家用食品粉碎機的優(yōu)化設計

2018-12-20 09:22:44許勇堅

設備管理與維修 2018年23期

許勇堅

（廣東省粵東高級技工學校，廣東汕頭 515041）

0 引言

隨著先進科學技術的發(fā)展以及國外食品機械的引進，對中國食品機械化行業(yè)有一定的影響。加強研發(fā)和創(chuàng)新，增強國際競爭力成為我國食品機械的重要奮進目標。現有市場上銷售的食品粉碎機產品，主要采用的是錘片式（圖1）和齒爪式粉碎（圖2）原理，存在粉碎時間長、粉碎不夠充分、清洗困難等缺點。因此，雖然在市場上有大量的食品粉碎機，但并不能完全滿足客戶的需求。

在實際使用過程中，食品粉碎機常常需要控制食物粉碎的程度，進而選擇不同的粉碎機構，最終才能保證食物的質量。因此，設計一種結構簡單、使用壽命長、便于清理更換以及安全性能可靠的粉碎裝置十分必要。

1 優(yōu)化設計方法

機械優(yōu)化設計是最近幾年新起的一種設計方法，在20世紀80年代開始引入各個學科領域，能夠解決許多復雜的難題。通過優(yōu)化設計，可以在眾多方案中找到最適合的解，這樣可以縮短設計時間、提高設計效率。優(yōu)化設計方法，需要具有很強的理論知識和實踐經驗。優(yōu)化設計最初開始于英國，我國很多設計研究和著名高校都對其投入了大量的研究，國家也非常重視，因此促進了優(yōu)化設計的快速發(fā)展。

機械優(yōu)化設計主要是依靠數學理論和計算機，對機械結構進行優(yōu)化，并且找到最優(yōu)解。在機械領域中，主要通過對機械機構的工作原理、整體結構和零件尺寸，在特定環(huán)境中進行的設計，同時融合了多個學科。對于某些性能要求比較高的產品，尤其對各個零部件的功能以及其約束和連接方式，外觀的要求，如何減重等進行系統(tǒng)的設計，而不是僅僅對一個結構進行設計和優(yōu)化。通過整體優(yōu)化設計可以使機械功能的綜合性得到提高，能夠大大改善產品的性能，降低整個機械的制作成本。傳統(tǒng)的機械設計主要是依靠手工和工作經驗的積累，在設計過程中常常處于被動狀態(tài)，并不知道產品設計后的真實反映，而采用優(yōu)化設計方法可以很主動地對產品進行設計，能夠保證產品想要達到的設計效果。

2 優(yōu)化方法

圖1 錘式粉碎機

圖2 齒爪式粉碎機

優(yōu)化設計的方法有多種，以遺傳算法為例，介紹主要的優(yōu)化設計過程。遺傳算法的基本思想是模擬自然生物界遺傳、選擇以及淘汰的進化過程的數學計算模型，以種群中的所有個體作為研究對象，并利用隨機化技術對被編碼參數空間進行高效搜索。遺傳算法的計算流程如圖3所示[1]。

（1）表示最開始的編碼。這里對變量矩陣用 x=[x1，x2，x3···，x18]來表示每個參數，xi隨機地在這個范圍內進行取值，每個數代表不同的群體，這些數構成一個種群，設種群數量為Np，因此每個變量對應的變量矩陣為

圖3 遺傳算法基本流程

（2）編碼。染色體需要用按一定方式編碼的字符串表示出來，其中每一位稱為基因，常用的編碼方式有2進制編碼、8進制編碼、16進制編碼等，本章采用2進制編碼，設編碼的位數為Nb。

（3）適應度評價。個體的優(yōu)劣用適應度表示，可用目標函數來衡量某一個體的適應程度。這里需要求函數CΣ的最小值，因此能使CΣ較小的個體是優(yōu)的，使CΣ較大的個體是劣的。

在選擇過程中，對于每個變量，首先將對應的輪盤分成Np個扇區(qū)，扇區(qū)的面積與染色體的適應度是成正比的。再將染色體的適應度進行歸一化處理，并記為[f（x1），f（x2），···，f（xNp），]，歸一化方法見式（1）。

由式（1）計算歸一化適應度的累計分布向量矩陣為[f（x1），f（x1）+f（x2），···1]。

通過分析可以得知，用r來表示機構的運動情況，可以根據r在其變量范圍的變化來進行對比分析。如果f（x1）＜r＜f（x1）+f（x2），則表示其中的一個數值x2被選中。在經過多次“計算”后，就可以在NP個群組中挑出符合的F個群組。經過多次遺傳后，從最后的一組結果中挑選出其中最合適的一個，即為最優(yōu)解。