CC BY
14
4. Novikova G.V., Ziganshin B.G., Belova M.V., Matveeva A.N., Petrova O.I.
EHlektrodinamicheskij analiz rezonatorov, ispol'zuemyh v sverhvysokochastotnyh ustanovkah // Estestvennye i tekhnicheskie nauki. - 2015. - № 6. - S. 286 - 288.
5. SHamin E.A., Ziganshin B.G., Novikova G.V., SHaronova T.V. Analiz uslovij funkcionirovaniya ustanovki dlya otdeleniya mekha ot shkurok krolikov // Vestnik NGIEHI. -2017. - №8 (75). - S. 41 - 47.
6. SHamin E.A., Ziganshin B.G., Novikova G.V. Razrabotka sverhvysokochastotnoj ustanovki s cilindricheskimi rezonatorami dlya sushki pushno-mekhovogo syr'ya v nepreryvnom rezhime // Vestnik NGIEHI. - 2017. - № 9(76). - S. 57 - 64.
7. SHamin E.A., Ziganshin B.G., Belova M.V. Razrabotka aehrodinamicheskoj sushilki pushno-mekhovogo syr'ya s sverhvysokochastotnym ehnergopodvodom // Vestnik NGIEHI. - 2017. - № 10(77). - S. 64 - 71.
УДК 663.915
Доктор техн. наук М.М. БЕЗЗУБЦЕВА (ФГБОУ ВО СПбГАУ, [email protected]) Канд. техн. наук В.С. ВОЛКОВ (ФГБОУ ВО СПбГАУ, [email protected])
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ
В ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ МЕЛЬНИЦАХ
Мельницы с использованием электромагнитного поля представляют собой перспективный тип измельчающего оборудования, предназначенного для однородного смешивания жидких и твердых порошковых веществ с высокими показателями интенсивности, а также тонкого и сверхтонкого измельчения и диспергирования порошковых материалов в пищевой и перерабатывающей отраслях промышленности АПК.
Как показали результаты теоретических и экспериментальных исследований [1, 2], электромагнитные мельницы (ЭМ) отличаются высокой производительностью, надежностью, улучшенным качеством шлифования поверхностей изделий и малой мощностью, расходуемой на управление силовыми нагрузками по частицам перерабатываемого продукта. Дальнейшая успешная реализация аппаратов с электромагнитным способом формирования диспергирующих нагрузок в магнитоожиженном слое ферротел требует более детального изучения влияния скорости относительного смещения рабочих поверхностей ЭМ на структуру распределения ферротел магнитоожиженного слоя и их силовых контактов с частицами перерабатываемого продукта по ширине рабочего объема обработки.
Целью исследований является теоретическое и экспериментальное исследование соотношения между электромагнитными и скоростными режимами работы электромагнитных мельниц, при которых обеспечивается максимизация механических воздействий при минимальных затратах энергии на их формирование.
Материалы, методы и объекты исследования. Объектом исследования являются физико-механические процессы формирования диспергирующих нагрузок при критических скоростных режимах работы электромагнитных мельниц. Использованы методы экспериментально-статистического и дисперсионного анализа. К предмету исследования относятся методики расчета допустимой скорости смещения поверхностей рабочего объема ЭМ, при которой формируются управляемые ударно-истирающие контактные взаимодействия в системе ферроэлементы магнитоожиженного слоя - размалываемые частицы продукта.
Результаты исследования. В ЭМ цилиндрической группы вращение внутреннего цилиндра (рис.1) обуславливает возникновение центробежной силы, которая вызывает оттеснение массы ферротел к наружному неподвижному цилиндру, ограничивающему
250
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
рабочий объем аппарата. В связи с этим индукция электромагнитного поля В, определяющая интенсивность силовых контактов в магнитоожиженном слое ферротел, становится неравномерной по высоте рабочего объема ЭМ, т.е. рабочий объем становится неравноценным в магнитном отношении [3, 4]. Можно утверждать, что при высоких скоростных режимах работы и при постоянном значении м.д.с. обмотки управления в ЭМ сила сцепления между ферротелами ослабевает и большая часть размольных элементов оттесняется к наружному корпусу, что нарушает структуру формирования ударно -истирающих нагрузок и вызывает как снижение энергоэффективности измельчения, так и ухудшение показателей селективности процесса [5].
а б
Рис. 1. Формирование ударно-истирающих нагрузок в магнитоожиженном слое ферротел:
а — с организацией «слоя скольжения» в средней части рабочего объема; б — при высоких значениях центробежной силы (без компенсации действия центробежной силы
с увеличением м.д.с. обмотки управления)
Действие центробежной силы на ферроэлемент, расположенный на поверхности внутреннего цилиндра ЭМ и являющийся основанием структурной цепи, может быть определен по формуле:
¥ = тК0* ,
к~р , (1)
где ¥ — сила, действующая на ферроэлемент магнитоожиженного слоя в центробежном поле;
ш\ — масса ферроэлемента;
Як радиус переориентации ферроэлемента в «слое скольжения» рабочего объема ЭМ при вращения внутреннего цилиндра;
— угловая скорость вращения ферроэлемента.
С учетом зависимости между угловой и линейной скоростями перемещения ферроэлемента на уровне радиуса т2 (радиуса поверхности внутреннего вала ЭМ)
О
Р Г2
выражение для определения центробежной силы примет вид:
(2)
¿7 °2
¥ = т —-
г
Установлено, что действие центробежной силы на ферроэлементы магнитоожиженного слоя в рабочем объеме может быть компенсировано путем повышения значений м.д.с. обмотки (или обмоток) управления ЭМ.
Если предположить, что центробежная сила достигает величины
^ = , (4)
где к1 — коэффициент, характеризующий величину компенсированной центробежной силы за счет увеличения управления обмотками м.д.с.
Рк — величина силового контакта между ферроэлементом и поверхностью рабочего объема ЭМ, то величина линейной скорости ферроэлемента может быть определена по формуле:
1 к 2 . (5)
т
Возможность компенсации действия центробежной силы путем увеличения м.д.с. обмотки управления может быть установлена на основании анализа характеристики
магнитной системы аппарата (рис. 2) и зависимости Рк = , представленной на рис. 3.
Рис. 2. Характеристика ЭМ: Ф — магнитный поток; \у — значение силы тока в обмотке (или обмотках) управления; В — величина электромагнитной индукции в магнитоожиженном слое ферротел
Рис. 3. Зависимость величины силового взаимодействия между ферроэлементами в основании структурной группы с поверхностью внутреннего цилиндра от электромагнитного режима работы ЭМ
Таким образом, если в результате анализа установлено, что работа ЭМ осуществляется на линейной части характеристики Ф = у ) , то можно, увеличивая управляющий ток,
увеличить до определенного предела значение индукции, то есть компенсировать действие центробежной силы.
Тогда коэффициент компенсации и максимально допустимую скорость вращения ротора (или скорость относительного смещения поверхностей рабочего объема) можно определить по формулам:
АВ
В9 (6)
Кг =
Птах = 0Д6.
КРк
т г2
(7)
Если действие центробежной силы на мелющие элементы не компенсируется увеличением силы намагничивания, то это нарушает процесс целенаправленной переориентации ферроэлементов в их магнитоожиженном слое с заданной разностью скоростей, что снижает значение ударно-истирающего силового воздействия на обрабатываемый продукт.
Адекватность представленной математической модели реальным процессам подтверждена результатами экспериментальных исследований. Изучение процесса проведено на примере диспергирования шоколадных масс на промышленном образце ЭМ, представляющим предмет изобретения [6].
Рис. 4. Промышленный образец ЭМ (патент РФ №1457881)
Модельные рецептурные смеси были приготовлены по унифицированным рецептурам из сахарного песка и какао-крупки, имеющих органолептический показатель пс - 2 [7]. Показатель был использован также для характеристики физико-химических свойств обработанной на ЭМ шоколадной массы (жирность, консистенция смеси).
В результате экспериментальных исследований установлена зависимость между величинами В и п, обеспечивающая максимизацию степени измельчения смеси. Так, наибольшая дисперсность продукта 99% достигается в режимах работы ЭМ: В = 0,4 Тл и п = 26,8 с-1.
Произведен сравнительный анализ экспериментальных и расчетных данных, который показал достаточно хорошую их сходимость (таблица).
Таблица. Экспериментальные и расчетные значения экстремальной частоты вращения внутреннего цилиндра ЭМ
№ п/п Величина индукции в рабочем объеме Экстремальная частота вращения внутреннего цилиндра Цдоп, с-1
В, Тл Экспериментальная Ццоп.э Теоретическая цдоп.т Дп
1 0,2 20,5 20,54 0,04
2 0,25 22,5 22,62 0,22
3 0,3 24,2 24,27 0,07
4 0,4 26,7 26,85 0,15
Выводы. Таким образом, установлено, что степень компенсации действия центробежной силы на размольные элементы можно оценить в процессе расчета и проектирования ЭМ. Это дает возможность, задаваясь электромагнитным режимом работы устройства в конкретной технологической схеме, установить предельно допустимую частоту вращения внутреннего цилиндра, обеспечивающую максимизацию дисперсности обрабатываемой смеси при минимальных энергозатратах на формирование магнитоожиженного слоя в рабочем объеме ЭМ.
Литература
1. Беззубцева М.М., Волков В.С. Энергокинетические закономерности электромагнитной механоактивации: монография. - СПб.: СПбГАУ, 2016. - 270 с.
2. Логвиненко Д.Д., Шеляков О.П. Интенсификация технологических процессов в аппаратах с вихревым слоем. - Киев: Издательство "Техника", 1976. - 144 с.
3. Закинян А.Р., Нечаева О.А. Магнитная проницаемость магнитодиэлектрических эмульсий во вращающемся магнитном поле // Фундаментальные исследования. - 2013. - № 1-2. - С. 384-391
4. Juha Pyrhonen, Tapani Jokinen, Valéria Hrabovcová. Design of Rotating Electrical Machines. - John Wiley and Sons, 2009. - P. 232. - ISBN 0-470-69516-1.
5. Беззубцева М.М., Волков В.С. Исследование селективности процесса измельчения в электромагнитных механоактиваторах: монография. - СПб.: СПбГАУ, 2017. - 248 с.
6. Патент России № 1457881. 1989. Электромеханическое устройство для обработки шоколадных масс / Пуговкин П.Р., Беззубцева М.М.; Бюл. № 45.
7. Лурье И.С. Технология кондитерского производства. - М.: Агропромиздат, 1992. - 399 с.
Literatura
1. Bezzubceva M.M., Volkov V.S. EHnergokineticheskie zakonomernosti ehlektromagnitnoj mekhanoaktivacii: monografiya. - SPb.: SPbGAU, 2016. - 270 s.
2. Logvinenko D.D., SHelyakov O.P. Intensifikaciya tekhnologicheskih processov v apparatah s vihrevym sloem. - Kiev: Izdatel'stvo "Tekhnika", 1976. - 144 s.
3. Zakinyan A.R., Nechaeva O.A. Magnitnaya pronicaemost' magnitodiehlektricheskih ehmul'sij vo vrashchayushchemsya magnitnom pole // Fundamental'nye issledovaniya. - 2013. - № 1-2. -S. 384-391
4. Juha Pyrhonen, Tapani Jokinen, Valeria Hrabovcova. Design of Rotating Electrical Machines. - John Wiley and Sons, 2009. - P. 232. - ISBN 0-470-69516-1.
5. Bezzubceva M.M., Volkov V.S. Issledovanie selektivnosti processa izmel'cheniya v ehlektromagnitnyh mekhanoaktivatorah: monografiya. - SPb.: SPbGAU, 2017. - 248 s.
6. Patent Rossii № 1457881. 1989. EHlektromekhanicheskoe ustrojstvo dlya obrabotki shokoladnyh mass / Pugovkin P.R., Bezzubceva M.M.; Byul. № 45.
7. Lur'e I.S. Tekhnologiya konditerskogo proizvodstva. - M.: Agropromizdat, 1992. - 399 s.
Канд. техн. наук А.Г. ПИРКИН (ФГБОУ ВО СПбГАУ, [email protected])
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПОТОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА В АГРАРНОМ СЕКТОРЕ ЭКОНОМИКИ
В современной аграрной экономике поточное производство можно рассматривать как основу функционирования любого перерабатывающего предприятия. С технологической точки зрения поточное производство представляет собой некоторую взаимосвязанную совокупность машин, механизмов, аппаратов, энерготехнологического оборудования (ЭТО), выполняющих единый технологический процесс [ 1].
В связи с тем, что поточное производство в аграрном секторе экономики является мощным потребителем энергоресурсов, актуальность настоящей статьи не вызывает сомнений.
Цель исследования - разработка и апробация универсальной методики оценки эффективности функционирования ЭТО поточного производства по переработке сельскохозяйственной продукции. Разработка данной методики базируется на общей методологии оценки эффективности функционирования поточных линий, изложенной в работе [2]. Вышеназванная методология основана на использовании системно-процессного подхода к оценке эффективности сложных энерготехнологических систем [3].
Поскольку все процессы поточного производства протекают в условиях воздействия многочисленных случайных факторов, предлагаемая методика будет базироваться на использовании метода вероятностного моделирования [4]. Результаты моделирования будем представлять в виде математических ожиданий объемов выпущенной продукции с использованием поточного производства МО\П\.
Материалы, методы и объекты исследования. В рамках предлагаемой методики будем различать производственную (технологическую) и экономическую эффективность поточного производства.
Методика оценки эффективности ЭТО предполагает выполнение следующих этапов:
- формирование структурной схемы поточного производства;
- выбор производственного и экономического критерия оценки эффективности;
- разработка графа состояний энерготехнологических поточных линий (ЭТЛ);
- решение системы алгебраических уравнений для определения финальных вероятностей состояний исследуемой системы (поточного производства);
оценка производственной и экономической эффективности поточного производства.
Методику будем рассматривать с привязкой к конкретной структурной схеме поточного производства (рис. 1).
Представленная структура описывает параллельную работу двух ЭТЛ, выпускающих одинаковую продукцию. Параллельно работающие линии существенно повышают надежность поточного производства, а следовательно, и увеличивают объем выпускаемой продукции [4].
