CC BY
37
удк 621.318.3 а. В. РАДЧЕНКО
DOI: 10.25206/1813-8225-2018-158-70-74 "
К. И. НИКИТИН А. С. ТАТЕВОСЯН Р. Т. ТАЖИЕВ
Омский государственный технический университет, г. Омск
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ТРЕХМЕРНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПОДВЕСНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ЖЕЛЕЗООТДЕЛИТЕЛЯ С НАБОРНЫМИ ПОЛЮСАМИ И ПОЛЮСНЫМИ НАКОНЕЧНИКАМИ
Математическое моделирование трехмерного магнитного поля подвесных электромагнитных железоотделителей, используемых в промышленности для сепарации ферромагнитных включений из сыпучих материалов, транспортируемых ленточными конвейерами, представляет для разработчиков желе-зоотделителей сложную задачу, так как связано с принятием значительных упрощающих задачу допущений, при которых трехмерное магнитное поле железоотделителя заменяется плоскопараллельной моделью. Магнитное поле железоотделителя в межполюсном зазоре и под полюсными наконечниками имеет резкую неоднородность. Моделирование такого поля с применением программных пакетов конечно-элементного анализа (например, ANSYS) требует дополнительного подтверждения надежности результатов математического моделирования экспериментальными данными, полученными при физическом макетировании железоотделителей.
В статье приводится описание испытательного стенда и методики исследования трехмерного магнитного поля подвесного электромагнитного желе-зоотделителя путем измерения составляющих вектора магнитной индукции миллитесламетром исполнения ТПУ, снабженного измерительным зондом с преобразователем Холла. На основе обработки экспериментальных данных в пакете Excel выполнена визуализация картин пространственного распределения модуля и составляющих вектора магнитной индукции желе-зоотделителя. Результаты исследований трехмерного магнитного поля макетного образца подвесного электромагнитного железоотделителя, полученные на испытательном стенде, сопоставлены с результатами численного расчета плоскопараллельного магнитного поля в комплексе программ ELCUT 6.0 (профессиональная версия).
Ключевые слова: физическое макетирование, испытательный стенд, подвесной электромагнитный железоотделитель, межполюсный зазор, полюсные наконечники, трехмерное неоднородное магнитное поле, магнитная индукция, магнитная сила.
Подвесные электромагнитные железоотделители катушек, размещенных на противоположных полю-
(ЭЖ) относятся к числу наиболее распространенных сах. При прохождении постоянного тока по виткам
и эффективных средств сепарации железосодержа- секционированной обмотки под действием намаг-
щих примесей из потока твердых сыпучих матери- ничивающей силы обмотки в межполюсном зазо-
алов, транспортируемых ленточными конвейерами ре возникает резко неоднородное магнитное поле
[ 1 — 6]. Типовая конструкция магнитной системы с постепенным выравниванием магнитной индукции
подвесного ЭЖ имеет П-образный магнитопровод в области полюсных наконечников. Если интенсив-
с наборными стальными полюсами, ярмом и полюс- ность неоднородного магнитного поля определяется
ными наконечниками, секционированную обмотку, намагничивающей силой обмотки, то максимум пон-
состоящую из двух последовательно соединенных деромоторной (магнитной) силы Рм, необходимой
Рис. 1. Эскиз магнитной системы подвесного электромагнитного железоотделителя с П-образным магнитопроводом
Рис. 2. Внешний вид испытательного стенда для исследования трехмерного магнитного поля макетного образца подвесного ЭЖ: 1 — неравномерная прямоугольная сетка на поверхности подвижной рамки; 2 — катушки, расположенные на разных полюсах ЭЖ; 3 — цифровой миллитесламетр исполнения ТПУ; 4 — измерительный зонд с преобразователем Холла; 5 — направляющие для перемещения подвижной рамки с оргстеклом на различном расстоянии от полюсных наконечников
Рис. 3. Электрическая схема для проведения испытаний: 1 — выпрямитель; 2 — подвесной ЭЖ
Рис. 4. Визуализация картин распределения модуля (а) и направления (б) вектора магнитной индукции в зоне сепарации ЭЖ
Рис. 5. Визуализация картин распределения составляющих вектора магнитной индукции в зоне сепарации: а — по оси х; б — по оси х; в — по оси у
для извлечения ферромагнитных предметов из сыпучих материалов на всей длине активной части зоны сепарации определяется градиентом изменения модуля напряженности магнитного поля Н на середине межполюсного зазора.
Рм = H•gradH.
(1)
Максимум магнитной силы не зависит от формы, размеров и природы извлекаемого тела, а характеризует только свойства магнитного поля и критерий качества разрабатываемой конструкции ЭЖ [7-11].
Исследование трехмерных магнитных полей подвесных ЭЖ в активной зоне сепарации экспериментальными и расчетными методами дает возможность уточнить их конструктивные и обмо-
точные параметры магнитных систем, полученных на ранних стадиях проектирования с использованием упрощенных моделей магнитного поля. Вместе с тем оно позволяет в наглядной форме выполнить визуализацию пространственного распределения модуля и составляющих вектора магнитной индукции, пондеромоторной (магнитной) силы в зоне сепарации, установить уязвимые места электромагнитной сепарации, скорость затухания магнитного поля по мере удаления расчетной точки от плоскости полюсных наконечников.
Экспериментальная часть исследований трехмерного магнитного поля подвесного ЭЖ проводилась на макетном образце (рис. 1). Магнитная система железоотделителя имеет наборные полюса, полюсные наконечники и две последовательно соединенные катушки, размещенные на разных по-
Рис. 6. Картина магнитного поля подвесного ЭЖ (а) в комплексе программ Elcut и магнитная сила (б) на середине межполюсного зазора на различном расстоянии расчетной точки А от полюсных наконечников (в)
люсах. Магнитопровод макетного образца ЭЖ собран из прямоугольных призматических брусков горячекатаной стали марки ст. 20. Ярмо сердечника имеет геометрические размеры 376x140x20 мм, шесть наборных полюсов 20x140x140 мм, два полюсных наконечника 160x140x20 мм соответственно. Зазор между наборными полюсами составляет 20 мм. После стяжки частей магнитопровода болтовыми соединениями граница активной зоны сепарации макетного образца ЭЖ представлена прямо угольником со сторонами 376x140 мм, площадь которого охватывает полюсные наконечники и межполюсный зазор. Толщина стенок каркаса катушек равна 5 мм. Намотка катушек производится обмоточным проводом диаметром 1,16 мм марки ПЭВ-2. Полное число витков обмотки 1100. После намотки провода толщина катушки составляет 20 мм, а ее высота 130 мм.
Полюсные наконечники отстоят друг от друга на расстоянии межполюсного зазора 36 мм. Для удобства измерения составляющих вектора магнитной индукции в зоне сепарации цифровым миллитес-ламетром исполнения ТПУ макетный образец подвесного ЭЖ установлен на испытательном стенде в перевернутом виде (рис. 2). Испытательный стенд снабжен немагнитной плоской рамкой с оргстеклом, которая может скользить по поверхности полюсных наконечников и перемещаться по направляющим на различном от них удалении. Рамка имеет геометрические размеры 480x225x4 мм. Площадь рамки почти 1,5 раза превосходит площадь активной зоны сепарации ЭЖ. На поверхность рамки нанесена неравномерная прямоугольная сетка, шаг которой уменьшается по мере приближения к межполюсному зазору. Сетка покрывает всю зону сепарации макетного образца подвесного ЭЖ и содержит 480 узлов. В узлах сетки с помощью цифрового миллитесламетра исполнения ТПУ производится измерение составляющих вектора магнитной индукции.
Электрическая схема испытательного стенда показана на рис. 3. Питание обмотки макетного образца подвесного ЭЖ производится от промышленной сети через понижающий трансформатор
и мостовую схему выпрямления. При проведении испытаний ток 2,1 A в обмотке ЭЖ фиксировался по показанию амперметра.
На рис. 4 и 5 показаны результаты обработки экспериментальных данных в пакете Excel модуля и составляющих вектора магнитной индукции в узлах сетки при расположении подвижной рамки на поверхности полюсных наконечников. Визуализация картин распределения составляющих вектора магнитной индукции в зоне сепарации ЭЖ выявила различные законы их изменения. Если в зоне межполюсного зазора ЭЖ значения модуля вектора магнитной индукции определяются значениями составляющей индукции по оси x, то по мере перемещения измерительного зонда миллитесла-метра к центральным областям полюсных наконечников она быстро ослабевает до нуля. В центральных областях полюсных наконечников на значения модуля вектора магнитной индукции оказывает составляющая индукции по оси z, тогда как на середине межполюсного зазора эта составляющая отсутствует. Несмотря на увеличение значений составляющей вектора магнитной индукции по оси y в области ребер полюсных наконечников ее влияние на модуль вектора магнитной индукции в зоне сепарации является незначительным.
Результаты решения магнитостатической задачи в комплексе программ Elcut [12—14] расчета плоскопараллельной модели магнитного поля подвесного ЭЖ приведены на рис. 6. Для построения кривой магнитной силы на середине межполюсного зазора в точках A, расположенных по вертикали на разных расстояниях от плоскости полюсных наконечников, используется процедура вычисления магнитной силы по формуле (1) с помощью кубического сплайна функций, аппроксимирующей зависимость модуля напряженности магнитного поля в виде таблицы от расстояния до точки A.
На рис. 7 показан график изменения магнитной силы в зоне сепарации на поверхности полюсных наконечников и межполюсном зазоре вдоль оси симметрии магнитной системы ЭЖ, построенный на основе обработки экспериментальных данных о модуле вектора магнитной индукции (рис. 4).
0
m
.S - 5
-10
<
о\
о -15
? -?0
Ич
Ö S -25
и
s -30
s
s я -35
ö S -40
-45
Расстояние до исследуемой точки А по оси х, мм 50 100 150 200
i
1 1
1
V / Зона полюсного наконечника
\
т
Зона межполюсного зазора
Рис. 7. Магнитная сила ЭЖ в активной зоне сепарации вблизи полюсных наконечников
Выводы.
1. Визуализация картин составляющих вектора индукции магнитного поля в зоне сепарации макетного образца подвесного ЭЖ выявила различные законы их распределения. На значения модуля вектора магнитной индукции существенное влияние оказывают составляющие вектора индукции вдоль координатных осей х и z.
2. Магнитная (пондеромоторная) сила подвесного ЭЖ достигает максимума в зоне межполюсного зазора и затем резко снижается в области полюсных наконечников, что свидетельствует о неверном изначально представлении активной зоны сепарации, распространяемой на всю площадь полюсных наконечников и межполюсного зазора.
3. Допущение в расчете плоскопараллельной модели магнитного поля ЭЖ в комплексе программ Е1си (профессиональная версия) дает хорошее приближение с действительным распределением модуля вектора магнитной индукции и магнитной силы в центральной части магнитной системы железоот-делителя.
Библиографический список
1. Яковенко В. В., Парсентьев О. С. Сравнительная оценка затрат на магнитную сепарацию электромагнитными железо-отделителями // Вестник Луганского национального университета имени Владимира Даля. 2017. № 1-2 (3). С. 115-124.
2. Загирняк М. Расчет магнитного потока в окне и-образного электромагнита // Техшчна електродинамжа. 2013. № 6. С. 14-19.
3. Копытин И. И. Электромагнитный железоотделитель УСС-5М2 и его энергетические характеристики // Развитие научной, творческой и инновационной деятельности молодежи: сб. материалов IV Всерос. науч.-практ. конф. Курган: Изд-во Кургансий ГСХА, 2013. С. 100-103.
4. Чарыков В. И., Жумашов Г. М., Федько С. А. Подход к синтезу электромагнитных сепараторов // Вестник Курганского государственного университета. Сер. Технические науки. 2010. № 17. С. 71-73.
5. Чарыков В. И., Соколов С. А., Кульпин И. А. Электромагнитные железоотделители: теоретический и практический аспекты // Аграрная наука, образование, производство: актуальные вопросы: сб. тр. Всерос. науч.-практ. конф. с меж-
дунар. участием. Новосибирск: Изд-во НГАУ, 2014. Вып. 1б. С. 343 — 34б. ISBN 97В-5-94477-149-0.
6. Магнитные сепараторы. Железоотделители. Каталог продукции 2017 г. URL: http://magnetpro.ru (дата обраще-ния:15.01.2018).
7. Соловьёв Л. П., Булкин В. В., Пронина М. В. [и др.]. Электромагнитный сепаратор с пульсирующим током // Экология и промышленность России. 2011. № 7. С. 4 — 5.
В. Тыртыгин В. Н. Проблемы и перспективы применения высокоградиентных электромагнитных сепараторов для очистки промышленного сырья // Весшк Гродзенскага дзяржаунага ушверсггэта iм. Я. Купалы. Серыя 6 Тэхшка. 2015. № 2. С. 85 — 92.
9. Gasilin V. V., Nezovibat'ko Y. N., Poklipach G. S., Shvets O. M., Taran V. S. Tereshin V. I. Electromagnetic separator of a plasma // AIP Conference Proceedings PLASMA 2005: Int. Conf. PLASMA-2005 on Res. and Applic. of Plasmas; 3rd German-Polish Conf. on Plasma Diagnostics for Fusion Applic.; 5th French-Polish Seminar on Thermal Plasma in Space and Lab. 2006. С. 439 — 442.
10. Высокоградиентные магнитные сепараторы и фильтры HGMS-HGMF / Metso Minerals. URL: http://www.metso. com/ru/miningandconstruction/Mining_Construction_Russia. nsf/WebWID/WTB-120409-22576-6AF5D/$File/HGMF&HGMS_ RU.pdf (дата доступа: 07.10.2015).
11. Загирняк М. В., Усатюк В. М., Оксанич А. П. [и др.]. Проектирование электромагнитных систем шкивных сепараторов // Вюник Кременчуцького нацюнального ушверситету iменi Михайла Остроградського. 2015. Вип. 3. С. 9—14.
12. Татевосян А. С., Радченко А. В. Исследование нестационарного магнитного поля электромагнита с расщепленными полюсами и полюсными наконечниками в пакете ELCUT // Омский научный вестник. 201б. № б (150). С. Вб — 90.
13. Радченко А. В. Исследование динамики подвесного железоотделителя как объекта управления с массивным маг-нитопроводом // Электроэнергетика глазами молодежи — 2017: сб. материалов VIII Междунар. науч.-техн. конф. Самара: Изд-во СамГТУ, 2017. С. 232-235.
14. Программа «ELCUT». Руководство пользователя. СПб.: Тор, 2012. 356 с. URL: http://www. elcut.ru/free_doc_r.htm (дата обращения: 11.02.2017).
РАДЧЕНКО Анна Викторовна, ассистент кафедры «Теоретическая и общая электротехника». БРНЧ-код: 5041-5168 АиШогГО (РИНЦ): 916067
НИКИТИН Константин Иванович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Теоретическая и общая электротехника». БРНЧ-код: 3733-8763 АиШогГО (РИНЦ): 641865
ТАТЕВОСЯН Александр Сергеевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Теоретическая и общая электротехника». БРНЧ-код: 5995-1778 АиШогГО (РИНЦ): 166166
ТАЖИЕВ Руслан Тулегенович, студент гр. Э-166
энергетического института.
Адрес для переписки: [email protected]
Для цитирования
Радченко А. В., Никитин К. И., Татевосян А. С., Тажиев Р. Т. Визуализация и методика исследования трехмерного магнитного поля подвесного электромагнитного железоотделите-ля с наборными полюсами и полюсными наконечниками // Омский научный вестник. 2018. № 2 (158). С. 70-74. БОН 10.25206/1813-8225-2018-158-70-74.
Статья поступила в редакцию 19.02.2018 г. © А. В. Радченко, К. И. Никитин, А. С. Татевосян, Р. Т. Тажиев
