Научная статья на тему 'Исследование структуры магнитного поля в электромеханических диспергаторах'

Исследование структуры магнитного поля в электромеханических диспергаторах Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
58
25
Читать
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
электромеханические диспергаторы / строение магнитного поля / проектирование / electromechanical dispersants / magnetic field structure / design

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — М М. Беззубцева, В С. Волков

В статье представлены результаты инновационных научных исследований электромеханических диспергаторов, представляющих практическую основу для проектирования энергоэффективных аппаратов для измельчения сельскохозяйственного сырья различного целевого назначения. На современном этапе научного развития тема разработки энергоэффективных диспергаторов, обеспечивающих высокую селективность процесса измельчения сельскохозяйственного сырья, является актуальной. Приведены результаты авторских исследований способа и техники механоактивации, основанных на использовании энергии постоянного по знаку и регулируемого по величине электромагнитного поля, воздействующего на магнитоожиженный слой ферромагнитных размольных элементов рабочего объема аппаратов различного конструктивного исполнения. Особое внимание уделено разработке методических подходов для решения задач проектирования аппаратов с магнитоожиженным слоем ферротел. Особенностью излагаемых расчетных методов является их направленность на решение задач снижения энергоемкости перерабатываемой продукции при одновременном улучшении качественных показателей готовых изделий. Анализ эффективности управления проведен на базе исследований строения магнитного поля в рабочем объеме исследуемых аппаратов. Выявлено, что по высоте рабочего зазора магнитное поле является равномерно-радиальным, причем его параметры (напряженность и индукция) увеличиваются по радиусу устройств к внутренней цилиндрической поверхности, составляющей рабочий объем, по линейному закону. Анализ полученных зависимостей показывает, что при проектировании электромеханических диспергаторов цилиндрических конструкций для обеспечения высоких регулировочных способностей аппаратов корпус необходимо изготавливать из магнитного материала с высоким значением магнитной проницаемости и индуктивности насыщения. Представленные в статье результаты исследований носят прикладной характер и содержат практические рекомендации для совершенствования характеристик существующих в настоящее время электромеханических диспергаторов, внедрение которых в технологические линии позволит повысить энергоэффективность производств отечественной промышленности. Исследования выполнены по научной школе профессора Беззубцевой М.М. «Эффективное использование энергии, интенсификация электротехнологических процессов», зарегистрированной в реестре ведущих научных школ СПб (протокол No 2/13 от 09.12.13).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Предварительный просмотрDOI: 10.24411/2078-1318-2019-12135
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE STUDY OF THE MAGNETIC FIELD STRUCTURE IN ELECTROMECHANICAL DISPERSANTS

The article presents the results of innovative scientific research of Electromechanical dispersants, which provide a practical basis for the design of energy-efficient devices for grinding agricultural raw materials for various purposes. At the present stage of scientific development, the theme of the development of energy-efficient dispersants, providing high selectivity of the process of grinding agricultural raw materials, is relevant. The results of the author's research of the method and technique of mechanical activation, based on the use of energy constant in sign and controlled by the magnitude of the electromagnetic field acting on the magneto-liquid layer of ferromagnetic grinding elements of the working volume of devices of various designs. Special attention is paid to the development of methodological approaches to solving the problems of designing devices with a magneto-fluidized Ferrotel layer. The peculiarity of the presented calculation methods is their focus on solving the problems of reducing the energy intensity of processed products while improving the quality of finished products. The analysis of control efficiency is carried out on the basis of studies of the structure of the magnetic field in the working volume of the studied devices. It is revealed that the height of the working gap of the magnetic field is uniformly radial, and its parameters (voltage and induction) are increased by the radius of the devices to the inner cylindrical surface of the working volume, linearly. The analysis of the obtained dependences shows that in the design of Electromechanical dispersants of cylindrical structures to ensure high adjusting abilities of the devices, the body must be made of a magnetic material with a high value of magnetic permeability and inductance of saturation. The results of the research presented in the article are of applied nature and contain practical recommendations for improving the characteristics of the currently existing Electromechanical dispersants, the introduction of which in the production lines will improve the energy efficiency of domestic industries. The research was carried out at the scientific school of Professor M. M. Bezzubtseva "Efficient use of energy, intensification of electrotechnological processes", registered in the register of leading scientific schools of St. Petersburg (Protocol No. 2/13 of 09.12.13).

Текст научной работы на тему «Исследование структуры магнитного поля в электромеханических диспергаторах»

5. Патент на изобретение №2638904. Способ измерения потерь мощности от несинусоидальных токов в трёхфазных трансформаторах и четырёхпроводных линиях электропередачи / Ф.Д. Косоухов, А.О. Филиппов, Н.В. Васильев, Н.Ю. Криштопа, З.Р. Галиева, А.С. Паутов. Зарегистрировано 18 декабря 2017 г.

Literatura

1. Vasil'ev N.V. Snizhenie poter' elektricheskoj energii v seti 0,38 kV, obuslovlennyh nelinejnost'yu teplichnyh obluchatel'nyh ustanovok putyom modernizacii puskoreguliruyushchej apparatury: dis. ... kand. tekhn. nauk. - SPb., 2008. - S. 136.

2. GOST 32144-2013. Elektricheskaya energiya. Sovmestimost' tekhnicheskih sredstv elektromagnitnaya. Normy kachestva elektricheskoj energii v sistemah elektrosnabzheniya obshchego naznacheniya. - M.: Standartinform, 2014.

3. Drekhsler R. Izmerenie i ocenka kachestva elektroenergii pri nesimmetrichnoj i nelinejnoj nagruzke / Per. s cheshsk. - M.: Energoatomizdat, 1985. - 112 s.

4. Kosouhov F.D., Vasil'ev N.V, Kuznecova E.S. Novye nauchnye napravleniya v energosberezhenii v tryohfaznyh transformatorah i chetyryohprovodnyh liniyah pri nesimmetrichnoj, nelinejnoj i reaktivnoj nagruzkah // Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2017. - №2(47) - S. 300 - 309.

5. Patent na izobretenie №2638904. Sposob izmereniya poter' moshchnosti ot nesinusoidal'nyh tokov v tryohfaznyh transformatorah i chetyryohprovodnyh liniyah elektroperedachi / F.D. Kosouhov, A.O. Filippov, N.V. Vasil'ev, N.YU.Krishtopa, Z.R. Galieva, A.S. Pautov. Zaregistrirovano 18 dekabrya 2017 g.

УДК 663.91522 DOI 10.24411/2078-1318-2019-12135

Доктор техн. наук М.М. БЕЗЗУБЦЕВА (ФГБОУ ВО СПбГАУ, mysnegana@mail.ru) Канд. техн. наук В.С. ВОЛКОВ (ФГБОУ ВО СПбГАУ, vol9795@yandex.ru)

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ДИСПЕРГАТОРАХ

На современном этапе научного развития тема разработки энергоэффективных диспергаторов, обеспечивающих высокую энергетическую эффективность и селективность процесса измельчения сельскохозяйственного сырья, является актуальной. Как показала практика, известные в настоящее время диспергаторы с механическим способом формирования диспергирующих нагрузок не отвечают современным требованиям производства как по высокому значению энергоемкости готового продукта, так и по низким качественным показателям [1]. Одним из основных требований, предъявляемых к качеству продукции во многих производствах, является монодисперсность фракционного состава [2, 3, 4]. Механические диспергаторы не обеспечивают условий селективного (избирательного) измельчения материала, что требует введения в аппаратурно-технологические системы переработки сырья дополнительного оборудования — классификаторов. Это усложняет схему процесса измельчения при одновременном снижении показателей энергоэффективности предприятий и повышении стоимости готовых изделий. В последние годы интенсивно развивается направление по созданию диспергаторов, использующих энергию электромагнитных полей для формирования диспергирующих нагрузок [5]. Эти аппараты отличаются высокой локальной интенсивностью воздействия на частицы материала при минимальных затратах энергии. Дальнейшее развитие этого направления на

базе теоретических и фундаментальных исследований физико-механических процессов диспергирования в магнитоожиженном слое ферротел позволит создать энергоэффективные аппараты для предриятий АПК.

Цель исследований - теоретические основы формирования условий измельчения материалов в электромеханических диспергаторах, обеспечивающих повышение селективности и энергоэффективности процессов переработки сырья растительного и животного происхождения.

Материалы, методы и объекты исследования. Объектом исследования являются электромеханические диспергаторы. К предмету исследования относятся закономерности формирования равномерного силового поля в рабочих объемах электромеханических диспергаторов.

Результаты исследования. В электромеханических диспергаторах цилиндрического исполнения [5] интенсивность и селективность процесса измельчения материалов [6] определяется равномерностью распределения ударно-истирающих нагрузок в контактных системах магнитоожиженного слоя ферротел через прослойку перерабатываемого продукта. На основании анализа исследований [6] установлено, что основными факторами, определяющими равномерность распределения нагрузки в рабочих объемах электромеханических диспергаторов цилиндрического исполнения, являются:

- фактор воздействия центробежной силы на ферротела магнитоожиженного слоя (на размольные элементы);

- распределение магнитных силовых линий в рабочей зоне переработки продукта;

- величина магнитной индукции в зоне контактных взаимодействий «размольный элемент - частица продукта - размольный элемент»;

- отсутствие участков аппаратов с насыщенным состоянием стали магнитопровода.

Схема исследуемых рабочих зон электромеханических диспергаторов цилиндрического исполнения представлена на рис. 1.

цилиндрического исполнения:

ёк - элемент рабочего зазора; Я1, Я2 - радиусы цилиндрических образующих рабочего зазора; 2Ь0 - высота рабочего зазора; Ф - магнитный поток, проходящий через элементы диспергатора; 1 и 2 - контуры циркуляции вектора напряженности Н

На рис. 2 приведена схема расчетного элемента рабочего зазора.

Рис. 2. Схема расчетного элемента рабочего зазора

Диаграмма вектора напряженности в исследуемом зазоре электромеханического диспергатора цилиндрического исполнения приведена на рис. 3.

н 1

н 1

Рис. 3. Диаграмма вектора напряженности в исследуемом объеме электромеханического

диспергатора

Магнитный поток Ф, проходящий через элементы устройства, определен формулой:

Ф = и § Н 0 с®к, (1)

Sk р=Я1

где и0 — магнитная проницаемость рабочего зазора.

На основании закона полного тока

§ НсЧс = Жу 1У , (2)

получены следующие выражения для контуров циркуляции вектора напряженности Н:

Н1рК + Н1рК =о > (3)

Н1сРК + Н2срК = ° • (4)

В выражениях (3) и (4) электрический ток, протекающий по обмотке управления, размещенной в корпусе электромеханического диспергатора, идеализирован одним витком ю с нулевым диаметром провода и током г [7]. Также принято допущение, что /ЛК = да (т.е. конструктивные элементы аппарата выполнены из материалов с высоким значением магнитной проницаемости ¡и). При этом магнитный поток входит в поверхность конструктивных элементов диспергатора под прямым углом.

Анализ представленных выражений позволяет сделать вывод, что при принятых допущениях величина напряженности по высоте диспергатора имеет одинаковое значение, то есть магнитное поле в рабочем зазоре исследуемых аппаратов имеет равномерно-радиальную структуру:

Н1СР = Н 2СР = НСР (5)

Выражение для определения среднего значения напряженности в электромеханических диспергаторах цилиндрических конструкций имеет вид:

НСР (6)

2( Я,- Д2)

- СР

21 Я - Я2

На основании закона непрерывности магнитного потока можно записать:

Ф, = 2пЩ0В,. Ф 2 = 2ЛЯ}, В2

(7)

(8) или

Ф, = 2лЩоМоН,; (9)

Ф 2 = 2лЯ21ои0 Н2, (10)

где В1, Н1 — величина индукции и напряженности магнитного поля на наружной поверхности, ограничивающей исследуемый элемент рабочего зазора.

В2, Н2 — величина индукции и напряженности магнитного поля на внутренней поверхности, ограничивающей исследуемый элемент рабочего зазора.

Из анализа выражений (9) и (10) следует, что параметры магнитного поля возрастают по линейному закону в радиальном направлении от внешней к внутренним поверхностям рабочего зазора устройства:

и

В_А_ В ^2

Н 2 _ А, Н1 А2

(11)

Тогда расчетные формулы для определения напряженности Но и индукции Во магнитного поля в любой точке рабочего объема на уровне радиуса р (Я2 < р < Я1) примут вид:

Во =

_ т(А + А - р)

2 2 9

А - А

МоО>1(А + А2 -р)

А - Я

(12) (13)

На участке «I - а», представленном на схеме аппарата (рис. 4), магнитная энергия определена выражениями:

ТТ^-а 1 Г^Г^Г21 Я2 "(А + А -р)2

Жз _ 2^0Ц (- ^ ёрёфёк

^П [ + А2)2 - 2(А + А,) А; - А/2 3

Ж 3 _

1

(А -А) + 4А:-А2) ]

1 + 4 ^ +

/ \2

-а ^оП® I (I - а) А

Ж 3 _-

П

2 1 У

6

1-

2

V А У

(14)

Рис. 4. Схема аппарата с расчетными участками магнитной энергии

С учетом равенства

1 + 4 ^ +

Г \2

( Я2 ^

и0по I (I-а) Я1

Я

V ^ Ч У

1-

2

Г Я2л

Я

=1 и2 2 Э

V м У

индуктивность обмотки управления на исследуемом участке определена формулой:

1

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1 л Я 1++

Ь7 = 3 ¡0ПО (/ -а>

Я

/ л2

' Я Л Я

1

1 -

2

' Я'

V Я1 У

(15)

Магнитная энергия на «а» участке равна:

* ^ у12 (Я + Я2 р2

, 1 (Я Г2, |*2а ^2 Жу (Я1 + Я2 -р)2 Л , ,

Жэ = 2¡0 1я2§0 10 -а2(Я2- Я2)2-

2 2 1 + 4 я2 „а ПЖ у1 а Я

Ж Э = ¡0 -

' Я ^

1 V Я1 У

18

1 -

2

' Я

V Я1 У

(16)

Суммарная магнитная энергия на участках «1-а» и «а» определена по формуле:

пЖ II2 (I-^а)1 + 4 Я

2

1 л Я 1 + 4^ +

Ж э = и0

/ Л2

1 V Я1 У

6

1-

2

' Я Л

V Я1 У

(17)

Индуктивность Iэ обмотки управления находится из равенства:

ПЖ111

¡0

I - —а . 3 у

1 + 4 Я + Я

/ \ 2

1 V Я1 У

-Э т2

6

1-

г

ПЖ

-Г Э

Ьэ =¡0

2

л

I —а

V 3 у

2

' Я ' Я1

1 + 4 Я +

Я

2 Ьэ Iу ■

/ \ 2 ' Я '

Я

1

3

2

' Я Л

V Я1 У

2

Магнитный поток Ф, проходящий по корпусу устройства, можно представить в виде:

Ф = 2п//0 R

a WyIyR2

x W I R2

-dx + У y \ (l-a)

Ri R2a Ri R

(19)

Тогда искомое уравнение для вычисления величины магнитного потока примет вид:

Ф = 2жц0

WI RR

У У 1 2

Ri - R

2

L2 V

j a

l--

2

(20)

/

Корпус электромеханических диспергаторов цилиндрического исполнения насыщенный в магнитном отношении участок магнитопровода. С учетом представленных уравнений можно записать:

2жц0

WJR R2

R1 - R

j а

l--

2

= B

2nR1d

самый

(21)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Тогда искомое уравнение для определения допустимой величины индукции в корпусе диспергатора примет вид:

= WyIyR2 V

К nr>TT

l

а 2

R1 - R

(22)

Вывод. Представленные результаты теоретических исследований строения магнитного поля в рабочих объемах электромеханических диспергаторов позволяют давать практические рекомендации по проектированию энергоэффективных аппаратов, обеспечивающих повышение показателя селективности перерабатываемого сырья сельскохозяйственного назначения.

2

2

в

Литература

1. Ясинский Ф.Н., Гуюмджян П.П., Дмитриева Л.А. Некоторые обобщения экспериментальных исследований ударного разрушения хрупких материалов// XII Бенардосовские чтения: материалы международной научно-технической конференции. -Иваново, 2005. - 147с.

2. Левданский А.Э., Левданский Э.И., Вилькоцкий А.И. Энергосберегающая технология производства крупы // Белорусское сельское хозяйство. - 2002. - №3. -С.41 - 42.

3. Matijevic E. Nanosize Precursors as Building Blocks for Monodispersed Colloids // Коллоидный журнал. - 2001. - Т. 69.- №1. - С. 33 - 42.

4. Аметистов Е.В., Дмитриев А.С. Новая отрасль науки и практики — монодисперсные технологии // Вестник РАН.- 2001.- Т. 71.- №9.- 818 с.

5. Беззубцева М.М., Волков В.С. Механоактиваторы агропромышленного комплекса. Анализ, инновации, изобретения // Успехи современного естествознания. - 2014. - №5 (часть 1). - С. 182 - 183.

6. Беззубцева М.М., Волков В.С. Исследование селективности процесса измельчения в электромагнитных механоактиваторах: монография. - СПб.: СПбГАУ, 2016. - 248 с.

7. Максвелл Д.К. О Фарадеевых силовых линиях. - М., 1907. - 185 с.

Literatura

1. YAsinskij F.N., Guyumdzhyan P.P., Dmitrieva L.A. Nekotorye obobshcheniya eksperimental'nyh issledovanij udarnogo razrusheniya hrupkih materialov. // XII Benardosovskie chteniya. Materialy mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii. - Ivanovo, 2005.147pp.

2. Levdanskij A.E., Levdanskij E.I., Vil'kockij A.I. Energosberegayushchaya tekhnologiya proizvodstva krupy // Belorusskoe sel'skoe hozyajstvo. - 2002. - №3.-P.41-42.

3. Matijevic E. Nanosize Precursors as Building Blocks for Monodispersed Colloids // Kolloidnyj zhurnal. - 2001. - T. 69.- №1. - P. 33-42.

4. Ametistov E.V., Dmitriev A.S. Novaya otrasl' nauki i praktiki - monodispersnye tekhnologii // Vestnik RAN.- 2001.- T.- 71.- №9.- 818 p.

5. Bezzubceva M.M., Volkov V.S. Mekhanoaktivatory agropromyshlennogo kompleksa. Analiz, innovacii, izobreteniya // Uspekhi sovremennogo estestvoznaniya. - 2014. - №5 (chast' 1). - P. 182 - 183.

6. Bezzubceva M.M., Volkov V.S. Issledovanie selektivnosti processa izmel'cheniya v elektromagnitnyh mekhanoaktivatorah: monografiya. - SPb.: SPbGAU, 2016. 248 s.

7. Maksvell D.K. O Faradeevyh silovyh liniyah. - M., 1907. - 185 pp.

УДК 624.313 DOI 10.24411/2078-1318-2019-12142

Доктор техн. наук А.П. ЕПИФАНОВ (ФГБОУ ВО СПбГАУ, emeo.kaf@yandex.ru) Ассистент Д.Б. КРИЛЬ (ФГБОУ ВО СПбГАУ, bruder_dan@mail.ru)

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ НИЗКОСКОРОСТНЫХ ЛИНЕЙНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МОНОРЕЛЬСОВЫХ

ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ

В сельском хозяйстве имеется ряд технологических процессов, в которых рабочий орган агрегата совершает линейные перемещения или возвратно-поступательные движения (ленточные транспортёры, сортировальные машины, зернотранспортёры, кормораздатчики). Как было показано в [1,2,3], для привода рабочих органов в этих механизмах рационально применение линейных асинхронных двигателей (ЛАД). Однако в некоторых процессах (транспортировка, кормораздача, сбор урожая в теплицах) требуется низкая скорость перемещения рабочего органа (транспортного средства).

В настоящее время это достигается путём совмещения вращающегося асинхронного двигателя и различного рода передач (зубчатых, фрикционных, ременных), понижающих скорость (редукторы). Данный способ имеет ряд недостатков: 1) передача тягового усилия трением; 2) пробуксовка отдельных узлов (ведущие ролики, ремни, шкивы); 3) усложнённая кинематическая схема; 4) зависимость коэффициента сцепления от состояния путевой структуры.

Предлагались варианты сельскохозяйственных агрегатов, в которых низкие скорости достигались применением ЛАД (рис. 1). Благодаря конструктивным особенностям, ЛАД, помимо возможности успешного совмещения вторичного элемента (или индуктора) с рабочим органом, лишён недостатков, присущих классическому приводу. Однако низкие скорости приводят к снижению энергетических показателей (r|, COS <р) электродвигателя и механизма в целом.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.