CC BY
36
соавтор второго в бывшем СССР пакета компьютерных про-грамм по математической статистике (1970), который, совместно с системным анализом, был впервые широко применен для разработки технологических основ алгоритмов оптимального автоматического управления реверсивными и непрерывными станами горячей прокатки. C 1989 m 2002 г. - заведующий кафедрой автоматизации проектирования и инженерной графики в Российском государственном профессионально-педагогическом университете в Екатеринбурге; [email protected]
Polyakov Boris Nikolaevich - Doctor of Engineering, Corresponding Members of the Academy in Engineering, the Russian Federation; [email protected]
Статья поступила в редакцию 26.03.2017 г.
УДК 621.314 ГРНТИ 47.14.13
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЙ ОЧИСТКИ ТОКОПРОВОДЯЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
В.А. Захаренко, А.С. Татевосян, Н.В. Захарова, А.А. Лукачева Омский государственный технический университет Россия, 644050, г. Омск, просп. Мира, 11
Поднимается проблема очистки поверхностей от налипания различных веществ. За основу принят метод моделирования устройства электроимпульсной очистки, позволяющий проверить эффективность взаимодействия магнитного поля, созданного ампервитками катушки, с токами Фуко, наводимыми в токопроводящей пластине. Предложен метод цепно-полевого подхода с использованием профессиональной версии программы ELCUT 6.0.
Ключевые слова: токопроводящие поверхности, электроимпульсная очистка, токи Фуко, цепно-полевой подход, программа ELCUT 6.0.
RESEARCH OF OPERATING PROCEDURE OF ELECTROPULSE CLEARING FOR CURRENT-CONDUCTING SURFACES IN INDUSTRIAL EQUIPMENT
V.A. Zaharenko, A.S. Tatevosyan, N.V. Zaharova, A.A. Lukacheva Omsk State Technical University Russia, 644050, Omsk, prosp. Mira, 11
The article cocerns the issue of surface clearing from different stuff adhering. The authors adopt a method of modelling of an electropulse-clearing device, which allows checking interac-tion efficiency of the magnetic field created by the coil ampere winding with Foucault currents guided in the current-conducting wafer. They offer a method of the chain-field approach using the professional version of ELCUT 6.0 programme.
Keywords: current-conducting surfaces, electropulse clearing, Foucault currents, a chain-field approach, a programme.
Введение. Электроимпульсные технологии очистки поверхностей от налипания различных веществ находят широкое приме-
нение в строительстве, машиностроении, железнодорожном транспорте, теплоэнергетике и других сферах производственной деятель-
© В.А. Захаренко, А.С. Татевосян, Н.В. Захарова, А.А. Лукачева, 2017
ности. Это связано с необходимостью удаления со стенок и конструктивных элементов оборудования различных материалов (например, сыпучих материалов, накипи и прочных отложений с внутренних поверхностей различного технологического оборудования, снега и наледи с карнизов и кровель домов).
Очистка теплообменного оборудования является достаточно трудоёмким, а иногда и небезопасным процессом из-за использования таких химических веществ, как толуол, бензол и др. Применение для очистки теплообменников электроимпульсной технологии является благоприятным экологически чистым решением, так как данный способ позволяет в короткие сроки решить проблему налипания отложений без возникновения повреждений на оборудовании.
Проблема обледенения кровель домов особенно остро предстаёт в весенний период, когда с повышением температуры начинают сходить лавины льда и снега. Коммунальные службы в усиленном режиме начинают очищать крыши многоквартирных домов, чтобы не допустить несчастных случаев. Основным способом избавления от наледи, который практикуют повсеместно, является её механическое удаление ломами и лопатами. От применения физической силы нарушается целостность кровельного материала, и образуются многочисленные повреждения. За один сезон эту процедуру необходимо повторять много раз, так что целесообразно применять более современные методы и способы борьбы с обледенением.
Применяют также кабельный метод обогрева крыш, поддерживая температуру достаточно высокой, в этом случае снег будет таять круглосуточно, и не будет замерзать. При этом кабельная система является достаточно дорогостоящей. Вопрос обледенения касается не только крыш домов, существует проблема образования наледи на различных участках железнодорожного пути, элементах поездного состава и стенках грузовых вагонов. Отсутствие должной очистки тормозных рукавов от наледи, возникающей в результате замерзания внутри конденсата, может стать причиной травм и гибели людей.
За последнее десятилетие предложено большое многообразие устройств электроимпульсной технологии очистки поверхностей от промышленных загрязнений, нашедшее отра-
жение в научных работах и патентах, опубликованных и зарегестрированных в России и за рубежом [1, 2, 3, 4]. Чтобы проверить эффективность взаимодействия магнитного поля, созданного ампервитками катушки, с токами Фуко, наводимыми в токопроводящей пластине, необходимо провести моделирование устройства электроимпульсной очистки и определить время переходного процесса и пондеромоторную силу, возникающую в этом процессе. Так как решение задачи затруднено особенностью действия друг на друга магнитного поля и вихревых токов, в статье предложен метод цепно-полевого подхода с использованием профессиональной версии программы БЬСиТ 6.0.
Объект, методы исследования и оборудование. Принцип действия электроимпульсной очистки загрязнённых поверхностей (рис. 1) основан на использовании энергии ударной волны в объекте воздействия, образующейся в результате взаимодействия индуцированных в нём вихревых токов с мощным импульсом магнитного поля, созданным электрическим разрядом ёмкостного накопителя на катушку индуктора. При продолжительности прохождения импульса тока по катушке индуктора в пределах 0,2-1 мс в объекте воздействия выделяется достаточная мощность и генерируется ударная волна, обеспечивающая очистку поверхности от налипших материалов [5].
У матс|л ни:
управления
Емкостной Т|Ц>1КТО|>НЬШ I Гндуктор
накопитель
Очищаемая поверхность
Рис. 1. Структурная схема электроимпульсной установки
Электромагнитные процессы преобразования энергии импульсного электрического разряда, происходящие в цепи катушки индуктора и в магнитном поле, индуцирующем вихревые токи в электропроводном объекте, сложным образом связаны между собой и
определяют особенности характера протекающего переходного процесса как в цепи катушки индуктора, так и магнитном поле объекта воздействия.
В данной статье предлагается цепно-полевой подход к решению задачи переходных процессов при электромагнитных взаимодействиях магнитного поля индуктора с индуцированными токами в токопроводной поверхности с использованием комплекса программ БЬСиТ 6.0 (профессиональная версия).
В качестве базовой конструкции индуктора электроимпульсной установки (рис. 2) используется однослойная дисковая катушка с внешним диаметром D, намотанная в виде спирали медной шиной на узкое ребро и круглый изоляционный цилиндр диаметром d. Электропроводная поверхность представляет собой алюминиевый диск диаметром D и толщиной ^ расположенный в непосредственной близости к торцевой поверхности индуктора на расстоянии 5, который полностью закрывает собой витки. К дисковой катушке в соответствии со структурной схемой (рис. 1) через тиристорный коммутатор подключается предварительно заряженный до напряжения и источника питания ёмкостной накопитель (конденсатор) ёмкостью С.
Токопроводная пластина
2. Принятие допущения об осесиммет-ричном характере нестационарного магнитного поля катушки индуктора, вследствие осевой симметрии базовой геометрии магнитной системы индуктора - токопроводящая поверхность, а также математическая постановка решения задачи расчёта нестационарного магнитного поля.
Математическая формулировка осесим-метричной задачи расчёта поля сводится к преобразованию уравнений Максвелла и получению уравнения относительно векторного магнитного потенциала в цилиндрической системе координат
« r dr I dz
1 д Л dA /1Ч
^ГдА (1)
где A = А® - векторный магнитный потенциал, имеющий так же, как вектор плотности тока j кат = jg, одну составляющую, перпендикулярную плоскости zr расчётной модели; p -число линейных изотропных кусочно-однородных подобластей расчётной модели, на которые разбивается магнитное поле с постоянной относительной магнитной проницаемостью среды цр= const.
Плотность индуцированных вихревых токов в алюминиевом диске определяется из уравнения
■ =_ дА .
■вихр. Удиск dt
(2)
Рис. 2. Система катушка индуктора - токопроводная пластина
Решение задачи расчёта магнитного нестационарного поля электроимпульсной установки позволяет оценить эффективность электромагнитных взаимодействий и состоит из следующих стадий:
1. Задание исходных данных для расчёта магнитного нестационарного поля, в качестве которых используются основные геометрические размеры индуктора и число витков катушки, толщина алюминиевого диска, расстояние между диском и поверхностью катушки индуктора, ёмкость конденсатора, начальное значение напряжения на конденсаторе в момент коммутации.
Электрическое состояние цепи при разряде предварительно заряженного конденсатора до напряжения источника питания на катушку индуктора описывается уравнением
, .л и.Л = о, (3)
кат. с С Л где укат. - полное потокосцепление катушки индуктора, изменяющееся во времени при переходном процессе; Лкат. - активное сопротивление катушки.
Объединение уравнений (1)—(3) в систему для совместного решения с учётом заданных граничных и начальных условий основывается на построении расчётной модели нестационарного магнитного поля в комплексе программ БЬСИТ (рис. 3) с присоединенной электрической цепью (рис. 4).
При построении геометрии модели (рис. 3) принята единица длины — миллиметр.
Внешние границы расчётной модели расположены таким образом, чтобы имитировать бесконечное удаление (отсутствие изменения поля в нормальном направлении к границе). Расчётная область ограничена прямоугольником размерами 50х80 мм. На границе расчётной области принимается условие гЛ0=0.
Выделенные метки объектов (воздух, катушка, токопроводная пластина) характеризуются следующими физическими свойствами: относительная магнитная проницаемость воздуха, меди и алюминия ¡л=\; электропроводность медного провода катушки индуктора у=5,7107 1/Омм и алюминиевого диска у=3,2107 1/Ом-м.
На рис. 4 заряд конденсатора ёмкостью 150 мкФ производится от импульсного источника напряжения. Продолжительность импульса напряжения заряда конденсатора до напряжения 1000 В составляет 0,5 мс. Для решения задачи нестационарного магнитного поля системы катушка индуктора - токопро-водная поверхность - область моделирования прокрывается сеткой из конечных треугольных элементов. При автоматическом шаге дискретизации расчётная область покрывается
сеткой из конечных элементов, содержащей 9634 узлов. При временных параметрах моделирования интегрирования по времени с нуля до 5,5 мс с шагом 10 мкс время расчёта переходного процесса составляет 38 минут. Решение задачи запоминается каждые 10 мкс, начиная с момента времени 4,9 мс.
Расчётная картина силовых линий магнитного поля системы катушка индуктора -токопроводная пластина в момент прохождения максимума тока через катушку индуктора при разряде конденсатора показана на рис. 5.
Направление обхода контура в области катушки (рис. 6), занятой током, позволяет с помощью интегрального калькулятора пакета БЬСиТ определить магнитодвижущую силу (МДС) катушки по закону полного тока и построить график временной зависимости ам-первитков при переходном процессе. Обход контура на рассчитанной картине магнитного поля в области токопроводной пластины (рис. 7, а) позволяет с помощью интегрального калькулятора пакета Е1сШ: построить временную зависимость индуцированных вихревых токов при переходном процессе, представленную на рис. 7, б.
" Ось вращения
Рис. 3. Геометрия модели в окне пакета БЬСиТ
Рис. 4. Изображение электрической цепи в окне пакета БЬСиТ
Р (А) Манидакуида &И1В
А /\
т
1
V/
Рис. 5. Картина магнитного поля
49 5.0 5.1 5.2 5.3 54 5.5 ■Яреын ГШэс)
Рис. 6. Изменение МДС катушки индуктора во времени
Ы 55
б
Рис. 7. Применение закона полного тока к определению мгновенных значений индуцированных вихревых токов в токопроводной пластине (а) и их временная зависимость при переходном процессе (б)
а
По результатам решения задачи в пакете ELCUT максимум силы (пондеромоторной силы) электромагнитного взаимодействия магнит-ного поля, созданного ампервитками катушки индуктора с вихревыми токами, индуци-рованными в токопроводной пластине, приходится на максимум тока в электрической цепи при переходном процессе и составляет 6100 Н.
Заключение
Основными преимуществами электроимпульсной технологии очистки токопрово-дящих поверхностей производственного оборудования являются высокая эффективность ударного взаимодействия при малой потребляемой мощности, отсутствие механической деформации поверхностей, сокращение трудоёмкости выполняемых операций, экологическая чистота, экономия труда и времени
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент M 2096269. Способ удаления отложений, преимущественно льда, с очищаемой поверхности обшивки и устройство его осуществления / И.А. Левин. M 4671256/11. Заявл. 13.04.1989; Опубл. 20.11.1997.
2. Patent M US5129598 A. Attachable electro-impulse de-icer/ Lowell J. Adams, Norbert A. Weisend, Jr. Thomas, E. Wohlwender. Appl. No: 07/455,129; Filed: December 22, 1989.
3. Zhang Z.Q, Shen X.B, Lin G.P. Dynamic response analysis of multi-excitation structure of electro-impulse deicing system, IEEE/CSAA International conference on aircraft utility systems (AUS). OCT 10-12, 2016.
4.Лукачева A.A. Исследование переходных процессов в устройствах электроимпульсной очистки поверхностей оборудования от сыпучих материалов // Наука, образование, инновации: апробация результатов исследований: материалы Междунар. науч.-практ. конф. / НИЦ «Поволжская научная корпорация». Самара: ООО «Офорт», 2016. С. 321-324.
5. Шильников П.Ю., Захаренко ВА. Электроимпульсная очистка поверхностей // Россия молодая: матер. науч.-практ. конф. Омск, 2013. С. 254-255.
Захаренко Владимир Андреевич - доктор технических наук профессор; Татевосян Александр Сергеевич - кандидат технических наук доцент, e-mail: [email protected]; Захарова Наталья Васильевна - кандидат технических наук доцент; Лукачева Анастасия Александровна - студентка. Омский государственный технический университет.
рабочего персонала, сохранение здоровья и жизни людей.
Использованный для решения задачи нестационарного магнитного поля системы катушка индуктора - электропроводная пластина в пакете ELCUT 6.0 (профессиональная версия) цепно-полевой подход позволяет определить основные параметры и временные характеристики исследуемого физического процесса, связанного с электроимпульсной технологией очистки поверхностей.
Рассмотренный пример расчёта электроимпульсного устройства показывает, что эффективность очистки производственного оборудования зависит от согласования параметров ёмкостного накопителя, катушки индуктора и токопроводной поверхности, с которыми можно получить максимальную энергию ударной волны при времени разряда катушки индуктора в диапазоне 1-2 мс.
REFERENCES
1. Patent № 2096269. Sposob udaleniya otlozheniy, preimuschestvenno l'da, s ochischaemoy poverhnosti obshivki i ustroystvo ego osuschestvleniya/ I.A. Levin № 4671256/11 Zayavl. 13.04.1989; Opubl. 20.11.1997.
2. Patent № US5129598 A. Attachable electro-impulse deicer/ Lowell J. Adams, Norbert A.Weisend , Jr., Thomas E. Wohlwender. Appl. No: 07/455,129; Filed: December 22, 1989.
3. Zhang Z.Q, Shen X.B, Lin G.P. Dynamic response analysis of multi-excitation structure of electro-impulse deicing system, IEEE/CSAA International conference on aircraft utility sys-tems (AUS). OCT 10-12, 2016.
4. Lukacheva A.A. Issledovanie perehodnyh protsessov v ustroystvah elektroimpul'snoy ochistki pover-hnostey oborudovaniya ot sypuchih materialov // Nauka, obrazovanie, innovatsii: aprobatsiya rezul'tatov issledo-vaniy: materialy Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii NITs «Povolzhskaya nauchnaya korporatsiya» (29 dekabrya 2016). Samara: OOO «Ofort», 2016. 321-324 c.
5. Shil'nikov P.Yu. Zaharenko V.A.. Elektroim-pul'snaya ochistka poverhnostey // Rossiya molodaya. Omsk, 2013. S. 254-255.
Zaharenko Vladimir Andreevich - Doctor of Engineering, Professor; Tatevosyan Aleksandr Ser-geevich - Cand. Sc. {Engineering}, Associate Professor, e-mail: [email protected]; Zaharova Natalya Vasilievna -Cand. Sc. {Engineering}, Associate Professor; Lukacheva Anastasiya Aleksandrovna - Student of Omsk State Technical University.
Статья поступила в редакцию 06.03.2017г.
