CC BY
35
3. Горячев О.В., Ефромеев А.Г., Рябов М.И. Математическая модель силовой системы привода развёртывания перспективного комплекса на базе двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 11. С. 407-412.
Лалабеков Валентин Иванович, д-р техн. наук, профессор, Lalabekov. Valentin@yandex.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),
Самсонович Семён Львович, д-р техн. наук, профессор, Samsonovich1940@mail.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)
BUILDING A MATHEMATICAL MODEL AND THE RESULTS OF MODELING THE ENERGY THE CHANNEL OF THE ELECTROMECHANICAL DRIVE
V.I. Lalabekov, S.L. Samsonovich
A mathematical model of an energy-saving power channel of an electromechanical drive has been developed, which makes it possible to verify the efficiency of introducing a negative feedback channel into the structure of the energy path between the power supply units of the actuator and the speed difference between the drive and the required load.
Key words: available mechanical characteristic of the drive, load characteristic of the control body, electromechanical drive, load ellipse.
Lalabekov Valentin Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, Lalabekov. Valentin@yandex.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Samsonovich Semen Livovich, doctor of technical sciences, professor, Samsonovich1940@mail. ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University)
УДК 620.1.8
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-9-537-542
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКОГО ВЛАГОМЕРА СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЗАДАЧЕ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНОГО
ПРОИЗВОДСТВА
А.А. Коржев, М.В. Толстикова
В статье был рассмотрен пример технической реализации высокочастотного диэлькометри-ческого влагомера сыпучих материалов, приведены его экспериментальные характеристики, даны рекомендации по дальнейшему применению для контроля влажности сыпучих материалов в условиях горнообогатительного производства.
Ключевые слова: высокочастотный влагомер, диэлькометрический метод контроля, технологические параметры, добыча полезных ископаемых, измерительная ячейка, моделирование, метод конечных элементов.
Одним из важных факторов, определяющих качество продукции, а также характеризующих состояние сыпучих материалов в ходе технологического процесса, является влажность [1-3,18,19]. Контроль влажности позволит значительно упростить построение систем управления ряду технологических процессов, в частности, процессу обезвоживания и сушки в условиях обогатительных фабрик в горной промышленности. При этом приборы для контроля влажности кроме требуемых метрологических показателей, должны иметь простую конструкцию и позволять производить измерения оперативно, не прерывая хода технологического процесса.
В настоящее время вопросы измерения влажности сыпучих материалов рассмотрены в ряде работ [3-5, 18-20], на основании которых можно предложить следующую классификацию методов измерения. Прежде всего все методы целесообразно разделить на две следующие большие группы. Прямые методы предусматривают процесс физического разделения исследуемого образца материала на твёрдые и жидкие компоненты. Косвенные методы отличаются тем, что разделения материала на твёрдые и жидкие компоненты не происходит, вместо этого в качестве информативного параметра используется одна из физических величин, существенно зависящая от содержания влаги в материале.
Согласно монографии [19] в группе прямых методов следует отнести: дистилляционный, химический, экстракционный и термогравиметрический. Преимущество данных методов заключается в их относительно высокой точности, существенными недостатками являются техническая сложность, трудоёмкость, значительная продолжительность выполняемых операции, особые требования к подготовке персонала. Имеющиеся недостатки позволяют в основном применять прямые методы контроля влажности только в условиях специализированных лабораторий, что позволяет сделать вывод о нецелесообразности использования данных методов непосредственно в условиях производства. Кроме прямых существует целый ряд косвенных методов, в числе которых: кондуктометрический, инфракрасный, диэлькометриче-ский, нейтронный, сверхвысокочастотный, ультразвуковой, термовакуумный и метода основе ядерного магнитного резонанса. Отдельного внимания, на наш взгляд заслуживают кондуктометрический, диэлько-метрический, инфракрасный, сверхвысокочастотный, поскольку именно эти методы являются технически наиболее простыми в осуществлении в условиях промышленности.
Диэлькометрический метод основан на зависимости диэлектрической проницаемости, а также тангенса угла диэлектрических потерь различных материалов от их влажности. Подробно данный метод описан в работах [5-8, 18, 21], где приведены основные расчетные соотношения и описаны примеры практического применения, в том числе в горной промышленности. Диэлькометрические влагомеры отличаются достаточно высокой точностью и чувствительностью, широким диапазоном измерений. В настоящее время приборы, реализующие данный метод, производятся промышленно рядом отечественных и зарубежных предприятий. В частности, для строительной отрасли их выпускают "СКБ Стройприбор", «Ар-гола», для нефтяной области - «Промприбор» (Россия), Sivalls. Inc (США).
Кондуктометрический метод основан на измерении электрической проводимости исследуемого образца влажного материала [10-12, 17, 20]. Как правило, метод предполагает погружение в исследуемый материал электродов той или иной конструкции непосредственно контактирующих с материалом. В связи с этим, к недостаткам метода следует отнести зависимость точности измерений от контакта электродов с материалов. Кроме того, электроды подвержены действию электролиза. Градуировочная характеристика, как правило, существенно нелинейна и зависит от концентрации ионов примесей в жидкости. Среди фирм-производителей данных влагомеров можно выделить Нефтесервисприбор (Россия), AQUA-LAB(Россия), Pfeuffer (Германия).
Принцип действия СВЧ методов, подробно описанных в [9,18], основан на том, что под действием создаваемого СВЧ поля молекулы воды в образце начинают колебаться, это приводит к поглощению части энергии поля. Влажность определяется по отношению мощностей поглощенного и излученного поля. В работе [23] среди достоинств СВЧ влагомеров отмечены высокая чувствительность, возможность бесконтактных измерений и высокий верхний предел измерений. Недостатком метода является относительная сложность и дороговизна измерительной аппаратуры. Созданием сверхвысокочастотных датчиков занимаются зарубежные компании - Tews и Sartorius (Германия), Agar Corporation (США), а также отечественные производители - Годсэнд-сервис, Нефтесервисприбор.
Инфракрасный метод основан на том, что излучатель формирует волну оптического излучения заданной длины, а после приёмник измеряет энергию отраженных квантов, исходя из чего определяют количество влаги. Согласно [13-15, 21], к достоинствам данных влагомеров можно отнести возможность проведения измерения без непосредственного контакта с исследуемым материалом, а недостатками является высокая стоимость и сложность изготовления, а также контроль влагосодержания только на поверхности исследуемого образца. Производством инфракрасных датчиков измерения влажности занимаются ООО «Спецприбор» (Россия), Foss (Дания).
На основе приведенного выше обзора методов, наиболее перспективным мы считаем диэлько-метрический метод, отличающийся наибольшей простотой технической реализации при относительно высокой точности измерений. Целью работы является определение конструкции и параметров измерительной ячейки и схемы её включения применительно к задаче контроля влажности сыпучих продуктов горнообогатительного производства.
1.Моделирование конфигурации измерительной ячейки, конструирование датчика измерения влажности
Как показано в работах [16, 18] наиболее совершенными является компланарные ячейки рассеянного поля, пример которой показан на рис. 1. Чёрным цветом показаны проводящие электроды, белым - диэлектрическая подложка, красным - крепёжные отверстия.
Рис. 1. Внешний вид компланарной измерительной ячейки
538
При разработке ячейки целесообразно выбрать такую конфигурацию и параметры электродов, чтобы поле в толще материала, распределялось равномерно. Для этого в программе FEMM было выполнено моделирование ряда конфигураций ячеек, выполненных из фольгированного текстолита, пример расчёта напряженности электрического поля для ряда вариантов приведены на рис. 2. В качестве критерия при выборе конфигурации принята равномерность величины модуля напряженности электрического поля на расстоянии 10 мм от подложки.
Расчёты показали, что наилучший результат получается для датчика с тремя электродами, в котором расстояние между проводниками равно их ширине, внешний вид которого приведен на рис. 3. Стенки камеры представляют собой полипропиленовую муфту диаметром 63, измерительная схема размещена ниже измерительной ячейки на отдельной печатной плате, измерительная ячейка и схема экранированы от внешних электрических полей.
Рис. 3. Внешний вид датчика
В качестве измерительной схемы была использована измерительная схема на основе генератора двухточечного высокой частоты [23]. Принципиальная схема и чертёж печатной платы, выполненные в программе ЮСЛВ, приведены на рис. 4 и рис. 5 соответственно.
и]
чоо 1/8. зг.-сх' "и^иЕ;
Рис. 4. Схема генератора
539
2. Приведение эксперимента и его результаты. Перед началом эксперимента было произведено измерение частоты генератора в воздухе. В работе использовалось 100 грамм сухого песка, в который постепенно добавлялась вода, то есть увеличивалась влажность от 0 до 14%, пока не произошел срыв колебаний.
В результате эксперимента были получены зависимости частоты и действующего значения выходного напряжения от влажности материалов, а также были вычислены относительное отклонение частоты и амплитуды выходного напряжения от значений при нулевой влажности (рис. 6).
Рис. 5. Чертеж платы генератора
f=f(w)
Um=f(w)
6,08
■ ■■ ■ ■ ■
■
■
5.9
dr=f(w)
130 160 140 120 100
i
; 80 60 40 20 О -20
6 8 h çt
dUm=f(w)
V
в к"
■ ■
У 1 1 ij
г
1400 1200 1000
m
g soo 600 400 200 0
Rz = 0,9239^
i
■ yl
■
■ ,•-
Рис. 6. Экспериментальные характеристики датчика: а, б - зависимости частоты и действующего значения выходного напряжения от влажности; в, г - относительное отклонение частоты и амплитуды выходного напряжения от значений при нулевой влажности
Из приведенных графиков следует, что и частота, и амплитуда выходного напряжения рассматриваемой ячейки зависит от влажности, причем зависимость близка к линейной. Зависимость относительного отклонения частоты напряжения на выходе генератора линейна с погрешностью линеаризации менее 3%.
Заключение. Предлагаемая авторами конструкция измерительной ячейки и схема её включения работоспособны и позволяют производить измерения влажности в лабораторных условиях с приемлемой для инженерных задач точностью. В дальнейшем данная конструкция может быть полезная для применения для контроля влажности сыпучих материалов в условиях горно-обогатительного производства.
Список литературы
1. Tatyana N. Aleksandrova, Abdalla M. Elbendari (2021) Increasing the efficiency of phosphate ore processing using flotation method. Journal of Mining Institute. Vol 248. p. 260-271. DOI: 10.31897/PMI.2021.2.10.
а
б
в
2. Oleg V. Zhdaneev, Aleksandr V. Zaitsev, Valerii M. Lobankov (2020) Metrological support of equipment for geophysical research. Journal of Mining Institute. Vol 246. P. 667-677. DOI: 10.31897/PMI.2020.6.9.
3. Sergei E. Chernyshov, Vladislav I. Galkin, Zoya V. Ulyanova, David I.M. Macdonald (2020) Development of mathematical models to control the technological properties of cement slurries. Journal of Mining Institute. Vol 242. p. 179. DOI: 10.31897/pmi.2020.2.179.
4. Evgenii A. Rogov Study of the well near-bottomhole zone permeability during treatment by process fluids. Journal of Mining Institute. 2020. Vol 242. P. 169. DOI: 10.31897/pmi.2020.2.169.
5. Rajaoalison H., Zlotkowski A., Rambolamanana G. Mechanical Properties of Sandstone using nonDestructive Method. Journal of Mining Institute. 2020. Vol 241. P. 113. DOI: 10.31897/pmi.2020.1.113.
6. Drozdov A.N., Gorbyleva Ya.A. Improving the Operation of Pump-ejector Systems at Varying Flow Rates of Associated Petroleum Gas. Journal of Mining Institute. 2019. Vol 238. P. 415. DOI: 10.31897/pmi.2019.4.415.
7. Bondarev E.A., Rozhin I.I., Argunova K.K. Moisture content of natural GAS in bottom hole zone // Journal of Mining Institute. 2018. Vol 233. P. 492. DOI: 10.31897/pmi.2018.5.492.
8. Improving the reliability of DC-DC power supply by reserving feedback signals // Повышение надежности вторичного источника питания постоянного тока резервированием сигналов обратной связи Shpenst, V.A., Orel, E.A. Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 2021, 64(5). P. 408-420.
9. Baake E., Shpenst V.A. Recent scientific research on electrothermal metallurgical processes // Journal of Mining Institute, 2019, 240. P. 660-668.
10. Skamyin A., Shklyarskiy Y., Dobush V., Dobush I. EnergiesExperimental determination of parameters of nonlinear electrical load, 2021. 14(22). 7762.
11. Simakov A.S., Byzova A.A. Eurasian Selecting utilities for portable mine air control. Mining, 2017. (2). P. 33-35.
12. Simakov A.S., Trifonova M.E., Gorlenkov D.V. Virtual Analyzer of the Voltage and Current Spectrum of the Electric Arc in Electric Arc Furnaces. Russian Metallurgy (Metally), 2021(6). P. 713-719.
13. Kopteva A.V., Starshaya V.V., Malarev V.I., Koptev V.Y. Improving the efficiency of petroleum transport systems by operative monitoring of oil flows and detection of illegal incuts // Topical Issues of Rational Use of Natural Resources, 2019, 2020, 1. P. 406-415.
14. Sobota J., Malarev V.I., Kopteva A.V. Calculation of oil-saturated sand soils' heat conductivity // Journal of Mining Institute, 2019, 238. P. 443-449.
15. Kopteva A.V., Koptev V.Y. Automated monitoring system for asphaltene-resin-paraffin deposits in main oil pipelines // International Journal of Applied Engineering Research, 2016. 11(4). P. 2191-2198.
16. Voityuk I.N., Ivanchenko D.I., Khomyakov K.A. Hardware and software systems for rock quality control on conveyor belt // Gornyi Zhurnal, 2020(5). P. 67-71.
17. Sobota J., Malarev V.I., Kopteva A.V. Calculation of oil-saturated sand soils' heat conductivity // Journal of Mining Institute, 2019. 238. P. 443-449.
18. Кричевский Е.С., Бензарь В.К., Венедиктов М.В. и др. Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов. М.: Энергия, 1980. С. 67-189.
19. Берлинер М.А. Измерение влажности. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Энергия, 1973. С. 16-200.
20. Лапшин А.А. Электрические влагомеры. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. С. 11-95.
21. Голуб Е.Ю. Методы и средства повышения точности диэлькометрических влагомеров. Нац. Аэрокосмический ун-т им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Харьков, 2016. С. 1252.
22. Петин Г.П. Выскостабильный двухточечный генератор, Радиолюбитель № 7, Миниск, 1997.
Коржев Александр Александрович, канд. техн. наук, доцент, Korzhev_AA@pers.spmi.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Толстикова Мария Вячеславовна, студентка, Maria_Tolstikova@,mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет
DEVELOPMENT AND RESEARCH OF A HIGH-FREQUENCY DIELKOMETRIC MOISTURE METER OF BULK MATERIALS IN RELATION TO THE TASK OF MONITORING THE PARAMETERS OF TECHNOLOGICAL PROCESSES OF MINING AND PROCESSING PRODUCTION
A.A. Korzev, M.V. Tolstikova
In the article, an example of the technical implementation of a high-frequency dielkometric moisture meter of bulk materials was considered, its experimental characteristics were given, recommendations for further use for controlling the moisture content of bulk materials in mining and processing production were given.
Key words: high-frequency moisture meter, dielkometric control method, technological parameters, mining, measuring cell, modeling, finite element method.
541
Korzhev Alexander Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, Korzhev_AA@pers.spmi.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,
Tolstikova Maria Vyacheslavovna, student, Maria_Tolstikova@mail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University
УДК 621-822
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-9-542-549
ЗАДАЧИ СИНТЕЗА ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ В ПРОЦЕДУРАХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ТРИБОТРОННЫХ СИСТЕМ
Л.А. Савин, Д.В. Шутин, А.В. Сытин
Рассмотрена взаимосвязь этапов синтеза и анализа процессов проектирования мультифизиче-ских систем. Сделан анализ физико-технических эффектов в триботронных устройствах. На примере опор роторов проанализированы и проиллюстрированы основы процедур качественного синтеза физического принципа действия. В качестве опорных данных, отражающих современный технологический уровень, представлены диапазоны возможностей различных видов опор роторов, сенсорных элементов и исполнительных механизмов коррекции параметров. Представлены методические аспекты синтеза физического принципа действия проектируемых объектов с элементами различной физической природы. Сформулированы в алгоритмическом виде важнейшие этапы процедуры синтеза принципа действия три-ботронного объекта.
Ключевые слова: проектирование, синтез и анализ, моделирование, оптимизация, триботро-ника, автоматизированная диагностика, актуатор, физический эффект, узел трения, опоры роторов.
1. Введение. Современный этап научного, технологического и информационного развития отличается сложностью задач, множеством способов решения и имеет ряд особенностей. Во-первых, экспоненциальный рост объема и рассредоточенность накопленных знаний в различных предметных областях требует все больше времени на поиск необходимой информации, несмотря на появление автоматизированных поисковых систем, доступных масштабных баз данных, печатных и электронных материалов. Во-вторых, наблюдается повышение требований к качеству используемой информации во всех областях науки и техники, а также возникает задача ранжирования информации по степени ее достоверности. В связи с этим, актуальным становится структурирование научных знаний и автоматизация процесса их использования для решения конкретных научно-технических задач, в том числе, за счет формирования специальных баз данных физических эффектов. Процесс проектирования технических систем включает отдельные стадии и этапы, а исходной базой служат результаты фундаментальных и прикладных исследований, изобретательской деятельности, опытно-конструкторских работ. В общем случае выделяют предпро-ектные исследования, разработку технического задания и предложения, эскизного, технического и рабочего проектов, в рамках которых выполняется формирование комплекса конструкторской и технологической документации. На последующих стадиях создания объектов реализуется создание и комплексное исследование опытного образца, доводка изделия и организация серийного производства. Решающее значение при создании технических систем имеет начальная стадия проектирования, определяющая общее направление работ, при этом на данный этап по статистике обычно приходится менее 2% общего времени разработки изделий [1- 2].
Решение задач конструирования, оптимизации и разработки изделий и технологических процессов в настоящее время осуществляется на основе взаимосвязанных процедур синтеза и анализа, преимущественно с использованием средств автоматизированного проектирования. В технике под синтезом понимают построение мультифизических систем из отдельных узлов и функциональных модулей, что представляет собой сложную с точки зрения формализации и моделирования задачу по формированию конструктивного облика изделия. Методы решения таких задач основаны на использовании графических сред, работающих в режиме диалога между проектировщиком и компьютером [3-4]. Различают три вида задач синтеза, в которых проводят выбор принципа действия, формирование структуры и расчет параметров. Параметрический синтез является наиболее автоматизированным процессом проектирования, самым тесным образом связанный с процедурами оптимизации, и заключается в определении значений параметров системы при заданной структуре и наборе требований. На этом этапе с использованием специального программного обеспечения проводится также идентификация моделей и расчет предельных значений допусков отдельных параметров. Результатом выполнения структурного синтеза является обеспечение эффективного взаимодействия отдельных элементов, также определяются схемы конструкций, процессов, алгоритмов и документации. В данной работе рассматривается применение методов синтеза при исследовании и проектировании триботронных устройств, которые представляют собой узлы трения с интегрированными функциями автоматизированного контроля и активного управления рабочими
