基于遗传算法的螺旋输送机优化设计

维普资讯 http://www.cqvip.com 横０Ｉ　Ｏ　Ｇ　Ｙ　甓　舒服．华　（武汉理工大学，湖北武汉，４３００７０）　摘要：以重量最小和传动效率最大为双优化目标，建立了螺旋输送机优化模型，并利用遗传算法进行优化求解，使优　化求解方便快捷，效率提高。　键词：螺旋输送机；优化设计；遗传算法；质量；效率　０引言　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　螺旋输送机是一种用途广泛的运输机械，它是　利用螺旋轴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，二者之问的相对运动促使物料沿螺旋轴轴向　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Ｄ　、螺距．ｓ、长度　、叶片厚度　，其中，　长度　、叶片厚度　根据要求已经确定，需要设计的　参数剩下Ｄ、．ｓ、Ｄ　、ｄ，取设计变量为　Ｘ＝ＥｘＪ，　２，Ｊ６３，　４］　＝［　，．ｓ，Ｄ，ｄ］　１．３目标函数　移动。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、搅拌等工序。　螺旋输送机具有结构紧凑、密封性好、操作维护方　便、物料不易洒落等优点，广泛应用于砖瓦行业，如　用于粉煤灰、砂石、矿渣等原料的输送。螺旋输送机　的设计准则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较小的动力消耗。螺旋　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。此外尽可能提高输送效率也是螺旋输　送机设计一个不可忽视的因素。故本文以螺旋体的　质量最小和输送效率最大为双优化目标。质量最小　为目标函数，输送效率最大放在约束条件中体现。　即：　体是机器的核心，它需要设计的参数较多，且关系错　综复杂，相互影响制约，因此也就有一个最佳组合的　问题。本文运用优化设计理论进行螺旋输送机螺旋　静　体设计，并应用遗传算法进行优化求解，取得了比较　满意的效果。　１优化设计模型　１．１设计要求　）　｜ｗ　１、）　式中，Ｖ１－空心轴的体积（ｍ３），ＶＩ＝．ｒｒ（ＤＺ－　ｄ２）Ｌ　；　，一螺旋叶片的体积（ｍ３），　设计某粉煤灰螺旋输送机．该机螺旋体的结构　ｆｚ）　一Ｄ）（￣／—，Ｂ　２Ｄ—２　２＋，如图１所示。已知电机额定功率Ｎ＝９．０ｋＷ，输送量ｐ＝　１００ｔ／ｈ，螺旋体长度Ｌ＝６．５ｍ，叶片厚度ｔ＝３ｍｍ，材料　一：　二　：　２　２　２灶　丝：　。　４Ｓ　螺旋体材料的密度（ｋｇ／ｍ３），ｙ＝７．８ｘｌＯ　。　１．４约束条件　ｆ１）刚度限制条件　螺旋输送机的最大挠度不应超过许用值，即　：厂眦ｌ≤　（２）　图１　螺旋体结构示意图　维普资讯 http://www.cqvip.com 的最大剪应力。　式中，　广螺旋叶片某圆周上的螺纹升角，　：　ｔａｎ　—　，ｒ为圆周的半径；　仃ｒ　一物料与叶片之间的摩擦角，　＝ｔａｎ—　：　ｌ９．１２。。　（６１边界限制条件　空心轴内径要求　：０．０１≤ｄ≤０．０５　（１Ｏ）　空心轴外径要求　ｇ７　）：０．０５≤Ｄ≤０．１５　（１１）　叶片直径要求　Ｊ：０．１５≤　≤０，３５　（１２）　螺旋体螺距要求　：０．１≤Ｓ≤０．５　（１３）　为防止扭转失稳，空心轴壁厚要求　ｇｌ。　）：６：（Ｄ—ｄ　＞ｔ０．００５　１４　为保证正常输送，叶片长度要求　岛　（　：ｌ＝Ｄ－Ｄ＞ｔ０．０１　（１５）　２遗传算法及其优化求解　遗传算法（ＧＡ）是模拟生物自然选择与遗传机　理求解极值问题的一种智能搜索算法，其自组织、自　适应、自学习和群体进化能力适于处理复杂参数和　非线性优化问题。遗传算法是将问题的求解表示成　染色体的适者生成过程，通过染色体群的一代代不　维普资讯 http://www.cqvip.com

科技纵横　５　ｃｌｌＩ　ｃｌ　ｌ　ｌｌ　ｃ　１　０ｌ　０　６　ｙ　设赫　专砖　断进化，包括复制、交叉、变异等操作，最终收敛到　最适应环境的个体，从而求得问题的最优解或满意　解　遗传算法方法和步骤如下。　２．１参数编码　编码是连接问题和算法的桥梁．它是将所有变　量按一定编码方式编成一定的子串——基因，所有　基因组成染色体，一个染色体代表优化问题的一个　解。本文采用实数编码，它不仅具有微调功能，同时　可提高算法的收敛性和收敛速度。　２．２初始群体设定　遗传算法是一种群体操作，必须首先准备一系　列个体，一定数量的个体组成初始群体。种群规模Ⅳ　必须适中，太小搜索空间有限，太大计算复杂。初始　群体中的Ⅳ个染色体可由随机的方法在各个基因的　取值范围产生。　２．３适应度评价　适应度是用来评价各染色体所代表的解优劣的　程度，也是对染色体进行遗传操作的依据。对带约　束的优化问题可以惩罚函数将其转化为无约束问　题，它可靠且精度高。　惩罚函数为　ｑＳ（ｘ）＝－ｆ（ｘ）＋Ｒ　ｍａｘ［Ｏ，－ｇｉ　］；　（１１）　适应度函数为　Ｆｉｔ（ｘ）－—　）（１２）　一Ｃ　式中，　为一足够大的正数，Ｃ为一足够小的负　数。　≮　２．４遗传操作　（１）选择。选择是从种群中选择优秀个体，淘汰　劣质个体。其目的是把适应度高的候选解遗传给下　一代。本文采用联赛选择算子，以避免标准赌轮盘　算法在个体适应度差异很大时容易引起早熟收敛以　及适应度很接近时盲目搜索的不足。　（２）交叉。交叉是按一定的概率把两个父代个　体的部分结构加以重组而产生新个体。本文采用算　术交叉算子，以克服实数编码简单交叉只是交换两　个数值矢量的分量，而无法生成新的数值分量的缺　点。设　．、　为父代个体，则　Ｘ　＋（１　Ｘ２（１３）　式中，　一新一代个体；　一（０，１）区间的随机　数。　（３）变异操作。变异是使个体中某些基因发生　“突变”，从而产生不同于上一个染色体的新染色体。　本文采用均匀变异，它可以使搜索点在整个空间自　由移动，从而增加群体的多样性。设染色体　做选中　进行变异操作，则产生一个后代为　Ｖ　＝Ｖ　＋ｒＭｄ　（１４）　式中，ｒ一（０，１）区间的随机数；ｄ一随机产生的ｎ　维方向向量；　一给定的足够大的方向系数。　２．５算法步骤　（１）ｔ＝Ｏ，随机生成初始种群Ｐ（０）：＝　（１），Ｘ（２），　…，　（／、７））。　（２）计算当前群体ｐ　中所有个体的适用度　。　（３）使用选择算子生成临时群体ｐｒ　。　（４１按一定的概率对群体进行交叉、变异等操　作，得到新的群体ｐ　＋１土　（５）ｔ＝ｔ＋ｌ，若终止条件未满足则转向（２）。　２．５优化结果　按上述参数值和算式，求出目标函数和约束条　件表达式。　目标函数　ｆ　）＝１．２７￣１０　［３．１４　３　４２）＋０．Ｏ０３ｘ２　ｌ　２）　（￣／／９．８６ｘ：＋ｘ：＋、／９．８　）］　约束条件　）：３．３９ｘ　１０　Ｘ２－　２）（Ｘ３４－Ｘ４）一（Ｖ９．８　：　：　＋、／９．８　；　：　≤０．０００６５　）：０．１１６ｘ￣３一（１８．２＋５２ｘ￣３－　＋４．５ｘ３　）≤９；　）：９．４５６ｘ２－１ｘ１－２４３６０　ｌ　）ＩＸｌＸ２Ｘ３［１．０６ｘ２＋２．９５ｘ２￣ｌ－ｌ＋０．２７ｘ２　ｌ＋０．０２）　＋　１．１２ｘ１］　３４．　４４）　≤８００　ｆ　ｏ．５　１　ｃ　ｏ．５　１　ｇ５　）：　ｒ２ｔａｎ（ｔａｎ一０・１５９ｘＥｒ）ｄｒ／　ｔａｎ［ｔ　（１９．１２＋０．１５９ｘ２ｒ）］ｄｒ＞－０．５　）：０．０１≤　４≤０．０５；　ｇ７　）：０．０５≤奶≤０．１５；　ｇ８　）：０．１５≤　ｌ≤０．３５；　）：０．１≤　≤０．５０；　舒０　）：　３—　４≥０．０５　ｉ　ｌ　）：　ｌ　３≥０．０１　ｏ　根据上述算法，进行优化求解。　（下转第４７页）　维普资讯 http://www.cqvip.com

刚　！＿　ｌＳ科技纵横Ｃｌ　Ｅ　Ｎ　ＣＥ　Ｉ　ＩＥ　Ｃ　ＮＩ　ＯＬ　Ｏ　ｇ　Ｙ　南省将逐步禁止生产和使用实心粘土砖。并积极推　广应用新型墙体材料与节能建筑。并指出各级政府　和有关部门要积极推广使用新型墙体材料与节能建　筑。凡财政拨款或补贴的行政机关办公用房、公共　建筑、经济适用房、示范建筑小区和国家投资的生产　经营性项目等。都要执行节能设计标准。选用和采　购新型墙体材料。力争￣Ｕ２ＯｌＯ年。新型墙体材料产　量占墙体材料总量的比重达到６０％以上。建筑应用　比例达到６５％以上。　５结论　本文通过介绍单块新型空心砌块的主要热工参　数（导热系数）、传热系数及各参数的测量方法，并得　出测试结果。从计算传热冷负荷的角度分析构筑而　成的典型单面外墙的节能情况。从计算的结果来看，　采用新型空心砌块墙体比采用传统的实心粘土砖墙　体。在一个月内能减少传入室内的热量、节省制冷量　８１８５３．２ｋＪ。节能效率为３１．７９％。节能效果比较理想。　同时，通过经济性分析可以看出。该新型空心砌块有　利于市场推广。符合国家节能政策。　参考文献　【１】张喜明等，瑞典及我国建筑节能现状与发展．《建筑热能通风空　调》．２００１．２：　源、新型墙体材料基建、扩建、技术项目、固定资产调　节税率、免征产品所得税、减免土地使用税等，都给　予了优惠。并且，湖南省政府办公厅为贯彻落实国　办发３３号文件精神，有效保护耕地和节约资源，湖　（上接第５０页）　参数设定为：最大变异步长Ａ　为相应区间的一半，　【２】朱盈豹编著，保温材料在建筑墙体节能中的应用．中国建材工业　出版社．２００４．６：　【３】付祥钊主编，夏热冬冷地区建筑节能技术．中国建筑工业出版社．　２００２．１０；　【４】章熙民等编著，传热学．中国建筑工业出版社．２００４．１　准则比较保守，造成质量增加，成本升高。本文以质　：Ｏ．８，　：Ｏ．０６，Ｔ＝０．５，　：２Ｏ，Ｎ＝６０，Ｍ＝５０，其中，Ｇ：　４０，Ｌ＝１０，ｐ＝０．８，全局搜索步数ｋ＝４０。利用Ｍａｔｌａｂ７．０　量最轻和效率最大为双目标函数，建立了螺旋输送　机优化模型．并采用遗传算法进行优化求解。实例证　明，在满足机器使用性能的条件下，有效降低了螺旋　软件包编制算法程序，结果经圆整后如表２。与原设　计方法比较，螺旋体的重量减小了１４．４２％，而输送　输送机的重量。提高了输送效率。遗传算法优化具有　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遗传算法优化求解策　略，寻优能力强，收敛速度快，将它用于螺旋输送机　设计方法　常规设计　优化设计　Ｘｌ　Ｏ．４２　Ｏ．３４　Ｘ２　Ｏ．２８　Ｏ．２４　Ｘ３　Ｘ４　／　优化设计可以降低求解难度和提高求解效率。　参考文献　【１】胡勇克．螺旋输送器的原理与设计　【２】濮良贵．机械设计　【３】宋诚生．大跨度螺旋输送机尺寸的系列设计　【４】舒州．基于变形遗传算法的切削用量优化［Ｊ］．机电工程，２００５，２６（１０：　４ｎ—４４　Ｏ．Ｏ６ｏ　Ｏ．Ｏ５５　１３４．６８　４４．２１　０．０７４　０．０６４　１１５．２６　５１．２５