Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса и задачи исследований 10
1.1 Общая характеристика технологических смазочно-охлаждающих жидкостей при механической обработке 10
1.2 Загрязнение и изменение свойств ТСОЖ при функционировании в циркуляционных системах 13
1.3 Анализ существующих методов и установок для очистки технологических жидкостей
1.3.1 Методы очистки технологических жидкостей 17
1.3.2 Магнитные установки для очистки технологических жидкостей.
1.4 Анализ существующих концентраторов магнитного поля 31
1.5 Основные закономерности и обзор исследований по магнитной очистке технологических жидкостей Постановка задачи исследования
ГЛАВА 2 Теоретическое обоснование использования электромагнитного сепаратора для очистки технологических жидкостей 41
2.1 Комплексные технологические линии работы электромагнитного сепаратора в ремонтно-обслуживающих предприятиях АПК 41
2.2 Математическая модель процесса очистки от металлических частиц в электромагнитном сепараторе 44
2.3 Теоретический анализ очистки технологических жидкостей от металлических частиц в электромагнитном сепараторе 59 Выводы по главе 65
ГЛАВА 3 Программа и методика экспериментальных исследований 66
Планирование и программа экспериментальных исследований
3.2 Разработка экспериментально-лабораторной модели электромагнитного сепаратора 67
3.3 Методика разработки концентраторов магнитного поля 70
3.4 Методика расчета магнитной системы электромагнитного сепаратора 72
3.5 Методика расчета полупроводниковых преобразователей энергии для питания электромагнитного сепаратора 76
3.6 Методика исследования распределения магнитной индукции в рабочем канале сепаратора 77
3.7 Методика обработки экспериментальных данных по исследованию факторов, определяющих величину магнитной индукции в рабочем канале сепаратора 80
3.8 Методика исследования эффективности электромагнитной очистки технологических жидкостей 3.8.1 Подготовка к эксперименту 87
3.8.2 Проведение эксперимента 88
3.8.3 Показатели эффективности системы очистки ТСОЖ 90
3.8.4 Требования к частоте ТСОЖ при их эксплуатации 90
3.9 Методика исследования теплового режима катушек намагничивания 92
Выводы по главе 94
ГЛАВА 4 Результаты эксперементальных исследований электромагнитного сепаратора 95
4.1 Результаты моделирования полупроводниковых
преобразователей энергии для питания электромагнитного сепаратора
4.2 Результаты расчета магнитной системы сепаратора 101
4.3 Результаты исследования распределения индукции магнитного поля в рабочем канале сепаратора 105
4.4 Результаты исследования факторов, влияющих на величину магнитной индукции в рабочем канале сепаратора 109
4.5 Результаты экспериментального определения загрязнения ТСОЖ. 116
4.6 Результаты исследования теплового режима катушек
намагничивания электромагнитного сепаратора 118
Выводы по главе
ГЛАВА 5 Технико-экономическая эффективность применения электромагнитного сепаратора 124
5.1 Многопараметрическая оптимизация технологического процесса очистки ТСОЖ в циркуляционных системах станков 124
5.1.1 Построение модели базового варианта 128
5.1.2 Построение модели проектного варианта 132
5.2 Определение годового экономического эффекта от внедрения электромагнитного сепаратора 135
Выводы по главе 137
Список сокращений и условных обозначений 138
Заключение 139
Список литературы
- Загрязнение и изменение свойств ТСОЖ при функционировании в циркуляционных системах
- Математическая модель процесса очистки от металлических частиц в электромагнитном сепараторе
- Методика исследования распределения магнитной индукции в рабочем канале сепаратора
- Результаты расчета магнитной системы сепаратора
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время ремонтно-обслуживающие предприятия сельского хозяйства постепенно переходят на использование станочного оборудования нового поколения, которое наряду с более высокими технико-экономическими и эксплуатационными показателями, в сравнении с традиционно использовавшимся является более чувствительным к загрязнениям и предъявляет более жесткие требования к процессу эксплуатации, ввиду чего классические подходы к использованию и регенерации технологических жидкостей теряют свою актуальность. В связи с этим требуются разработка и внедрение новых технических средств и технологических решений по очистке технологических смазочно-охлаждающих жидкостей, отвечающих современным требованиям.
Очистка технологических смазочно-охлаждающих жидкостей позволяет повысить качество обработки металлических изделий и продлить срок службы станочного оборудования. При этом широко используемые способы магнитной очистки требуют постоянного совершенствования.
Основным направлением совершенствования магнитной очистки является разработка аппаратов и устройств нового поколения – электромагнитных сепараторов с возможностью регулирования индукции магнитного поля и повышения степени его неоднородности, а также увеличение площади воздействия последнего на очищаемое сырье. Недостаточное исследование специальных устройств – концентраторов магнитного поля, входящих в состав электромагнитных сепараторов, а также методов определения оптимальных параметров сдерживают развитие данного направления.
Работа выполнена в рамках программ «Концепция развития аграрной науки и научного обеспечения агропромышленного комплекса Российской Федерации на период до 2025 года» и «Стратегия машинно-технологической модернизации сельского хозяйства России на период до 2020 года», а также в соответствии планом НИР Курганской ГСХА на 2015–2020 гг.
Степень разработанности темы. В решение проблемы механической магнитной очистки и исследование электромагнитного поля внесли свой вклад как известные отечественные ученые: Л. В. Худобин, Е. М. Булыжев, А. Н. Литвиненко, В. В. Ефимов, Г. А. Епутаев, В. В. Кармазин, В. И. Кармазин, А. Б. Солоденко, А. А. Солоденко,
A. Ю. Коняев, Ф. Н. Сарапулов, Ф. Р. Исмагилов, Р. Р. Саттаров,
Е. Г. Андреева, В. Ю. Нейман, К. С. Демирчан, И. И. Пеккер,
Ю. В. Телешев, Ю. В. Полянсков, В. С. Зуев, В. И. Чарыков,
B. А. Жужиков, О. С. Хабаров, С. В. Яковлев, А. И. Месеняшин,
Д. Н. Смирнов, так и их коллеги за рубежом: J. A. Williams,
P. G. Marstoun, Р. Krause, Н. А. Leupold, J. Pitel, J. Svoboda,
V. L. Ganzha, D. G. Grier, R. W. Chantrell.
Теоретические основы отделения металлических примесей были подробно проанализированы в исследованиях и трудах Н. Е. Авдеева, В. С. Зуева, В. И. Чарыкова, В. Ф. Сумцова, В. В. Кармазина, В. И. Кармазина, А. Б. Солоденко, А. А. Солоденко, Н. Ф. Олофин-ского, В. П. Егорова, И. Л. Повха.
Современные представления о механизме действия технологических жидкостей развиты в работах П. А. Ребиндера, М. И. Клуши-на, В. Н. Латышева, В. Л. Худобина, Н. В. Талантова, С. Г. Энтелиса, Э. М. Берлинера, Э. М. Деришева, Ю. С. Дубровского, Е. В. Лебедева, Н. Н. Семенова, А. И. Исаева, Н. В. Перцова, И. Э. Виноградова, В. Н. Сердюка, А. Г. Наумова, В. Г. Гусева, В. В. Маркова, Т. Манга, У. Дрезеля и др. ученых.
Цель исследования: повышение качества очистки технологических жидкостей металлообрабатывающих станков путем разработки концентраторов магнитного поля с оптимальными параметрами.
Для достижения поставленной цели решались следующие
задачи:
-
Разработать математическую модель процесса очистки технологической жидкости от металлических частиц по наклонной плоскости в электромагнитном сепараторе, связывающую время движения частиц с режимными и конструктивными параметрами сепаратора.
-
Разработать технические средства для электромагнитной очистки технологических жидкостей от металлических примесей и произвести оценку качества очистки до и после прохождения сепарации.
-
Определить конструктивные параметры концентратора магнитного поля, электрические характеристики сепаратора и температурный режим катушек намагничивания для установления режима работы очистки материала электромагнитным сепаратором.
-
Оценить технико-экономическую эффективность использования электромагнитного сепаратора.
Объект исследования: процесс очистки технологических жидких продуктов от металлических частиц на электромагнитном сепараторе.
Предмет исследования: взаимосвязь технических характеристик электромагнитного сепаратора с его основными технологическими и конструкционными параметрами, влияющими на степень очистки от металлических примесей.
Научная новизна заключается в следующих положениях:
-
Разработана математическая модель процесса очистки технологической жидкости от металлических частиц, позволяющая исследовать время движения частиц в электромагнитном поле в зависимости от режимных и конструктивных параметров сепаратора с учетом физико-механических свойств технологической жидкости.
-
Предложена конструкция электромагнитного сепаратора, обеспечивающего совершенствование технологии очистки за счет использования концентраторов магнитного поля для повышения качества сепарируемой технологической жидкости.
-
Получены оптимизированные характеристики электромагнитного сепаратора, включающие в себя размер ячейки и диаметр проволоки концентратора, на основе установленных взаимосвязей технологических и конструктивных параметров.
Теоретическая и практическая значимость результатов работы. Разработана математическая модель очистки от металлических частиц в зависимости от физико-механических свойств технологической жидкости.
Полученные результаты исследований могут быть использованы в НИИ, а также при проектировании комплексных технологических линий с электромагнитными сепараторами на предприятиях АПК.
Предлагаемая конструкция электромагнитного сепаратора, новизна которой защищена патентами РФ № 2516608 и № 132740, и техническая документация по его эксплуатации внедрены в ООО «Кетовская агрохимия», на машиностроительном предприятии ООО «Курганский метизный завод» («СИБМАШ», г. Курган) и на строительном предприятии «МоноТехКомплект-Строй» (г. Екатеринбург).
Результаты исследования используются в учебном процессе на кафедре электрификации и автоматизации сельского хозяйства ФГБОУ ВО «Курганская ГСХА им. Т. С. Мальцева» при проведении лабораторных занятий по дисциплине «Электрооборудование
и электропривод в сельскохозяйственном производстве», а также при проведении теоретических занятий по дисциплине «Теории электромагнитного поля».
Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач применялась Максвелловская теория электромагнитного поля, теория электрических цепей, теория тепловых полей, численное решение дифференциальных уравнений, математический регрессионный анализ, активное планирование эксперимента, методы математического моделирования на ПК с использованием программных пакетов Simulink для моделирования полупроводниковых преобразователей энергии, ANSOFT Maxwell для расчета магнитной системы сепаратора, ELCUT для теплового расчета катушек намагничивания.
Положения, выносимые на защиту:
-
Математическая модель процесса очистки технологической жидкости от металлических частиц в рабочем канале сепаратора с определением параметров времени движения и времени притяжения металлических частиц.
-
Конструкция электромагнитного сепаратора с концентратором электромагнитного поля, повышающим качество очистки технологической жидкости.
-
Оптимальные характеристики электромагнитного сепаратора, обеспечивающие максимальную величину магнитной индукции в рабочем канале.
Степень достоверности и апробация результатов исследования подтверждаются корректностью поставленных задач и целей, путем сравнения результатов, полученных в ходе математических расчетов и экспериментальных исследований.
Основные положения и результаты работы обсуждались и были одобрены на научных конференциях, таких как: «Энергетика в современном мире» (ЗабГАУ, г. Чита, 2011 г.), «Инновационные электротехнологии и электрооборудование – предприятиям АПК» (ФГБОУ ВПО «Ижевская ГСХА», г. Ижевск, 2012 г.), «Актуальные проблемы АПК» (ФГБОУ ВПО «Саратовская ГСХА», г. Саратов, 2013 г.), «Инновации и исследования в транспортном комплексе» (ЗАО «Курганстальмост», г. Курган, 2013 г.), Молодежном научно-инновационном конкурсе «У.М.Н.И.К.» (г. Курган, 2013 г.), «Современная наука – агропромышленному производству» (ФГБОУ ВПО «ГАУ Северного Зауралья», г. Тюмень, 2014 г.), а также на ежегодных международных научно-технических конференциях КГСХА
и ЮУрГАУ (ЧГАА) (2011–2016 гг., г. Курган, г. Челябинск). На специализированной выставке-ярмарке инновационных проектов Курганской области (г. Курган, ТРЦ Гипер Сити, 2013 г.).
Публикации. По результатам исследования опубликовано 27 научных работ, в том числе 9 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 патента РФ на изобретение, 2 патента РФ на полезную модель, 1 монография.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения по работе, библиографии из 175 наименований и 4 приложений. Содержание работы изложено на 174 страницах, текст содержит 86 рисунков и 17 таблиц.
Загрязнение и изменение свойств ТСОЖ при функционировании в циркуляционных системах
Очистка методом фильтрации [9; 72] позволяет удалять любые механические примеси из жидкостей вне зависимости от природы их происхождения или физико-химических свойств. Также данный метод очистки характеризуется отсутствием (в большинстве случаев) необходимости в прерывании установившегося потока ТСОЖ, используемого в технологическом процессе механической обработки. Степень очистки регулируется размерами пропускающих ячеек фильтрующих элементов и количеством ступеней очистки. Наибольшей степенью и скоростью очистки характеризуются фильтры, работающие под давлением.
Мерой эффективности фильтрации ТСОЖ является степень очистки, характеризующаяся отношением массовой доли задержанных системой фильтрации частиц к общей массе загрязнения, а также потерями давления циркуляционной системы в модуле фильтрации. Эффективность данного метода обусловлена очисткой ТСОЖ от любых видов примесей вне зависимости от их плотности или гранулометрического состава. Недостатком данного метода является необходимость в частой замене или промывке фильтрующих элементов, а также значительные потери напора ТСОЖ, что приводит к необходимости значительного повышения мощности насосов системы циркуляции с пропорциональным увеличением стоимости оборудования и энергетических затрат.
Очистка ТСОЖ методом центрифугирования [46; 72] с точки зрения физики процесса представляет собой, в зависимости от конструкции применяемого оборудования, осаждение или фильтрование дисперсной системы загрязненной ТСОЖ под действием центробежных сил. В том и другом случае процесс центрифугирования обладает соответствующими преимуществами и недостатками, свойственными осаждению или фильтрованию, при этом оборудование может иметь циклический или непрерывный тип действия.
Процесс центрифугирования характеризуется рядом ключевых технологических параметров, которые определяют кинетику процесса: это фактор разделения, т.е. величина, характеризующая интенсивность центробежного поля, скорость центрифугирования, а также степень (или производительность) очистки. Сепарация технологических жидкостей представляет собой с технической точки зрения достаточно широкое понятие, требующее дополнительного уточнения в зависимости от параметров технологического процесса. Для очистки ТСОЖ в ремонтно-обслуживающих предприятиях сельского хозяйства характерно применение сепарации по магнитным свойствам компонент среды, при этом классификация разновидностей данного метода производится в зависимости от конструктивных особенностей используемого оборудования, точнее от способа получения магнитного поля. По характеру технологического процесса установки сепарации делятся на циклические и непрерывного действия.
К основным показателям эффективности технологического процесса относятся скорость, степень очистки и производительность оборудования.
Существует множество устройств, реализующих магнитные методы очистки технологических жидкостей [57]. На практике конкретное устройство выбирается в зависимости от свойств перерабатываемой жидкости или сырья, а также от требуемой производительности и качества очистки.
В Курганской государственной сельскохозяйственной академии имени Т.С. Мальцева (Курганский сельскохозяйственный институт) В.С. Зуевым, В.И. Чарыковым, С.А. Соколовым, В.Д Романовым, А.С. Умудовым и др. разработан комплекс машин для сепарации пластичных жидких материалов от метал-ломагнитных примесей (Патент РФ №2006289, №2513946, №132741, А.С. СССР №1553175, №1681961) [82; 87; 90; 93; 95].
Полиградиентный электромагнитный сепаратор для удаления металлических примесей из жидких материалов представлен на рисунках 1.6, 1.7 [82]. Рисунок 1.6 – Электромагнитный Рисунок 1.7 – Разрез А-А сепаратор электромагнитного сепаратора
Электромагнитный сепаратор представляет собой станину (не показана на чертеже) с наклонно установленной на ней магнитной системой, которая содержит 1 – общий нижний полюсной наконечник; 2 – П-образные магнитопроводы, включающие верхние полюсные наконечники; 3 – немагнитные вставки, разделяющие на две части П-образные магнитопровды; 4 – немагнитные вставки, разделяющие соседние магнитопровды; 5 – немагнитный материал покрытия нижнего и верхних полюсных наконечников, исключающий попадание продуктов коррозии металлов в сепарируемую ТСОЖ, изготавливаемый из нержавеющей стали; 6 – сердечники намагничивающих катушек; 7 – намагничивающие катушки; 8 – магнитопровод, обеспечивающий замыкание магнитного потока, закрепленный на верхних торцах сердечников; 9 – немагнитные вставки, закрывающие ще-левидный желоб h = 25…30 мм, образованный между нижним и верхним полюсными наконечниками; 10 – загрузочное устройство; 11 – приемник очищенной жидкости; 12-15 – полгирадиентная среда, представляющая собой концентраторы из спиралей 12, расположенных на штангах 13, и спиралей меньшего диаметра 14, расположенных между спиралями 12, переплетенные с ними и между собой. Штанги 13 прикреплены к бесконечным цепям 15, которые с помощью привода (на чертеже не показан) могут обеспечить перемещение полиградиентной среды. Спирали 12 и 14, штанги 13 изготовлены из магнитомягкого материала. Электромагнитный сепаратор работает следующим образом: при подаче постоянного напряжения на катушки 7 П-образных электромагнитов зона сепарации пронизывается по всей ширине зазора магнитным потоком. Сепарируемая жидкость через загрузочное устройство 10 подается в зону сепарации и растекается равномерным слоем по всей ширине замкнутого наклонного желоба, образованного полюсными наконечниками 1 и 2, а также боковыми вставками 9. В зоне сепарации металломагнитные частицы притягиваются к концентраторам (12, 13, 14). Очищенная жидкость после многократной перечистки поступает в приемник 11. Снятие налипших металлических частиц с концентраторов осуществляется путем перемещения цепей 15 и смыва частиц водой из форсунок вне зоны сепарации.
Математическая модель процесса очистки от металлических частиц в электромагнитном сепараторе
Он способен обеспечить очистку всего рабочего объема ТСОЖ системы. Преимуществом такого способа является то, что степень очистки ТСОЖ практически не изменяется. Недостатком данной схемы является чувствительность к различным отклонениям в параметрах работы системы. В случае, когда станок, снабжаемый ТСОЖ, не работает, подача ТСОЖ полностью прекращается, что приводит к остановке работы электромагнитного сепаратора.
Технология групповой очистки ТСОЖ заключается в сборе с технологического оборудования (ряда или группы станков) ТСОЖ и направляется в систему очистки, где очищается от металлических примесей в электромагнитном сепараторе (рисунок 2.3). Затем жидкость снова поступает на технологическое оборудование, и так цикл за циклом в течение нескольких месяцев.
Технология централизованной очистки ТСОЖ заключается в сборе с технологического оборудования (производственного участка, сборочного цеха, машинно-тракторной мастерской) ТСОЖ и направляется в систему очистки, где очищается от металлических примесей в электромагнитном сепараторе (рисунок 2.4). Затем жидкость снова поступает на технологическое оборудование, и так цикл за циклом в течение нескольких месяцев.
Также существуют линии [72] вспомогательной (частичной) промежуточной очистки (рисунок 2.5), сепаратор может быть небольших размеров, рассчитанный на 10-20% от всего объема циркулирующей ТСОЖ. Однако при этом общая концентрация металлических примесей в ТСОЖ будет сравнительно высокая при относительно низких затратах. Загрязненная ТСОЖ 10- Вспомогательный поток ТСОЖ
В случае вспомогательного потока полной очистки (рисунок 2.6) удаление металлических примесей в циркулирующей системе не зависит от работы самой системы. В этом случае в отличие от вспомогательного потока частичной (промежуточной) очистки на стадии удаления металлических примесей очищается 100-110% объема ТСОЖ от нормальной загрузки циркуляционной системы, так что уровень загрязненности ТСОЖ весьма низок.
Существующие модели В.И. Чарыкова, В.С. Зуева [20; 36; 49; 135; 137; 139; 144], В.В. Кармазина, В.И. Кармазина [53], Е. М. Булыжева [74], А.Б. Cолоденко, А.А Солоденко [119] движения металлических частиц в магнитных полях не учитывают силы сопротивления от устройств, создающих неоднородность магнитно 45 го поля, вследствие чего полученные данные не до конца описывают весь процесс движения металлических частиц.
Процесс электромагнитной очистки технологической жидкости от металлических частиц можно разделить на три стадии: - намагничивание металлических частиц в магнитном поле; - движение намагниченных частиц в рабочем канале сепаратора; - осаждение и поведение намагниченных частиц на концентраторе магнитного поля. Нами предложена математическая модель очистки от металлических частиц [39; 43; 143], учитывающая силу сопротивления от концентраторов магнитного поля, что позволяет достовернее описывать процесс движения металлических частиц в магнитном поле.
Технологическая жидкость (рисунок 2.7) протекает равномерным слоем толщиной h вдоль наклонного рабочего канала 1 длиной / и шириной а. В рабочем канале за счет полюсных наконечников 1 сепаратора и концентратора магнитного поля 2 создается неоднородное высокоградиентное магнитное поле.
В рабочем канале сепараторе на металлическую частицу (рисунок 2.7) действует магнитная сила Fм, создаваемая магнитным полем, выталкивающая сила Fс, создаваемая технологической жидкостью; сила сопротивления концентратора Fк, создаваемая конструкцией последнего; сила тяжести mg и Архимедова сила Fа. Кроме того, возникает Fст сила сопротивления при соударении металлических частиц друг с другом и Fсм сила увлечения или смыва частицы движущимся потоком технологической жидкости. Действие данных сил не оказывает воздействия на процесс сепарации, т.к. размер металлических частиц невелик и составляет а 10 мкм.
Методика исследования распределения магнитной индукции в рабочем канале сепаратора
С целью изучения процесса очистки ТСОЖ в электромагнитном поле в лаборатории кафедры «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства» Курганской ГСХА им. Т.С. Мальцева была разработана и изготовлена экспериментально-лабораторная установка электромагнитного сепаратора (рисунок 3.1), которая защищена патентом РФ на изобретение № 2516608 и патентом РФ на полезную модель № 132740 (приложение А) [44; 88; 89].
Электромагнитный сепаратор состоит из основания и опорных стоек, на которых установлена наклонная магнитная система, меняющая угол наклона от 0 до 45, содержащая общий концентратор магнитного поля 1 (рисунок 3.4), несколько П-образных магнитопроводов. На нижней части рабочего канала 2, выполненного из немагнитного материала (нержавеющая сталь, композитный материал и др.), закреплены полюсные наконечники 3, выполненные в форме зигзага на верхней поверхности, разделенные немагнитными вставками 4. Полюсные наконечники 3 позволяют создать неоднородное высокоградиентное магнитное поле с направленной магнитной силой. На полюсном наконечнике 3 закреплены сердечники 5, на которых расположены намагничивающие катушки 6. Магнитный поток замы 69 кается концентратором магнитного поля 1. В верхней части электромагнитного сепаратора располагается загрузочное устройство 7, а в нижней части приемник 8. В рабочем канале располагается концентратор магнитного поля 1, геометрическая форма которого соответствует прямоугольной форме рабочего канала 2.
Электромагнитный сепаратор работает следующим образом.
При подаче постоянного напряжения на катушки 6 П-образных электромагнитов на концентраторе магнитного поля 1 за счет полюсных наконечников 3 создается неоднородное высокоградиентное магнитное поле с высоким значением магнитной индукции, и зона сепарации пронизывается по всей длине и ширине рабочего канала 2 магнитным потоком. ТСОЖ подается в зону сепарации и протекает равномерным слоем по концентратору магнитного поля 1. В зоне сепарации металлические частицы притягиваются к полюсу в направлении сходимости магнитных силовых линий и оседают на концентраторе магнитного поля 1. Очищенная ТСОЖ поступает в приемник 8. Очистку концентратора магнитного поля от металлических частиц осуществляют путем смывания частиц водой после сепарации. Подача ТСОЖ регулируется вентилем, установленным на загрузочном устройстве.
При разработке лабораторно-экспериментальной установки выполнялись следующие условия: - простота и оригинальность установки; - удобство в эксплуатации и обслуживании; - стабильность режимов работы; - возможность регулирования конструктивных и технологических параметров; - возможность наблюдения процесса сепарации. Рабочий канал выполнен из немагнитного материала со следующими размерами: длина 450 мм, ширина 100 мм и толщиной стенок 3 мм.
Электромагниты выполнены из стали М32, диаметр сердечников 12 мм, длина 135 мм. Полюсные наконечники (рисунок 3.5) имеют следующие размеры: длина 100 мм, ширина 30 мм и толщина 10 мм, глубина зигзага 5 мм.
Катушки намагничивания выполнены из обмоточного медного провода ПТВ диаметром 0,4 мм. Размеры катушки: hобм=123 мм; rвнеш=31 мм; rвнутр=13 мм.
Для экспериментальных исследований были разработаны и изготовлены сменные однотипные концентраторы магнитного поля (рисунок 3.7). При разработке экспериментальных концентраторов магнитного поля к ним предъявлялись следующие требования: простота конструкции и удобство в эксплуатации; стабильность режимов работы; возможность наблюдения процесса сепарации, а также возможность выемки концентраторов магнитного поля из рабочего канала сепаратора. – металлический корпус; 2 – стальная сетка Рисунок 3.6 – Схема концентратора магнитного поля
Концентраторы магнитного поля представляют собой набор плоских метал-ломагнитных сеток, расположенных параллельно рабочему каналу. Геометрические размеры (рисунок 3.6) концентратора магнитного поля соответствуют форме рабочего канала: длина l = 450 мм, ширина a = 100 мм, высота h = 22 мм. Рисунок 3.7 – Общий вид концентраторов магнитного поля
Расчет магнитной системы сепаратора выполняли в программе ANSOFT Maxwell. ANSOFT Maxwell – это мощный современный комплекс [110; 173; 175] программ для моделирования электромагнитных полей, применяемый для проектирования двухмерных и трехмерных моделей электрических и электромеханических устройств. Данный комплекс основан на методе конечны элементов [32; 79], достоверно описывает и рассчитывает электромагнитные и электрические поля.
Элемент сепаратора представляет собой П-образный электромагнит с одной обмоткой. Направление тока во всех катушках сепаратора одинаковое. Эскиз магнитной системы сепаратора для расчета магнитного поля представлен на рисунке 3.8.
Результаты расчета магнитной системы сепаратора
Выполняем моделирования выпрямителя, который работает на активно-индуктивную нагрузку, для того чтобы определить параметры источника питания сепаратора. Расчет выполнен при напряжении 220 В с последовательным соединением катушек намагничивания (рисунок 4.2). Расчет индуктивности катушки
Моделирование выпрямителя совместно с нагрузкой требует задания параметров нагрузки (активного сопротивления и индуктивности). Сопротивление катушек было найдено с помощью измерения параметров катушки. Для нахождения индуктивности выполнили расчет катушки в программе Elcut (рисунок 4.1). Исходные параметры катушки: Ток катушки I = 0,208 А; Число витков w = 16100 (количество витков); Ампервитки катушки lw - 3,05 10 А(количество витков). Для расчета числа витков катушки были заданные следующие параметры: Яго = 238 Ом - сопротивление одной катушки при Т = 20 С; d = 0,4 мм - диаметр провода катушки; р = 0,0171 Ом мм /м - удельное сопротивление меди при Т = 20 С; 1]к = 1 м - длина провода; "внутр — 2,6 10 м - внутренний диаметр катушки; "екеш - о 10 м - внешний диаметр катушки; hоб = 123 мм - высота обмотки; U = 49,5 В – напряжение одной катушки. Результаты расчета числа витков катушки намагничивания, представлены в таблице 4.1.
Электрическая схема (рисунок 4.2) электромагнитного сепаратора позволяет подключить к однофазной сети переменного тока напряжением 220 В четыре катушки намагничивания, последовательно собранных в цепь. На входе схемы установлен автоматический выключатель SA1. Следующим элементом схемы является магнитный пускатель КМ1 и кнопочная станция SB1 и SB2. Кнопка SB2 служит для подключения катушек намагничивания КН1…КН4 к сети 220В. Кнопка SB1, соответственно, для отключения. Катушка магнитного пускателя КМ1 запи-тывается следующим образом: через замкнутые контакты автоматического выключателя SA1, через нормально замкнутую SB1, кнопкой SB2 замыкают цепь питания катушки пускателя КМ1. Магнитный пускатель срабатывает, контактами КМ1.2 и КМ1.3 он подключает катушки намагничивания КН1…КН4 через мостовой выпрямитель VD1…VD4 к сети переменного тока 220В. Чтобы отключить магнитный пускатель КМ1, нажимают на кнопку SB1, катушка магнитного пускателя теряет питание, контакты КМ1.1, КМ1.3 размыкаются, обесточивая катушки намагничивания КН1…КН4. SA1 – двухполюсной автоматический включатель; КМ1 – пускатель; КМ1,1, КМ1,2, КМ1,3 – контакты пускателя;SB1, SB2 – кнопки «Пуск – Стоп»; VD1...VD4 – выпрямительный диодный мост; КН1...КН4 – катушки намагничивания Рисунок 4.2 – Электрическая схема сепаратора при последовательном соединении катушек намагничивания
На рисунке 4.3 представлено моделирование выпрямителя при последовательном соединении катушек намагничивания электромагнитного сепаратора. Step – генератор ступенчатого сигнала; RLC – внутреннее сопротивление источника; VS – источник переменного напряжения; IS1, IS2 – идеальные ключи; UB – универсальный мост; СР – блок, задающий параметры расчета; VM1...VM3 – датчики напряжения; СМ1 – датчик тока; КН1...КН4 – катушки намагничивания; Scope – осциллограф Рисунок 4.3 – Моделирование выпрямителя при последовательном соединении катушек намагничивания
С помощью моделирования выпрямителя [40] (рисунок 4.4) нашли требуемые параметры источника питания и его составляющие: мощность установки: 0,140 кВт; номинальный ток: 0,2 А; средний прямой ток диодов: 3А; максимальное обратное напряжение диодов: 500 В; сечение соединительных проводов: 0,4 мм. – напряжение одной катушки; 2 – ток одной катушки; 3 – напряжение на выходе моста; 4 – напряжение на входе моста Используя полученные результаты моделирования, изготовили экспериментально-лабораторную установку электромагнитного сепаратора [44; 150] (рисунок 4.5). Полное описание конструкции и принцип работы электромагнитного сепаратора подробно рассмотрены и описаны в разделе 3.2.
Расчет магнитной системы сепаратора выполнен методом конечных элементов при напряжении одной катушки намагничивания 49,5 В и плотности тока в обмотках катушек 1,579 А/мм2. Элемент сепаратора представляет собой П-образный электромагнит с одной обмоткой и расположенными в верхней части полюсными наконечниками в виде зигзага. Замыкание магнитного потока осуществляется через концентратор магнитного поля, выполненного в виде сеток, располагающихся над полюсными наконечниками. Концентратор состоит из 14 сеток, расстояние между сетками в вертикальном направлении 1,5 мм (рисунки 4.6 и 4.7). Из них 7 сеток рассечены плоскостью построения посередине магнитной проволоки, другие 7 смещены в горизонтальной плоскости на половину «окна» ячейки сетки, поэтому видны прямоугольные сечения.