時參數(shù)優(yōu)化的過程,即是在滿足給定條件前提下,在一定范圍內(nèi)求出變量的最優(yōu)值。查閱資料,相關(guān)尺寸葉片直徑D取值范圍是(0.15,0.35),螺距S是(0.1,0.5),螺桿外徑d是(0.05,0.15),螺桿內(nèi)徑d0是(0.03,0.05),尺寸單位均為米(m)。
對螺旋體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,主要就是在以滿足結(jié)構(gòu)的剛度和硬度為前提,降低螺旋體的質(zhì)量,一方面可以達到節(jié)約降本的目的,同時優(yōu)化后的螺旋體進給的效率更高。螺旋主體的總重量有螺旋葉片和螺桿組成,所以建立的螺旋體質(zhì)量參數(shù)模型包括葉片質(zhì)量模型和螺桿質(zhì)量模型,相對應(yīng)的目標函數(shù)如下:
式中:G—螺旋體重量(kg);V1—螺旋葉片體積;V2—螺桿軸體積;
將V1、V2代入上式,其中L、t、ρ1均為常數(shù),則目標函數(shù)表達,如式(3)所示。
(1)合理的葉片螺距有助于避免出現(xiàn)給料過程卡塞現(xiàn)象,相應(yīng)約束條件,如式(4)所示。
(2)給料機進給效率不小于最小值,相應(yīng)約束條件,如式(5)所示。
式中:αx—螺旋半徑為x處的螺旋升角;ρ2—粉體物料與葉片之間的當(dāng)量摩擦角
(3)剛度限制條件
對螺桿軸進行力學(xué)分析時,可將力學(xué)模型簡化成簡支梁,螺桿軸最大撓度不應(yīng)大于許用值,相應(yīng)約束條件,如式(6)所示。
(4)功率限制條件
螺旋給料機在工作中的功率應(yīng)不應(yīng)大于電機的額定功率,即P負≤P額,相應(yīng)約束條件,如式(7)所示。
式中:P額—電機額定功率,取3kW;K—電機使用安全系數(shù),取K=1.2;μ1—粉體物料與機槽間摩擦系數(shù),取μ1=0.4;H1—物料在進料口的有效堆積高度,取H1=0.25m;L1—進料口長度,L1=0.28m;R—料槽截面半徑,取R=(0.5D+0.01)m。(5)轉(zhuǎn)速限制條件
螺旋軸的轉(zhuǎn)速在滿足輸送能力的條件下不宜過高,以免物料受過大的切向力而被拋起進而影響輸送效率,故螺旋轉(zhuǎn)速n不能超過極限轉(zhuǎn)速nmax,如式(8)所示。
式中:n—螺旋軸轉(zhuǎn)速(r∕min);A—輸送粉體時物料綜合系數(shù),A取75。
(6)扭轉(zhuǎn)強度限制
由于螺旋給料機螺旋軸是空心軸,故而空心軸的最大剪切力τmax應(yīng)不大于許用剪切力,取許用剪切應(yīng)力相應(yīng)約束條件,如式(9)所示。
式中:T—螺旋軸扭矩;Wn—抗扭矩截面系數(shù)。
遺傳算法是以自然界中物競天擇、適者生存為依據(jù),模擬生物進化歷程中優(yōu)勝劣汰和染色體信息相互交換、結(jié)合的高效尋優(yōu)算法。其可在限定的搜索空間內(nèi),用區(qū)別于傳統(tǒng)搜索算法的方式,不斷地進行尋優(yōu),直至最優(yōu)解。
本課題基于經(jīng)典遺傳算法,首先在Matlab中建立螺旋體質(zhì)量相關(guān)數(shù)學(xué)模型、變量約束條件等遺傳準備工作,然后計算每個關(guān)于質(zhì)量的解在種群中的適應(yīng)度值,再通過選擇、交叉、變異遺傳操作,得到最優(yōu)解即最佳螺旋參數(shù)值,具體求解過程,如圖3所示。
圖3 算法求解過程Fig.3 Soluting Process of Genetic Algorithm
在Mtalab中編譯關(guān)于螺旋體質(zhì)量尋優(yōu)的程序代碼,選定初始種群大小為20,最大遺傳代數(shù)為50,個體長度為10,交叉概率為0.7,變異率0.02,相應(yīng)部分程序如下,程序運行得到遺傳進化代數(shù)圖,如圖4所示。
圖4 遺傳進化代數(shù)Fig.4 Genetic Evolution Algebra
在Matlab中編制基于遺傳算法優(yōu)化目標的M文件,運算求得關(guān)于螺旋葉片直徑、螺距等螺旋體參數(shù)最優(yōu)值,具體數(shù)值,如表1所示。
表1 優(yōu)化前后參數(shù)比較Tab.1 Comparison of Parameters before and after Optimization
由表中的優(yōu)化結(jié)果可知,優(yōu)化后的螺旋葉片直徑較之前減小20mm,螺距增加25mm,螺桿軸外徑大小增加4mm,螺桿內(nèi)徑減小2mm,螺旋升角提高4°,螺旋進給效率提高8.2%,螺旋體重量減輕1.4kg;由相關(guān)數(shù)據(jù)表明螺旋體優(yōu)化的目標包括質(zhì)量得到減輕,效率得到提升,滿足預(yù)期要求。
基于優(yōu)化后的參數(shù)結(jié)果,建立新三維實體模型,將優(yōu)化前后的螺旋體結(jié)構(gòu)模型分別在ANSYS環(huán)境下進行有限元分析。劃分單元網(wǎng)格大小為1mm,生成247007個節(jié)點,包含131449個單元;優(yōu)化前、后的螺旋體應(yīng)力分布情況,如圖5(a)、圖5(b)所示。
圖5 優(yōu)化前后等效應(yīng)力分析Fig.5 Equivalent Stress Analysis of Pre-Optimal and after
根據(jù)等效應(yīng)力分析結(jié)果表明,優(yōu)化前的螺旋體最大等效應(yīng)力結(jié)果為220.626MPa,優(yōu)化后的螺旋體最大等效應(yīng)力為183.87MPa,通過此次優(yōu)化設(shè)計,螺旋體的最大等效應(yīng)力降低36.756MPa;通過優(yōu)化前后對比,螺旋體的強度得到提升,增強了其工作中的可靠性。
針對提高螺旋給料機工作適應(yīng)性、進給效率和螺旋體輕化,提出了一種基于遺傳算法的螺旋體參數(shù)優(yōu)化設(shè)計,并模擬實際工況對優(yōu)化后的機體模型進行有限元分析。通過優(yōu)化計算和仿真分析,得到以下結(jié)論:在滿足使用要求和工作強度等限制條件下,該方法使得螺旋體質(zhì)量減輕9.34%,進給效率提高8.2%,仿真分析結(jié)果顯示最大等效應(yīng)力降低16.7%;此方法合理地優(yōu)化了給料機的設(shè)計參數(shù),增強了給料機適用性,減輕螺旋體重量和提高輸送效率,同時也提高了其工作強度,進而節(jié)省了資源,提高了經(jīng)濟效益。