CC BY
12
УДК 663.91522 DOI 10.24411/2078-1318-2020-14148
МЕТОД РАСЧЕТА СИЛОВЫХ КОНТАКТОВ В МАГНИТООЖИЖЕННОМ СЛОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ МЕХАНОАКТИВАТОРОВ
Доктор технических наук, профессор Марина Михайловна Беззубцева (федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»,
e-mail: mysnegana@mail.ru) РИНЦ SPIN-код: 7467-3451 ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8469-7981 Кандидат технических наук, доцент Владимир Сергеевич Волков (федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»,
e-mail: vol9795@yandex.ru) РИНЦ SPIN-код: 2725-8803 ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3151-814X 196601, Российская Федерация, Санкт-Петербург, г. Пушкин, Петербургское шоссе, д.2
Дата поступления в редакцию 15.10.2020 г. Дата принятия в печать 10.11.2020 г.
Аннотация. В результате аналитического обзора выявлено, что традиционные механические активаторы не обеспечивают оптимальных техническо-экономических показателей процессов переработки сырья в готовую продукцию на предприятиях отрасли. Выявлено, что аппараты нового типа - электромагнитные механоактиваторы, позволяют значительно интенсифицировать процессы в аппаратурно-технологических линиях производственных циклов предприятий при достижении положительного эффекта снижения энергоемкости готовых изделий и улучшении их качества за счет оптимизации гранулометрического состава дисперсной составляющей суспензий. В статье представлена методика расчета параметров электромагнитного поля в рабочих камерах механоактиваторов группы цилиндрического исполнения. Исследования проведены на базе фундаментальной теории дипольного взаимодействия феррошаров в магнитном поле при формировании силовых контактных взаимодействий. Проведены результаты исследований по обоснованию параметров электромагнитных полей, влияющих на кластер формирования диспергирующих нагрузок в ферродинамической среде размольных органов шарообразной формы в рабочем объеме электромеханических диспергаторов. Апробация методики проведена на электромагнитных механоактиваторах, представляющих предмет изобретений. Согласно разработанной классификации устройства относятся к группе электромагнитных механоактиваторов цилиндрического исполнения с выносной системой электромагнита. Приведена схема конструктивного исполнения элементов электромагнитных механоактиваторов для расчета электромагнитных параметров в группе устройств цилиндрического исполнения с выносной электромагнитной системой. Методика включена в проектный расчет аппаратов для механоактивации продукции сельскохозяйственного назначения и позволяет вычислять максимальную силу взаимодействия между ферромагнитными размольными элементами сферической формы в постоянном по знаку электромагнитном поле рабочих объемов типовых рядов электромагнитных механоактиваторов цилиндрических конструкций.
Ключевые слова: электромагнитный механоактиватор, магнитоожиженный слой, метод расчета
METHOD FOR POWER CONTACTS CALCULATING IN THE MAGNETICALLY FLUIDIZED LAYER OF ELECTROMAGNETIC MECHANICAL ACTIVATORS
Doctor of Technical Sciences Marina Mikhailovna Bezzubtseva (Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education Saint-Petersburg State Agrarian University, e-mail: mysnegana@mail.ru) RSCI SPIN-code: 7467-3451 ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8469-7981 Candidate of Technical Sciences Vladimir Sergeevich Volkov (Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education Saint-Petersburg State Agrarian University, e-mail: vol9795@yandex.ru) RSCI SPIN-code: 2725-8803; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3151-814X 196601, Russian Federation, Saint-Petersburg, Pushkin, Petersburgskoe shosse, 2
Accepted 15/10/2020 Submitted 10/11/2020
Abstract. As a result of the analytical review, it was revealed that traditional mechanical activators do not provide optimal technical and economic indicators for processing raw materials into finished products at industry enterprises. It is revealed that the new type of devices-electromagnetic mechanical activators, can significantly intensify the processes in the hardware and technological lines of production cycles of enterprises while achieving a positive effect of reducing the energy intensity of finished products and improving their quality by optimizing the granulometric composition of the dispersed component of suspensions. The article presents a method for calculating the parameters of the electromagnetic field in the working chambers of mechanical activators of the cylindrical group. The research is based on the fundamental theory of the dipole interaction of ferroballs in a magnetic field during the formation of force contact interactions. The results of research on the justification of the parameters of electromagnetic fields that affect the cluster of forming dispersing loads in the ferrodynamic environment of spherical grinding bodies in the working volume of Electromechanical dispersants are presented. The method was tested on electromagnetic mechanical activators representing the subject of inventions. According to the developed classification, the devices belong to the group of cylindrical electromagnetic mechanical activators with a remote electromagnet system. A diagram of the design of elements of electromagnetic mechanical activators for calculating electromagnetic parameters in a group of cylindrical devices with a remote electromagnetic system is presented. The method is included in the design calculation of devices for mechanical activation of agricultural products and allows you to calculate the maximum force of interaction between ferromagnetic grinding elements of spherical shape in a constant sign of the electromagnetic field of the working volumes of standard rows of electromagnetic mechanical activators of cylindrical structures.
Keywords: electromagnetic mechanical activator, magnetic fluidized layer, calculation method
Введение. Переход предприятий АПК на энергосберегающий путь развития диктует необходимость разработки новых способов и устройств для переработки сырьевых материалов, обеспечивающих снижение энергоемкости готовой продукции. Проблема энергосбережения на стадии измельчения - механоактивации сырья в аппаратурно-технологических системах перерабатывающих производств является наиболее актуальной. Традиционные механические активаторы не обеспечивают оптимальных техническо-экономических показателей процессов, как по показателям селективности, качеству продукции, так и автоматическому управлению дисперсностью продуктов помола и энергоемкости производства в связи с многостадийностью операций диспергирования и
внедрением дополнительного оборудования (диспергаторов последовательного постадийного измельчения, классификаторов, систем замкнутого цикла и др.) [1].
Как показала практика производства, разработанные на базе ведущей научной школы «Эффективное использование, интенсификация электротехнологических процессов» (Санкт-Петербург) аппараты нового типа — электромагнитные механоактиваторы, позволяют значительно интенсифицировать процессы переработки сырьевых материалов при снижении энергоемкости готовых изделий [2, 3].
Цель исследования — разработка методики расчета параметров электромагнитного поля в рабочих камерах механоактиваторов группы цилиндрического исполнения на базе теории электромагнитного способа формирования диспергирующего усилия в магнитоожиженном слое ферротел.
Материалы, методы и объекты исследований. Исследование проведено на базе фундаментальной теории дипольного взаимодействия феррошаров в магнитном поле при формировании силовых контактных взаимодействий.
Результаты исследований. Конструктивная схема промышленного образца электромагнитного механоактиватора (патенты № РФ 1546050, №2007094) представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Конструктивная схема промышленного образца электромагнитного механоактиватора: 1 - контейнер; 2 - емкость рабочего процесса; 3, 4 - цилиндры; 5 - ротор; 6 -электромагнит; 7 - обмотка управления; 8 - насос; 9 - корпус
Переработка продукта осуществляется в двухцилиндровой рабочей камере, заполненной магнитоожиженным слоем ферротел (размольными элементами) в смеси с обрабатываемым продуктом. Эффективность работы аппарата доказана многочисленными результатами экспериментальных исследований процесса механоактивации суспензий различного целевого назначения [3].
Согласно принятой классификации [2] устройство относится к группе электромагнитных механоактиваторов цилиндрического исполнения с выносной системой электромагнита. Схема конструктивного исполнения элементов электромагнитных механоактиваторов для расчета электромагнитных параметров в группе устройств цилиндрического исполнения с выносной системой электромагнита изображена на рисунке 2.
а
d
Рис. 2. Схема конструктивного исполнения элементов электромагнитных механоактиваторов для расчета параметров магнитного поля в группе устройств цилиндрического исполнения с выносной системой электромагнита: а - схема выносного магнитопровода; б - распределение силовых линий
магнитного поля в рабочей камере аппарата
Согласно представленной схеме геометрических параметров магнитопровода устройств с учетом закона полного тока
§ H (l )dl = AnIW, (1)
acba
справедливо равенство
г / ч rB a 2r0B a § H(()dl = Jda + -^sin-
acba -c 0 — 0 2
или
f H(l)dl = ;u0aBMc + 2McBMo sin-
—c—0 V 2
(2)
асЬа
где I — длина силовых линий магнитного поля;
Мс и м0— соответственно магнитная проницаемость сердечника и среды рабочего объема;
В и В — индукция магнитного поля в камере механоактиватора и элементе
Мо Мс
магнитопровода.
При граничных условиях В = В = В0 [4] напряженность магнитного поля в рабочей
Мо М 0
камере механоактиватора определена формулой:
4я1Ж
Н = —г->г. (3)
r
— о а а + 2sin —
V — c 2 у
Величина индукции магнитного поля в рабочей камере с учетом граничных условий имеет вид:
в в
[[(a + c)—b] + b = 47W , - —
B = 47IW_——_. (4)
0 {{ [2(a + c) — b] + -b]
Ротор механоактиватора является возмущающим фактором электромагнитного поля в камере переработки продукта.
С учетом того, что векторный магнитный потенциал рассматриваемого поля имеет одну отличительную от нуля проекцию по оси Z, то алгоритм расчета составлен в координатах Л,у,z и A = (0,0,Z) [1, 4, 5, 6]:
B ( — — l) 2^ г 1
AZ (x, y) = —^—¿ f cos o ln[(x — R cos o)2 + (y — R sin o)2 do + xB0. (5) 2ж(— +1)0
Тогда вектор индукции B можно представить в виде:
„ ( ч в0— — 1)27 (y — Rcoso)
BX(x,y) = -^—2 I coso-—7—--^do. (6)
7l(— +1) 0 (x — R coso) + (y — R sino)
/ ч B0— —1)27 (x — R coso)
в (x,y) = -^—2 fcoso-^—^—-—-rjdo — B0, (7)
J 7(— +1) 0 (x — R coso) + (y — R sino)
где R — радиус ротора.
Напряженность возмущенного ротором поля в камере переработки материала имеет вид:
H = —VBX + B2 . (8)
-0
Силовое контактное взаимодействие ферроэлементов в магнитоожиженном слое вычисляется по формуле [1]:
F = -3- М H2R0 ЦЦ (5Ц 7ц ) =
32 (Ц + 2Цо)
3
= — Ц H2 R0 32 0
М -1 J
( >
+ 2
Ц J
5 М 7
(9)
где / , /I, /0 — соответственно магнитная постоянная, магнитная проницаемость
феррошаров и среды рабочего объема;
Н — напряженность магнитного поля в расчетных точках камеры обработки продукта
(а я л (а я ъ я \ .
(точка 1 с координатами I —|— ,0 I и точка 2 с координатами I —|—,—|— I (здесь а —
У 42 ) у 4242 )
диаметр наружных цилиндров, Я - радиус внутреннего цилиндра, Ъ - расстояние между
полюсными наконечниками электромагнита).
В расчетах коэффициент заполнения рабочей камеры элементами магнитоожиженного
слоя учтен отношением /0 / ¡1 , изменяющимся в пределах
л'/л<1о/ л< 1 (10)
При л//л соответствует незаполненному рабочему объему. Так, при /10// = 1 камера рабочего объема полностью заполнена элементами магнитоожиженного слоя, а при соотношении /Л // рабочая камера не заполнена. Таким образом, путем изменения у.о от /Л до / в расчетах учитывается один из значимых факторов, оказывающих влияние на интенсивность и энергоемкость процесса измельчения продукта в механоактиваторах. Это коэффициент заполнения рабочего объема размольными элементами.
Зависимость силовых взаимодействий между размольными элементами от радиуса внутренних цилиндров представлена на рисунке 3.
Рг.н
55
50
45
¿0
35
30
25
/
/ /
/
1
"У
\
0.01
0.012
о,on
0.016
0.018
0.02
R. М
Рис. 3. Зависимость силовых взаимодействий между размольными элементами магнитоожиженного
слоя ферротел от радиуса внутренних цилиндров: 1 — ^ =р{Я); 2 — ^ =р{Я)
2
3
Зависимость силовых взаимодействий между размольными элементами от силы тока в обмотке управления приведена на рисунке 4.
Fr н
Рис. 4. Зависимость силовых взаимодействий между размольными элементами магнитоожиженного
слоя ферротел от силы тока в обмотке управления: 1 - ^ =р(1у ); 2 - ^ =р(1у )
Представленные методы расчета позволяют вычислять максимальную силу взаимодействия между ферромагнитными размольными элементами сферической формы в постоянном по знаку электромагнитном поле рабочих объемов типовых рядов электромагнитных механоактиваторов цилиндрических конструкций [2, 3, 7, 8].
Выводы. На основании проведенных исследований составлена методика расчета параметров электромагнитного поля в рабочих камерах электромагнитных механоактиваторов группы цилиндрического исполнения. Методика включена в проектный расчет аппаратов для механоактивации продукции сельскохозяйственного назначения и позволяет вычислять максимальную силу взаимодействия между ферромагнитными размольными элементами сферической формы в постоянном по знаку электромагнитном поле [9, 10, 11] рабочих объемов типовых рядов электромагнитных механоактиваторов цилиндрических конструкций.
Литература
1. Беззубцева М.М., Волков В.С. Прикладные исследования электромагнитных механоактиваторов: монография, 2016. - Saarbrucken Lambert Academic Publishing. - 180 с.
2. Беззубцева М.М., Волков В.С. Механоактиваторы агропромышленного комплекса. Анализ, инновации, изобретения: монография. - СПб: СПбГАУ, 2014. - 162с.
3. 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. - 197 с.
4. Буль Б.К. Основы теории и расчета магнитных цепей. - М.: Энергия, 1964. - 464 с.
5. Тамм И.Е. Основы электричества. - М.: Физматлит, 2003. - 616 с.
6. Acsun, M., Mittra J.R. Derivation of closed form Green's functions of general microstrip geometry // IEEE Transactions on Microwave Theory and Technics. 1992. - С. 2055 - 2062.
7. Демирчян К.С., Нейман Л.Р., Коровкин Н.В., Чечурин В.Л. Теоретические основы электротехники. - СПб.: Питер, 2003. - 463 с.
8. Астахов В.И. Квазистационарные электромагнитные поля в проводящих оболочках. - М.: Физматлит, 2013. - 332 с.
9. Максвелл Д. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. - М.: ЁЁ медия, 2015. - 823 с.
10. Гааз Артур Эрих Введение в теоретическую физику: механика, теория электромагнитного поля и света, термодинамика. - М.: ЛЕНАНД, 2015. - 354 с.
11.Демирчян К.С., Чечурин В.Л. Машинные расчеты электромагнитных полей. -М.: Высшая школа, 2015. - 240 с.
Reference
1. Bezzubceva M.M., Volkov V.S. Prikladnye issledovanija jelektromagnitnyh mehanoaktivatorov: monografija, 2016. - Saarbrucken Lambert Academic Publishing. - 180 s.
2. Bezzubceva M.M., Volkov V.S. Mehanoaktivatory agropromyshlennogo kompleksa. Analiz, innovacii, izobretenija: monografija. - SPb: SPbGAU, 2014. - 162s.
3. Bezzubceva M.M., Volkov V.S., Kotov A.V., Obuhov K.N. Nauchnoe obosnovanie vnedrenija importozameshhajushhego sposoba jelektromagnitnoj mehanoaktivacii v apparaturno-tehnologicheskie sistemy shokoladnogo proizvodstva: monografija. - SPb.: SPbGAU. - 2016. - 197 s.
4. Bul' B.K. Osnovy teorii i rascheta magnitnyh cepej. - M.: Jenergija, 1964. - 464 s.
5. Tamm I.E. Osnovy jelektrichestva. - M.: Fizmatlit, 2003. - 616 s.
6. Acsun, M., Mittra J.R. Derivation of closed form Green's functions of general microstrip geometry // IEEE Transactions on Microwave Theory and Technics. 1992. - S. 2055 - 2062.
7. Demirchjan K.S., Nejman L.R., Korovkin N.V., Chechurin V.L. Teoreticheskie osnovy jelektrotehniki. - SPb.: Piter, 2003. - 463 s.
8. Astahov V.I. Kvazistacionarnye jelektromagnitnye polja v provodjashhih obolochkah. - M.: Fizmatlit, 2013. - 332 s.
9. Maksvell D. Izbrannye sochinenija po teorii jelektromagnitnogo polja. - M.: JoJo medija, 2015. - 823 s.
10.Gaaz Artur Jerih Vvedenie v teoreticheskuju fiziku: mehanika, teorija jelektromagnitnogo polja i sveta, termodinamika. - M.: LENAND, 2015. - 354 s.
11.Demirchjan K.S., Chechurin V.L. Mashinnye raschety jelektromagnitnyh polej. -M.: Vysshaja shkola, 2015. - 240 s.
Цитирование. Беззубцева М.М., Волков В.С. Метод расчета силовых контактов в магнитоожиженном слое электромагнитных механоактиваторов // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2020. - №4(61). - С. 148-155. DOI 10.24411/2078-1318-2020-14148 Авторский вклад. Все авторы настоящего исследования принимали непосредственное участда в планировании, выполнении и анализе данного исследования. Все авторы настоящей статьи ознакомились и одобрили окончательный вариант.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Citation. Bezzubceva M.M., Volkov V.S. Method for calculating power contacts in the magnetically fluidized layer of electromagnetic mechanical activators // Izvestiya Saint-Petersburg State Agrarian University, 2020. 4(61). 148-155. DOI 10.24411/2078-1318-2020-14148
Author's contribution. All authors of this research paper have directly participated in the planning, execution, or analysis of this study. All authors of this paper have read and approved the final version submitted. Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.
