CC BY
38
УДК 631.362 В.И. Чарыков, А.А. Зимина
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ОЧИСТКИ КОМБИКОРМА И МУКИ ОТ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ
В статье приводится комплекс машин по очистке комбикорма и муки от металлических примесей. Обосновывается принцип их работы. Даются устройства и их основные характеристики.
Качество продукта - совокупность его определенных свойств, обуславливающих способность удовлетворять конкретные запросы и требования потребителей. Оно характеризуется системой показателей, имеющих количественное значение. Отличительной особенностью качества продукта в сельском хозяйстве является зависимость качественных показателей от условий внешней среды, способов организации производства, заготовки, переработки и хранения.
В агропромышленном комплексе мероприятия по улучшению качества продукта по фактору метал-ловключений разрабатываются с учетом анализа качества полученной продукции и возможности улучшения экономических условий ведения хозяйства, в частности, внедрения в производство достижений науки и техники, совершенствования первичной обработки сельскохозяйственных продуктов.
В комбикорме норматив доброкачественности не допускает наличие металлических частиц при величине их до 0,5 мм не более 0,01% [1]. В соответствии с ГОСТ содержание металлических примесей для разных категорий животных должно быть не более 30 мг/кг.
Литературных данных количества металлических включений в муке, комбикорме и в других сыпучих сельхозпродуктах нет. На комбикормовых заводах и мелькомбинатах Курганской области проведены выборки металлических включений. Статистический анализ показал, что наиболее многочисленная группа включений составляет 40-48 мг/кг, что выше нормы на 33-60 % [1]. Другими словами, существующая система машин, как факторно-технологический признак системы заготовок и переработки сельскохозяйственных продуктов, не дает требуемого качества этих продуктов по фактору металловключений.
Повышение качества сельскохозяйственных продуктов по фактору металловключений - это их производство в соответствии со стандартами по количеству содержания металлических примесей на единицу массы. В легкой, металлургической промышленности этот способ называется обогащением. Электромагнитный метод обогащения основан на использовании различий магнитных свойств материалов, подлежащих разделению. Разделение в электромагнитном поле под влиянием магнитных сил осуществляется способом удержания, извлечения и их комбинации. В дальнейшем данный процесс будем называть сепарацией, а электромагнитные установки - электромагнитными сепараторами. Все, выпускаемые серийно, электромагнитные сепараторы работают или по принципу «извлечения» («магнитная шайба»), или по принципу «удержания» («магнитный шкив»).
Для повышения качества сухих сыпучих сельхозпродуктов по фактору металловключений требуется решить ряд серьезных проблем. Так в технологических процессах получения муки, комбикорма электромагнитные (магнитные) установки устанавливаются перед основными рабочими машинами в основном для их защиты и не устанавливаются на выходе готовой продукции. И, как следствие, отсутствие очистительной установки в технологической линии на выходе продукта приводит к тому, что металлические частицы размером до 1,5-2,0 мм остаются в готовом продукте.
Существующие магнитные и электромагнитные сепараторы не отвечают требованиям, установленным государственными стандартами по муке, комбикорму и мясо-костной муке.
Рассмотрим работу серийных сепараторов [2]. При применении установок, работающих по принципу «удержания» типа «магнитный шкив», металлическая частица, которая расположена на поверхности слоя, должна преодолеть силу сопротивления Рс при сходе материала с ленты конвейера (рис. 1).
Не производя детального анализа силового взаимодействия системы «частица-масса сепарируемого материала - «магнитный шкив» следует отметить, что преодолеть сопротивление массы сепарируемого материала при малых размерах частиц при таком способе сепарации весьма трудно и он может быть рекомендован только для предварительной сепарации.
При применении сепараторов типа «магнитная шайба», работающих на принципе «извлечения» металлических частиц из слоя сепарируемого материала, сила сопротивления Рс будет также весьма большой. Учитывая, что расстояние от извлекаемой частицы до поверхности полюса здесь будет значительно больше, так как необходимо по условиям эксплуатации между лентой конвейера и полюсом магнита предусматривать
определенный зазор, то сила магнитного притяжения Рм при одной и той же магнитодвижущей силе будет значительно меньше. Поэтому следует признать, что применение этого способа для магнитной сепарации сухой массы мелкого помола будет малоэффективно. Однако именно эти способы магнитной сепарации нашли применение в конструкциях выпускаемых промышленностью сепараторов практически во всех отраслях промышленности, в том числе и в агропромышленном комплексе.
Рис. 1. Схема силового взаимодействия системы «магнитная частица - масса сепарируемого материала - магнитная система» в подвесных сепараторах типа «магнитный шкив»
и «магнитная шайба»
Рассмотрим возможные пути повышения эффективности электромагнитных сепараторов.
Анализ работы магнитных сепараторов показывает, что увеличение силы магнитного притяжения при неизменной технологии производства возможно лишь за счет увеличения индукции магнитного поля В.
Существенное повышение уровня В может быть достигнуто лишь при создании замкнутой магнитной системы и применения специальных устройств - концентраторов магнитного поля.
Исследованиями установлено, что для повышения В в рабочей зоне сепаратора целесообразно применение концентраторов магнитного поля специальных форм.
Для уменьшения силы сопротивления Рс считаем рациональным производить разделение немагнитной и магнитной фракций в процессе свободного падения разрыхленной сепарируемой массы (рис. 2) в вертикальной рабочей зоне. Если путь разделения выбран достаточно большим, то эффективность сепарации может быть весьма высокой. Этот способ магнитной сепарации рационален при сухой очистке сыпучих смесей сельскохозяйственного назначения (мука, комбикорм и др.).
Магнитное поле между полюсами создается катушками намагничивания за счет прохождения через них электрического тока I. Электрический ток, текущий в контуре катушки, создает магнитный поток Ф. Зависимость магнитного потока от силы тока общеизвестна:
Ф = а• I, (1)
где а- индуктивность катушки.
Однако линейная зависимость магнитного потока от силы тока наблюдается только в том случае, если магнитная проницаемость «ц« среды не зависит от напряженности поля Н. В противном случае, цявляется сложной функцией от силы тока I , поскольку
В = ц ц Н , (2)
где ц о - магнитная проницаемость в вакууме, Гн/м;
В - магнитная индукция, Тл.
При неизменной силе тока I полный магнитный поток Ф может изменяться за счет изменения формы и размеров катушки. Следовательно, и индуктивность а зависит от формы, размеров катушки и от магнитных свойств окружающей среды. Определим индуктивность катушки.
Рис. 2. Схема силового взаимодействия в предлагаемом сепараторе для очистки сыпучих сельскохозяйственных продуктов
Если условно принять длину катушки бесконечно большой, то при протекании по ней тока I возбуждается однородное поле, индукция которого
В = ц0 • ц • п • I, (3)
где п - число витков катушки, приходящееся на единицу длины.
Магнитный поток через каждый из витков равен
Ф = В • Б , (4)
где Э - площадь поперечного сечения, м2.
Полный магнитный поток (потокосцепление):
¡у = N • Ф = п • £ • В • Б = ц0 • ц • п2 • £ • Б • I, (5)
где £ - длина катушки;
N = п £ - полное число витков катушки.
Сопоставляя формулы (1) и (4), получим для индуктивности катушки следующее выражение:
а = ц0 ц п • £ • Б = ц0 ц п • V , (6)
где V = £ Э - объем катушки.
Проводник с индуктивностью а по которому течет ток I, обладает энергией №.
V. (7)
2
Эта энергия локализована в возбуждаемом током магнитном поле. Выразим энергию магнитного поля через величины, характеризующие само поле. В случае очень длинной катушки индуктивность катушки выражается формулой (6). Напряженность поля Н бесконечно длинной катушки равна произведению силы тока I на число витков, приходящееся на единицу длины «п».
Н = п1 . (8)
Из формулы (8) имеем следующее значение I:
I=H.
n
(9)
Подставляя значение индуктивности а из формулы (6) и значение тока I из формулы (9), получим следующее значение энергии 1У:
^ = М°МН у . (10)
2
Выражая напряженность магнитного поля Н через магнитную индукцию (3), получим:
W =
B2
2ju0ju
V
(11)
Магнитное поле бесконечно длиной катушки локализовано внутри катушки и распределено по ее объему с постоянной плотностью о, которую можно найти, разделив \Мна V. Производя это деление, получим
О =
B2
2МоМ
(12)
Зная плотность энергии магнитного поля в каждой точке, можно найти энергию поля в любом объеме V. Для этого нужно вычислить интеграл
W = jo dV = J
B 2
2 (13)
у у
Поскольку металлическая частица будет занимать в магнитном поле объем, равный объему частицы, то энергию этого объема можно определить как
W = f-
J
B2
■dV =■
B2 r B2
f dV =
•vr
2MoM '
(14)
V2MoM 2MoMv
v r v r
где Vr - объем частицы.
На металлическую частицу, помещенную в магнитное поле, действует магнитная сила Fm= - grad W[2] Подставляя в эту формулу значение потенциальной энергии W из формулы (14), имеем
Fm = - grad
B V
V 2
r g rad B2.
(15)
2МоМ 2МоМ
Многочисленные эксперименты с опытными электромагнитными сепараторами позволили выразить магнитную индукцию в следующем виде:
B = Bmax -AB
1 - e
-d ^
dn
(16)
V У
где Втах - максимальное значение магнитной индукции, Тл;
АВ = Втах - Втт ;
Втт - минимальное значение магнитной индукции, Тл;
й - эмпирический коэффициент (конструктивная постоянная);
й - расстояние точки измерения магнитной индукции от активного полюса, м.
Поскольку нас интересует значение магнитной силы, действующей в направлении оси х, подставим в формулу (15) значение производной по х. Получим следующее значение магнитной силы, действующей на частицу вдоль оси х.
Т2
? Уг л ' ' ’ '
м йх
f x \
B -AB 1 - e dn
max
V У
MoMdn
e dn + AB • e dn
x
Полученная формула является расчетной при определении параметров электромагнитного сепаратора.
На основе проведенных исследований произведена конструктивная разработка установки для сухой сепарации (условное название УСС), которая содержит (рис. 3) магнитную систему, включающую магнито-провод 1, полюсные наконечники 2, магнитный ротор 3, намагничивающие катушки 4. Магнитный ротор 3 вращается и налипшие на него металлические частицы снимаются скребком 5. Вращение ротор получает от привода 6 через зубчатую коническую пару 7 и вал 8. Опирается ротор на упорный шарикоподшипник 9, защита которого от пыли производится с помощью сальникового уплотнения (на схеме не показано) и резиновых уплотнений 10, расположенных на роторе 3. Смазка подшипников (скольжения и качения) осуществляется через резьбовое отверстие, закрытое штифтом 11. Подача сепарируемого материала производится через загрузочный бункер 12. Для предотвращения забивания и налипания материала на детали бункера на его стенки на специальном кронштейне установлен электродвигатель 13, на валу которого расположена дисбалансовая шайба 14. Бункер снабжен отсекателем 15 и разрыхляющей решеткой 16. При наличии крупных частиц, размеры которых превышают проходное сечение сепаратора, они решеткой 16 направляются в патрубок 17, откуда посредством заслонки 18 поступают в специальную тару.
Для повышения надежности работы и эффективности магнитной сепарации на магнитном роторе концентраторы магнитного поля выполнены в виде глухих отверстий («дырочные» концентраторы) 19, заполненных немагнитным материалом.
Существенное повышение эффективности сепарации обеспечивается за счет того, что между полюсным наконечником 2 и магнитным ротором 3 в рабочем зазоре установлена немагнитная прокладка 20, при этом зазор между немагнитной прокладкой и магнитным ротором выполнен уменьшающимся в вертикальном направлении (конусная щель). Производительность сепаратора не превышает 1000 кг/ч.
Электромагнитная установка УСС-3 (рис. 3) более высокопроизводительна и предназначена для удаления металлических примесей из сухих сыпучих материалов сельскохозяйственного назначения (комбикорм, мука, крупа, зерно и др.). На предприятиях агропромышленного комплекса данное устройство может устанавливаться в линию приготовления комбикормов завода с производительностью до 10000 кг/ч. Отличительной особенностью УСС-3 является то, что для создания неоднородного магнитного поля в рабочем зазоре сепаратора используются постоянные магниты.
Электромагнитный сепаратор УСС-4 (рис. 3) имеет производительность 20000-30000 кг/ч при относительно малых габаритных размерах. Он предназначен для удаления металлических примесей из сухих сыпучих материалов (комбикорм, мука, крупы, зерно, зерносмеси и др.).
Установка УСС-4 (рис. 3) содержит магнитопровод 1 с полюсными наконечниками 2, четыре катушки намагничивания 3, продуктопровод 4, внутри которого в верхней части расположены отбойники 5 из немагнитного материала, а в средней части, находящейся в межполюсном пространстве, установлены выемные блоки 6, расположенные на направляющих 7, изготовленных из угловой стали. Каждый выемной блок 6 содержит ряд наклонно расположенных полиградиентных пластин 8 и 9, между которыми имеется воздушный зазор. При этом верхние полиградиентные пластины 8 с помощью магнитопроводящих пластин 10 и 11 магнитно подсоединены к одному полюсному наконечнику, а нижние полиградиентные пластины 9 с помощью магнитопроводящих пластин 12 и 13 магнитно присоединены к другому наконечнику.
В зависимости от сепарируемого материала наклон пластин в соседних выемных блоках может быть таким, как показано на рис. 3, или же каждый последующий по ходу продукта блок будет иметь противоположный наклон пластин. Рациональная схема расположения блоков определяется экспериментально в зависимости от сепарируемого материала. Продуктопровод 4 с лицевой стороны имеет окно, которое закрывается крышкой 14 с помощью зажимов 15.
Установка УСС-4 работает следующим образом. При подаче напряжения на катушке намагничивания в межполюсном пространстве, особенно в зазоре между полиградиентными пластинами 8 и 9 в каждом выемном блоке, создается неоднородное магнитное поле с высоким значением магнитной индукции. Сепарируемый материал проходя один за другим выемные блоки, неоднократно попадает в зону с высокими значениями магнитной индукции В и grad B. При этом металлические частицы притягиваются к полиградиентным пластинам. От сбивания потоком материала магнитные частицы, притянутые к деталям выемных блоков, защищаются в укрытиях, какими являются отверстия на этих деталях и нижние грани всех ферромагнитных деталей выемных блоков.
При завершении процесса сепарации выемные блоки удаляются из продуктопровода 4 при открытой крышке 14 и очищаются вне магнитного поля от налипших частиц с помощью щетки.
Рис. 3. Электромагнитные сепараторы серии УСС
Электромагнитный сепаратор УСС-5М предназначен для очистки от металлических примесей мясокостной муки. Сепаратор содержит магнитопровод 1 с полюсными наконечниками 2, катушки намагничивания 3, выемной блок продуктопровода 4 с укрепленными на внутренних боковых стенках концентраторами глубинной 5 и поверхностной 6 сепарации, клиновидный распределитель материала 7, опорных роликов 8, расположенных на кронштейне 9. Концентраторы 5 глубинной сепарации содержат на боковых поверхностях дырочные концентраторы, а на торцевых - насечку. Под клиновидным распределителем 7 на осях 10, расположенных горизонтально и параллельно полюсным наконечникам 2, шарнирно закреплены полиградиент-ные элементы, содержащие втулки 12 с возможностью поворота на оси 10, и стержни 11, жестко укрепленные на втулках 12. Угол поворота стержней 11 не превышает 90о. Полюсные наконечники образуют своими внутренними поверхностями в верхней части конусную щель, симметричную относительно вертикали, переходящую в нижней части в щель постоянного сечения. Выемной блок 4 выполнен по форме межполюсного пространства с возможностью выдвижения его на опорные ролики 8 кронштейна 9 для удаления налипших металлических примесей. В нижней части выемного блока концентраторы поверхностной сепарации образуют лабиринтную щель размерами (минимальными) 33х390 мм.
Электромагнитный сепаратор работает следующим образом. При подаче напряжения на катушки намагничивания 3 в межполюсном пространстве создается неоднородное магнитное поле. Сепарируемый сыпучий материал клиновидным распределителем 7 подается на боковые стенки выемного блока продукто-провода 4. Благодаря наличию концентраторов поверхностной 6 и глубинной 5 сепарации, магнитные частицы удаляются из сыпучей смеси, при этом они не сбиваются потоком материала с концентраторов, так как на концентраторах поверхностной сепарации они имеют «укрытия» в виде впадины, расположенной между нижней торцевой гранью вышележащей пластины и боковой плоскостью нижележащей пластины, а на концентраторах 5 глубинной сепарации - внутри отверстий 10. Поворотные концентраторы индукции 11 поворачиваются на осях 10 на угол не более 90о и занимают положение 13 (показано пунктиром) с расположением стержней 11 вдоль магнитных силовых линий, усиливая магнитную индукцию в зоне сепарации. Благодаря наличию поворотных полиградиентных элементов, увеличивается извлечение магнитных включений, особенно в центре съемного блока. При прохождении крупных частиц и комков стержни 11 отклоняются вниз, поворачиваясь вокруг оси 10, пропуская негабаритный материал. То же самое происходит при увеличении объема проходящего материала.
При завершении процесса сепарации выемной блок 4 выдвигается из межполюсного пространства на опорные ролики 8 кронштейна 9, после чего происходит размагничивание всех видов концентраторов выемного блока и удаление налипших на них металлических примесей. В случае возможного забивания материала, в выемном блоке продуктопровода предусмотрен рыхлитель с ручным приводом.
Выполнение симметричной конусной щели в межполюсном пространстве магнитной системы, применение выемного блока из ферромагнитного материала с концентраторами поверхностной и глубинной сепарации на боковых стенках обеспечивают высокую эффективность сепарации при большой производительности установки, надежную и длительную работу. Производительность данной установки составляет 5000 кг/ч.
Электромагнитные сепараторы серии УСС могут также решать задачу по очистке семян от сорняков. Для этого в массу семян культурных растений вводят мелкий железный порошок, который "въедается” в поверхность семян сорняков, обволакивая их металлическим налетом, но не задерживается на гладкой поверхности культурных семян. После такой предварительной обработки смеси семян из нее электромагнитом удаляют семена сорняков.
Таким образом, решены следующие проблемы сепарирования сыпучих материалов сельскохозяйственного назначения:
- достигнута универсальность сепараторов серии УСС, которая позволяет использовать их без замены рабочих органов при минимальном объеме технологических регулировок для отделения металлоприме-сей в любых сыпучих материалах;
- конструктивное исполнение электромагнитного сепаратора допускает простой восстановительный ремонт его деталей, а технология изготовления практически безотходная.
Благодаря указанным особенностям, электромагнитные сепараторы серии УСС могут служить базой для внедрения гибких технологий в процессах очистки сухих материалов сельскохозяйственного назначения. Конструкция сепаратора УСС позволяет создать на его основе параметрический ряд машин производительностью до 50 т/ч многоцелевого назначения.
Литература
1. Чарыков, В.И. Рекомендации по использованию электромагнитных сепараторов в технологических процессах АПК / В.И. Чарыков. - Курган: Изд-во КГСХА, 2002. - 38 с.
2. Сумцов, В.Ф. Электромагнитные железоотделители / В.Ф. Сумцов. - М.: Машиностроение, 1981. - 212 с.
--------♦-----------
УДК 630. 377. 44 В.И. Поддубный, А.С. Павлюк, A. Warkentin
МЕХАТРОННАЯ МОДЕЛЬ КОЛЕСНОГО ТРАКТОРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ДВИЖЕНИЯ И УПРАВЛЯЕМОСТИ
Математическое моделирование движения позволяет установить оптимальные конструктивные и эксплуатационные параметры колесных машин. Развитие вычислительной техники и современного прикладного объектноориентированного программного обеспечения позволяет произвести разработку модели колесной машины как мехатронной системы, состоящей из отдельных частей. Такие возможности предоставляют специализированные пакеты Matlab-Simulink, Matlab-SimMechanik, CaMEL-View и другие.
Для разработки модели колесного трактора был применен прикладной пакет CaMEL -View, разработанный специалистами фирмы iXtronics GmbH (Германия). Программа использует идеологию визуального объектно-ориентированного программирования и предназначена для создания моделей различных механических систем, их анализа и оптимизации [1]. На рис.1 представлено топологическое отображение мехатронной модели колесного трактора К-701, на рис. 2 изображена 3D - модель трактора К-701 в CaMEL -View.
anregungFahrbahn
AnregungFahibahr
podwes
—-: С-' fMo
PodwesClass
signalGenera
iss
Fi
FoidermassCass
scharnir
-ot> fMo-
ScharnirCass lenkung
LenkungCass
HintenmassCass
SignalGeneratorClass
Рис. 1. Топологическое отображение модели трактора К-701
Трактор состоит из двух шарнирно соединенных частей - передняя часть (fordermass) и задняя часть (hintermass). Передняя и задняя части соединяются шарниром scharnir, обеспечивающим взаимные угловые перемещения относительно продольной и вертикальной осей. Блок Lenkung генерирует внутренний момент, обеспечивающий угол слома рамы по задаваемому закону. Блок AnregungFahrbahn обеспечивает возмущающее воздействие на колеса трактора со стороны рельефа опорной поверхности. Различные формы входных сигналов для Lenkung и AnregungFahrbahn поставляет генератор сигналов signalGenerator. Сочленение Podwes обеспечивает перемещение трактора, как абсолютно твердого тела с шестью степенями свободы, относительно опорной поверхности, представленной блоком osi.
