CC BY
36
УДК 663.91522 DOI 10.24411/2078-1318-2020-11137
Доктор техн. наук М.М. БЕЗЗУБЦЕВА (ФГБОУ ВО СПбГАУ, mysnegana@mail.ru) Канд. техн. наук В.С. ВОЛКОВ (ФГБОУ ВО СПбГАУ, vol9795@yandex.ru) Аспирант Х.А. АБДУРАХМАНОВ (ФГБОУ ВО СПбГАУ, hasanjon-93@mail.ru)
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МАГНИТООЖИЖЕННОМ СЛОЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ДИСПЕРГАТОРОВ
Важное место среди технологий, обеспечивающих тонкое диспергирование материалов, занимает процесс электромеханической активации, который позволяет создавать принципиально новые аппаратурно-технологические системы в производствах АПК с обеспечением снижения энергоемкости готовой продукции [1]. Методами электромеханической активации можно получать уникальные свойства материала, которые другими методами обеспечить практически невозможно. Обычно получение порошков тонких фракций получают механическим диспергированием, что априори не позволяет обеспечить высокий показатель селективности процесса. При этом частицы продукции имеют широкий диапазон дисперсности, что требует внедрения в технологическую линию производства дополнительного оборудования - классификаторов. Как показала практика [2], получение однородного гранулометрического состава перерабатываемого материала в заданном технологией диапазоне размера частиц на одной стадии диспергирования и в одном аппарате возможно в магнитоожиженном слое феррочастиц размольных элементов при использовании двух потоков энергии - энергии электромагнитного поля и энергии от приводного электродвигателя. В этом случае обеспечивается принцип синергии энергетических потоков, способствующий значительному возрастанию силовых контактов в магнитоожиженном слое ферротел.
Цель исследования - установить механизм формирования магнитоожиженного слоя в рабочем объеме электромеханического диспергатора. Выявить зависимость изменения основных силовых параметров в магнитоожиженном слое ферротел сферической формы от индукции электромагнитного поля в рабочем объеме электромеханического диспергатора.
Материалы, методы и объекты исследований. Исследование физико-механических процессов в магнитоожиженном слое ферротел электромеханических диспергаторов проведено с использованием теории подобия магнитных систем.
Результаты исследований. Силовое воздействие на ферротела магнитоожиженного слоя в электромеханических диспергаторах обеспечивает возникновение следующих эффектов: появление новых положений равновесия и видов движения; изменение собственных частот малых колебаний; превращения сухого трения в вязкое; разрыхление дисперсной среды; возникновение интенсивного механического взаимодействия между частицами и объемами многокомпонентных систем.
По ряду фундаментальных свойств и характеру взаимодействия с внешними электромагнитными полями гетерогенные дисперсные системы, в которых диспергированной фазой являются ферромагнитные частицы, можно разделить на два класса [3]. К первому относятся магнитные жидкости: ферроколлоиды и магнитореологические суспензии. Второй класс - тонкодисперсные системы, в которых образование магнитовибрирующего слоя обеспечивается действием электромагнитного поля. Влияние внешнего электромагнитного поля на поведение системы связано с его ориентирующим действием на отдельные частицы и структуры (цепочки, кластеры), образующиеся за счет поверхностных диполь - дипольных и лоренцевских взаимодействий.
Экспериментальные работы на моделях сферических шаров из магнитожестких материалов показывают, что в естественных кластерах образуется макровихревое
упорядочение магнитных моментов отдельных частиц и магнитный момент кластера оказывается меньше простой суммы магнитных моментов частиц в кластере из-за замыкания их магнитных потоков [4]. Образующиеся агрегаты (кластеры) можно рассматривать как пористые частицы, имеющие внешнюю (геометрическую) и развитую внутреннюю поверхность. Размер пор зависит от формы и размеров самих частиц и развитости их поверхности. Проблема зарождения и устойчивого существования пространственных образований - структур в начально не текстурированных средах, является одной из наиболее принципиальных и в то же время трудных проблем теории неравновесных сред. Эти особенности магнитных материалов (в рассматриваемом случае феррочастиц магнитоожиженного слоя) вызывают основные затруднения при измерении их физико-технологических характеристик и объясняют расхождения в результатах измерений, полученных различными методами.
С целью изучения физико-механических процессов постадийного формирования диспергирующих нагрузок в магнитоожиженном слое ферротел под действием двух потоков энергии разработано устройство и проведены исследования по обоснованию параметров электромагнитных полей, влияющих на кластер формирования диспергирующих нагрузок в ферродинамической среде размольных органов шарообразной формы в рабочем объеме электромеханических диспергаторов.
Для исследований в условиях магнитовибрирующего слоя разработано опытно-экспериментальное электромагнитное устройство, схема которого представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для статических испытаний: 1 - сердечник с подвижными полюсами электромагнита; 2 - обмотка управления; 3 - кювета с исследуемым заполнителем; 4 - стальная лента с динамометром; 5 - виброкипящий слой; 6 - регулировочный реостат;
А и V - соответственно, амперметр и вольтметр в цепи обмотки управления
Для получения устойчивого режима магнитокипения включается постоянное поле, создаваемое электромагнитом 1. Ферромагнитные размольные элементы в рабочей кювете переходят в режим магнитокипения. Системы ферромагнитных частиц можно моделировать однодоменной структурой, в которой энергетически выгодно исчезновение энергии граничных слоев. В результате такая частица обладает внешним магнитным потоком, что и приводит к сильному межчастичному взаимодействию магнитостатической природы. Процесс образования кластеров может усиливаться за счет когезионного взаимодействия из-за сильно
развитой поверхности феррочастиц. В дисперсных гетерогенных системах ферромагнитных частиц с помощью электромагнитного поля образуется магнитовибрирующий слой [5, 6], т.е. взвешивание частиц в жидкостях (при диспергировании дисперсной фазы в суспензиях) и в газе (порошковое измельчение, криоизмельчение), и приведение их в состояние интенсивного движения.
Движение кластера в магнитном поле заданной топологии можно представить как суперпозицию поступательного и вращательного движений. Исследования динамики физико-механических процессов проведено на макете, моделирующем рабочий объем электромеханического диспергатора ЭМД (рис. 2). В качестве приведенного двигателя Д применялся асинхронный короткозамкнутый электродвигатель типа 4А80А6У3 (0,75 кВт). Трехфазный ток для распределительного типа и пускателя нереверсивного типа ПМЕ-212. Питание обмотки управления устройства осуществлялось от регулируемого источника постоянного тока. Осцилографирование процессов осуществлялось шлейфовым осциллографом типа Н-102. Измерение температуры проведено термопарой (ВК). Записывались следующие параметры: ток управления устройства; скорость вращения вала устройства; временные отметки.
3-50 Гц. 380/220В
Рис. 2. Принципиальная схема установки для исследований динамики физико-механических процессов в магнитоожиженном слое ферротел
Рис. 3. Кластер формирования электромеханического способа диспергирования: 1, 2 - поверхности, ограничивающие рабочую камеру электромеханического диспергатора;
3 - магнитоожиженный слой
На начальном этапе происходит разрушение кластеров до отдельных частиц, во-первых, за счет соударения кластеров друг с другом и, во-вторых, за счет относительного перемещения частиц в кластере под действием сил, обусловленных вращением электродвигателя. Отдельные частицы ферромагнитного материала совершают под действием сил магнитного поля колебательное движение, и при взаимодействии с частицами перерабатываемого материала воздействуют на него ударно-истирающими нагрузками.
Анализ работ [6, 7, 8] показал, что наиболее объективным критерием для описания закономерностей физико-механических процессов в магнитоожиженном слое ферротел является вытекающее из теории подобия постоянство соотношения между такими характеристиками, как линейные размеры магнитопровода этих устройств и магнитные свойства всей рассматриваемой системы ферромагнетиков. Применение теории подобия позволяет параметр напряженности электромагнитного поля в рабочем объеме электромеханического диспергатора описать одной и той же функцией. При этом вводится такое понятие, как нормированная координата - r/L (здесь r - векторная координата точки рабочего объема диспергатора, а L - характерный размер, определяющий габариты магнитной системы рассматриваемого устройства).
При описании магнитного поля в магнитоожиженном слое ферротел (размольных элементов) в электромеханических диспергаторах примем следующие критерии: критерий % = r/Ro (здесь Ro - радиус размольного элемента) и критерий у= Фи/5=£ср [4, 7, 8]. Критерий О определяет среднее Вср по сечению S значение индукции магнитного поля В в рабочем объеме электромеханических диспергаторов c ферромагнитной средой, характеризующейся коэффициентом заполнения кзап .
Для рассматриваемой системы (рабочий объем с магнитоожиженным слоем ферротел) применима следующая функциональная зависимость:
B(r, О = f (К). (1)
При этом функция f (%О) не зависит от радиуса ферромагнитного размольного элемента. Выражение для силового параметра у в рассматриваемом магнитоожиженном слое при индукции возбуждения О имеет вид [4, 7, 9, 10]:
r = ± F (%,0,О)dF (%0О)
R0
d%
(2)
где х е [0,1]; С = Фп^=Вср - индукция возбуждения в рабочем объеме, заполненном ферромагнитными размольными элементами.
На рисунке 4 представлена графическая зависимость F( j,0,Ç )= f (j) при различных параметрах электромагнитного поля в магнитоожиженном слое ферротел рабочего объема электромеханического диспергатора.
Рис. 4. Графики зависимости F( j,0, Ç) = f ( j) при различных параметрах электромагнитного поля в магнитоожиженном слое ферротел (размольных элементов) электромеханического диспергатора
Выводы. Установлен механизм формирования магнитоожиженного слоя в рабочем объеме электромеханического диспергатора с использованием двух потоков энергии -энергии электромагнитного поля и энергии от приводного электродвигателя. В этом случае обеспечивается принцип синергии энергетических потоков, способствующий значительному возрастанию силовых контактов в магнитоожиженном слое ферротел. В результате исследований физико-механических процессов получена зависимость, характеризующая изменение основных силовых параметров в магнитоожиженном слое ферротел сферической формы от индукции электромагнитного поля в рабочем объеме электромеханического диспергатора. Полученные модели позволяют проектировать типовые ряды электромеханических диспергаторов на заданные технологией характеристики силовых и энергетических параметров.
1. Беззубцева М.М., Волков В.С. Механоактиваторы агропромышленного комплекса. Анализ, инновации, изобретения: монография. - СПб: СПбГАУ, 2014. - 162с.
2. Беззубцева М.М., Волков В.С., Котов А.В., Обухов К.Н. Научное обоснование внедрения импортозамещающего способа электромагнитной механоактивации в аппаратурно-технологические системы шоколадного производства: монография. - СПб.: СПбГАУ, 2016. -
3. Бабичев А.П., Вернигоров Ю.М., Фролова Н.Н. Режимы работы устройства тонкого помола порошка SmCo5 // Машиностроительные технологии и инструменты. - 2012. - № 6 (296). - C. 64-70.
4. Беззубцева М.М., Волков В.С. Прикладные исследования электромагнитных механоактиваторов // Saarbrucken Lambert academic publishing. - 2016. - 180 с.
5. Bezzubtseva M.M., Volkov V.S. The issue research reliable operation of the with magnetic liquefaction layer // International Journal Of Applied And Fundamental Research. - 2016. - № 1. -URL: www.science-sd.com/463-24972 (дата обращения: 03.09.2016).
Литература
197 с.
6. Болога М.К. Некоторые особенности магнитоожижения дисперсных систем // Магнитная гидродинамика. - 1981. - № 4. - С.3-4.
7. Vernigorov J.M. Magnetic Wave Technology of Grinding Slime Separation Solid State Phenomena, September 2017, Trans Tech Publications/DOI: 10.4028/www.scientific.net/ ssp.265.1020 Solid State Phenomena, Vol. 270, pp. 120-125, 2017.
8. Алабужев П.М., Геронимус В.Б., Минкевич Л.М., Шеховцев Б.А. Теория подобия и размерностей. Моделирование. - М.: Высш. школа, 1968. - 208 с.
9. Буль Б.К. Основы теории и расчета магнитных цепей. - М.: Энергия, 1964. - 464 с.
10.Мясников Н.Ф. Полиградиентные магнитные сепараторы. - М.: Недра, 1973. - 160с.
Literatura
1. Bezzubceva M.M., Volkov V.S. Mekhanoaktivatory agropromyshlennogo kompleksa. Analiz, innovacii, izobreteniya: monografiya. - SPb: SPbGAU, 2014. - 162s.
2. Bezzubceva M.M., Volkov V.S., Kotov A.V., Obuhov K.N. Nauchnoe obosnovanie vnedreniya importozameshchayushchego sposoba elektromagnitnoj mekhanoaktivacii v apparaturno-tekhnologicheskie sistemy shokoladnogo proizvodstva: monografiya. - SPb.: SPbGAU, 2016. - 197 s.
3. Babichev A.P., Vernigorov YU.M., Frolova N.N. Rezhimy raboty ustrojstva tonkogo pomola poroshka SmCo5 // Mashinostroitel'nye tekhnologii i instrumenty. - 2012. - № 6 (296). - C. 64-70.
4. Bezzubceva M.M., Volkov V.S. Prikladnye issledovaniya elektromagnitnyh mekhanoaktivatorov // Saarbrucken Lambert academic publishing. - 2016. - 180 s.
5. Bezzubtseva M.M., Volkov V.S. The issue research reliable operation of the with magnetic liquefaction layer // International Journal Of Applied And Fundamental Research. - 2016. - № 1. -URL: www.science-sd.com/463-24972 (data obrashenya: 03.09.2016).
6. Bologa M.K. Nekotorye osobennosti magnitoozhizheniya dispersnyh sistem // Magnitnaya gidrodinamika. - 1981. - № 4. - S.3-4.
7. Vernigorov J.M. Magnetic Wave Technology of Grinding Slime Separation Solid State Phenomena, September 2017, Trans Tech Publications / DOI: 10.4028/www.scientific.net/ ssp.265.1020 Solid State Phenomena, Vol. 270, pp. 120-125, 2017.
8. Alabuzhev P.M., Geronimus V.B., Minkevich L.M., SHekhovcev B.A. Teoriya podobiya i razmernostej. Modelirovanie. - M.: Vyssh. shkola, 1968. - 208 s.
9. Bul' B.K. Osnovy teorii i rascheta magnitnyh cepej. - M.: Energiya, 1964. - 464 s.
10.Myasnikov N.F. Poligradientnye magnitnye separatory. - M.: Nedra, 1973. - 160s.
УДК 535.24:577.34 DOI 10.24411/2078-1318-2020-11142
Доктор техн. наук С.А. РАКУТЬКО (ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, elena.rakutko@mail.ru) Научный сотрудник Е.Н. РАКУТЬКО (ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, elena.rakutko@mail.ru)
Аспирант А.Н. ВАСЬКИН (ФГБОУ ВО СПбГАУ, vaskin32@mail.ru)
СПОСОБ ОЦЕНКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В СВЕТОКУЛЬТУРЕ ПО СТАБИЛЬНОСТИ РАЗВИТИЯ ОБЛУЧАЕМЫХ РАСТЕНИЙ
Оптическое излучение (ОИ), поглощаемое зеленым листом, обеспечивает фотосинтез в растениях и получение полезной продукции в светокультуре. В целях обеспечения максимальной продуктивности выращиваемых растений при минимуме энергетических затрат применяют дополнительное облучение от искусственных источников света (ИС).
Использование искусственного ОИ, получаемого даже с помощью современных ИС (светодиодов), характеризуется весьма невысокой эффективностью, поскольку сопряжено с большими потерями энергии на всех этапах ее преобразования [1]. Поэтому на практике
важным вопросом является выявление отклика растений на световые условия их выращивания, т.е. оценка степени действия ОИ на растения.
В современной интенсивной светокультуре оценка действия ОИ необходима для обоснованного выбора ИС, обеспечивающих оптимальные световые условия, для достижения технологической и экономической эффективности производства при соблюдении требований к экологичности продукции [2].
Известен способ оценки действия ОИ на растения, заключающийся в том, что измеряют ту часть поглощаемой энергии потока ОИ, которая используется в процессе фотосинтеза и соответствует спектральной чувствительности среднего растения данного вида [3]. Недостатком такого способа является то, что в качестве критерия действия излучения на растения используют накопление ими органического вещества, без учета качества получаемой продукции, ее экологичности.
Известен способ оценки действия ОИ по продолжительности вегетации и урожаю растений, выращиваемых при заданной облученности и различном спектральном составе излучения, задаваемого соотношением энергии в отдельных спектральных диапазонах ФАР [4]. Недостатками известного способа является то, что используют хозяйственные признаки, а именно: продолжительность вегетации и величину урожая, без учета экологичности и качества получаемой продукции, а также длительность экспериментов, связанная с большим сроком выращивания растений до получения полезной продукции.
Наиболее близким к предлагаемому является способ, при котором растения выращивают в регулируемых условиях световой среды, определяют оценку действия по изменению морфофизиологического признака растений, в качестве признака используют величину объема семядолей проростка [5]. Недостатки известного способа - невысокая точность определения объема семядолей, связанная с необходимостью измерения их толщины, длительность и неудобство проведения измерений геометрических размеров семядолей.
Стабильность развития растений формируется во взаимодействии случайных событий в организме растения и их способности точно следовать программе, заложенной в генотипе, сопротивляясь воздействиям окружающей среды во время развития для формирования оптимального фенотипа. Недостаточное качество среды выращивания выражается в явлении нестабильности развития. Внешним проявлением нестабильности развития растений на макроуровне является явление флуктуирующей асимметрии (ФА) отдельных морфологических структур. Уровень ФА является минимальным лишь при оптимальных условиях среды и возрастает при любых стрессовых воздействиях. Это позволяет использовать ФА как индикатор стабильности развития организмов, характеризующий даже незначительные отклонения параметров среды от фонового состояния [6]. Используя эффект чувствительности стабильности развития растения к параметрам световой среды, появляется возможность принять уровень ФА за индикатор состояния растения, по которому можно оценивать действие ОИ на растения.
Вследствие прикрепленного образа жизни растения имеют высокий уровень пластичности в реакциях на световые условия [7]. Оптические свойства листьев зависят от многих факторов [8], поэтому могут выступать как индикаторы их комплексной физиологии в широком диапазоне условий окружающей среды.
Определение ФА по геометрическим размерам представляет определенные сложности и неудобства, связанные с низкой точностью таких измерений, длительностью и неудобством их проведения. Более удобным является применение бесконтактного метода измерения оптических свойств органов растений. В физиологических процессах, протекающих в растении под действием ФАР, участвует лишь та его часть, которая поглощается растительными тканями [9, 10]. Такие пигменты листа растения, как хлорофиллы, каротиноиды и антоцианы, поглощают излучение в определенных спектральных диапазонах и их содержание может быть оценено по оптическим свойствам листа, в частности, по его
