为满足粉料食品的陆续杀菌,需在杀菌室的料槽内安插先进先出的螺旋输送器。为预防粉料在输送过程中产生滞留,选取无轴式螺旋输送器以保障输送器叶片与料槽表表高度贴合,即一种适合散粒状物料输送、不拥有挠性牵引构件的陆续输送器。凭据设计必要,在输送器的两端衔接低压高频电源,通过集肤效应道理使输送器叶片产生电热效应,给粉料食品加热,从而达到杀菌主张。这种由螺旋动弹转化成粉料轴向运动的输送机构,可保障物料能在低速下无滞留推动。杀菌室重要由无轴螺旋输送器、特氟龙材质量槽、开关电源和减速电机等组成,室内均匀安插若干喷气口。设计过程中,螺旋输送器的结构参数是实现设计指标的关键,会影响粉料的流态化处置成效和推动速度,影响杀菌室大幼、长度等其他的结构尺寸,最终会影响杀菌效能,杀菌后物料的品质。本文对此发展仿真设计,以期获得优化的螺旋器参数。
通常螺旋器的横截面设计成矩形,通过绕造或单片螺旋焊接成刚性螺旋体,螺旋器两端与传动轴焊接成一体,比通常螺旋器少一根中央轴,其重要结构参数如图1所示。
图中:D为螺旋器叶片表径/mm,d为内径/mm,S为螺距/mm,α为螺旋角/°,b为叶片厚度/mm,h为叶片有效高度/mm。由结构关系可知,叶片内径d=D-2h,螺旋角α=arctan(S/2D),因而表径D、螺距S、厚度b及有效高度h是设计变量,用下式暗示:
粒子群优化(PSO)算法是由Kennedy等提出,理论基础蕴含:刺激的评价、近邻的比力和对当先近邻的模仿。通常方程为:
式中 x——D维向量;
f(x)——最优指标函数;
gj(x)——第j个约束不等式;
hk(x)——第k个约束等式;
xdmin,xdmax——某一维的搜索区间。
PSO算法的每个解是空间中的一个粒子,每个粒子凭据其自身及同伴的飞行经从来规划飞行蹊径。其中,xi=(xi1,xi2,…,xiD)T暗示第i个粒子确当前地位;pi=(pi1,pi2,…,piD)T暗示第i个粒子经历的最佳地位;用pg暗示这群粒子中地位最优的个别;vi=(vi1,vi2,…,viD)T暗示第i个粒子的速度。通过pi和pg这2个极值的不休更新产生新一代群,并不休迭代以达到寻优主张。
螺旋输送过程中叶片受物料轴向挤压,其轴向刚度K1是关键参数,可暗示为:
式中 E——螺旋器的弹性模量;
G——剪切模量;
v——泊松比;
It——螺旋器截面极惯性矩;
Ij——螺旋器截面轴惯性矩;
A——截面面积;
N——螺旋圈数。
将设计变量转化为指标函数后得:
削减螺旋器内径可增长输送能力,但会增长螺旋表表积,加大导体功率,同时增长造作成本和难度,凭据设计必要并参考文件,如果取值领域D=450～550 mm,d=0.4D～0.5D，α=（8～20）°，b/h≤0.1为结构参数约束前提，可得：
将公式(3)的约束前提分化后,得:
g1(x)=x1-450≥0;
g2(x)=550-x1≥0;
g3(x)=2x4-0.5x1≥0;
g4(x)=0.6x1-2x4≥0;
g5(x)=20-arctan(x2/2x1)≥0;
g6(x)=arctan(x2/2x1)-8≥0;
g7(x)=0.1-x3/x4≥0。
输送量与物料属性有关,是衡量机构机能的沉要指标。设计产量Q≥1 t/h,则有:
式中 n——转速;
γ——物料堆积密度;
c——输送倾斜系数,当水平输送时c=1。
令k=
,故约束为:
螺距决定物料的滑移面,物料摩擦系数、运动速度、颗粒大幼、含水率和螺旋体资料蹬纂其亲昵有关,综合思考后选S=0.4D～0.5D,由S=2Dtanα,故约束前提为:
g9(x)=x2-0.4≥0
g10(x)=0.5-x2≥0
螺旋器转速与物料输送量亲昵有关。转速越大输送能力越强。但转速过大,物料在杀菌室内停顿功夫缩短,降低了杀菌成效,因而需限度其最大转速。
式中 K——输送物料综合系数;
nmax——螺旋器最大转速;
g——沉力加快度;
A'——物料综合个性系数。
g11(x)=(A'/x1)2-n≥0。
选用食等第316不锈钢为螺旋器资料。查阅文件得:粉料食品的综合个性系数A'=86,填充系数
=0.4,堆积密度γ=0.4 t/m3,则k=1.14;减速电机调速领域为n=1.5～15 r/min;凭据杀菌要求,最大杀菌功夫不超过22 min,经推算螺旋圈数N=34。
取粒子群的规模POPSIZE=50,最大迭代次数为1000,粒子的最大速度vmax=3.0 m/s,认知进建因子c1=2.05,社会进建因子c2=2.05,初始惯性权沉ω=1.0,并按下式线性递减,以改善算法收敛机能。
式中 ωmax——最大加权系数;
ωmin——最幼加权系数;
Iter——当前迭代次数;
MIter——预设的总迭代次数。
选取Matlab说话假造粒子群优化算法,通过仿真推算求得如表1所示了局。
表1 螺旋器优化了局
| 参数 | 数值 |
| 表径D/mm | 503 |
| 螺距S/mm | 198 |
| 厚度b/mm | 7.7 |
| 有效高度h/mm | 114.6 |
| 轴向刚度K1/(N/mm) | 68.7 |
将优化的结构参数进行规整,得D=500 mm,S=200 mm,b=8 mm,h=115 mm。为验证其合理性,利用COMSOL分析软件,对螺旋器表径D、螺距S、厚度b和有效高度h别离与轴向刚度K1的关系进行仿真推算校核。
为便于螺旋器施加载荷,在其两端别离成立等尺寸圆柱几何体(图1镜像处置)组成齐全的模型几何体。螺旋器一端施加固定约束,另一端施加轴向载荷。由于输送物料为含水率<10%的散粒状食品,可不思考其他作使劲,轴向载荷通常F<500 N。输入模型资料为304不锈钢,其属性密度为7900 kg/m3,弹性模量为193 GPa,泊松比为0.3。输入螺旋器结构参数和有效圈数N=34。
以螺旋器表径D为变量,取值领域[450,550]mm,步长10 mm,共11个变量,固定其他参数,进行轴向施压仿真试验。取F=500 N时,得到轴向刚杜纂螺旋器表径关系曲线如图2,可见螺旋器表径与轴向刚度呈正有关关系。
增大螺旋器表径,增长螺旋整体沉量、叶片的焊缝长度和螺旋体的表表积,加工成本也会增长。凭据使用要求,拔取适当的螺旋表径即可。当螺旋器表径D=500 mm时,其轴向刚度>68.7 N/mm,满足轴向刚度要求。
以螺旋器的螺距S为变量,取值领域[180,250]mm,步长10 mm,共8个变量,固定其他参数,进行轴向施压仿真尝试,取F=500 N时,得到螺距与轴向刚度关系曲线如图3,可见随着螺距增长,轴向刚度呈先升后降趋向,S=230 mm为最大值。
凭据杀菌要求,在一样转速下,螺距越幼粉料在杀菌室内停顿功夫越长,当S=200 mm时,轴向刚度K1>68.7 N/mm,已满足设计要求。
以螺旋叶片厚度b为变量,取值领域[5,11]mm,步长1 mm,共7个变量,固定其他参数,进行轴向施压仿真尝试,取F=500 N时,得到厚杜纂轴向刚度关系曲线如图4,可见轴向刚度随叶片厚度增长而增大。
通常叶片越厚用料越多,成型和焊接越难题。叶片厚度为8 mm时,螺旋器的轴向刚度已满足了使用要求。
以螺旋器叶片有效高度h为变量,取值领域[90,130]mm,步长5 mm,共9个变量,固定其他参数,进行轴向施压仿真试验,取F=500 N时,得到螺旋器叶片有效高杜纂轴向刚度关系曲线如图5,可见轴向刚度随有效高度增长而增大。
在螺旋叶片表径确定的情况下,增长有效高度,会增长螺旋器表表积和沉量,成型及焊接难度加大,当有效高度h=115 mm时,已满足轴向刚度要求。
经优化后的螺旋器结构参数,已用于粉料食品杀菌机的试造。运行试验批注,其结构参数满足粉料输送和加热的使用要求,批注优化的结构参数合理、可信。
提出选取无轴螺旋器作为粉料食品陆续杀菌的输送部件和加热部件。凭据使用要求,选取粒子群优化算法对螺旋器结构参数进行了优化。将优化后的参数利用COMSOL分析软件别离与轴向刚度之间的关系进行校核,校核试验批注,所取的优化参数满足其轴向刚度的要求,证了然优化了局正确、合理。
