Моделирование электромагнитных полей в аппаратах с магнитоожиженным слоем Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Литература

1. Панов И.М., Ветохин В.И. Физические основы механики почв - Киев.: Феникс, 2008. -266 с.

2. Федькин Д.С. Повышение энергоэффективности технологических процессов обработки почвы путем оптимизации эксплуатационных режимов комбинированных агрегатов с тракторами класса 1,4: Дис... канд. техн. наук: - СПб., 2013. - 188 с.

3. Джабборов Н.И., Добринов А.В., Дементьев А.М. Классификация критериев эффективности и их использование при оптимизации эксплуатационных показателей тяговых МТА. - СПб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, 2010. - 104 с.

4. Лурье А.Б. Статистическая динамика сельскохозяйственных агрегатов. - Л: Колос, 1981. -382 с.

5. Патент на полезную модель РФ № 169104. Рабочий орган для рыхления почвы. Джабборов Н.И., Евсеева С.П., Семенова Г.А. Приоритет полезной модели 18.10.2016. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ 03.03.2017 г.

Literatura

1. Panov I.M., V.Vetokhin. Phisischeskie osnovi mehaniki poschv - Kiev.: Feniks, 2008. - 266 s.

2. Fedkin D.S. Povishenie energoevektivnosti teshnologischeskih prozessov obrabotki poschvi putem optimisazii ekspluatazionnih rezhimov kombinirovannih agregatov s traktorami klassa 1.4: Dis... kand. tehn. Nauk: - SPb., 2013. - 188 s.

3. Dzhabborov N.I, Dobrinov A.V, Dementiev A.M. Klassificatya kriteriev effektivnosti I ih ispolzovanie pri optimisazii ekspluazionnih pokazatelej tyagovih MTA. - SPb .: SNU SZNIIMESH Rosselhosakademii, 2010 - 104 s.

4. Lurie A.B. Statistischeskaya dinamika selskohosyaistvennih agregatov. - L: Kolos, 1981. - 382 s.

5. Patent na polesnuy model RF №169104. Raboschiy organ dla rihleniy poschvi. Dzhabborov N.I, Evseeva S.P, Semenova G.A. Prioritet polesnoy modeli 18.10.2016. Zaregistrirovano v Gosudarstvennom reestre polesnih modeley RF 03.03.2017.

УДК 663.915

Доктор техн. наук М.М. БЕЗЗУБЦЕВА

(СПбГАУ, [email protected]) Канд. техн. наук В.С. ВОЛКОВ (СПбГАУ, [email protected])

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В АППАРАТАХ С МАГНИТООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ

Актуальной проблемой предприятий АПК является повышение энергоэффективности производства путем внедрения ресурсо- и энергосберегающих технологий. Известное в настоящее время традиционное измельчающее оборудование в аппаратурно-технологических системах переработки сырья не обеспечивает выход продукта с оптимальными качественными и энергетическими показателями. Решение этой проблемы возможно путем внедрения в технологические схемы переработки сырьевых материалов электромагнитного способа механоактивации. В результате теоретических и экспериментальных исследований выявлено, что механоактиваторы с магнитоожиженным слоем (ЭММА) в технологических линиях производства АПК обеспечивают получение готового продукта в узком и оптимальном диапазоне дисперсности при минимальных энергозатратах. Метод расчета магнитных полей в таких аппаратах основан на введении вторичных источников и состоит из сведения задачи к интегральным уравнениям с их

числовым решением. Метод интегральных уравнений позволяет строить магнитные поля в рабочих объемах (зазорах) аппаратов цилиндрических конструкций с электромагнитным способом формирования сцепляющего (или диспергирующего) усилия и определять параметры поля (индукцию и напряженность) в любой заданной точке рабочего объема (рабочего зазора), в которой осуществляется силовое контактное взаимодействие между феррочастицами (размольными органами аппарата или ферропримесями) в их магнитоожиженном слое.

Цель исследований - разработка методики расчета магнитной системы аппаратов с магнитоожиженным слоем.

Материалы, методы и объекты исследований. Объектом исследования являются электромагнитные механоактиваторы. К предмету исследования относятся методики построения электромагнитных полей в аппаратах с электромагнитным способом формирования диспергирующего (сцепляющего) усилия.

Результаты исследований. Электромагнитные механоактиваторы (ЭММА) представляют перспективный тип технологического оборудования, позволяющего интенсифицировать процессы тонкого и сверхтонкого измельчения и механоактивации широкого спектра продукции в сельскохозяйственной, пищевой, лакокрасочной, строительной и других отраслях промышленности [1].

Силовое воздействие на продукт в аппаратах этого типа осуществляется размольными элементами - ферротелами магнитоожиженного слоя, создаваемого в рабочих объемах аппарата под действием сил и моментов электромагнитного поля [2]. Электромагнитное поле формируется в объемах обработки продукта постоянным по знаку электрическим током, проходящим по обмоткам управления ЭММА.

В настоящее время спроектированы различные конструктивные формы электромагнитных механоактиваторов (ЭММА), представляющих предмет изобретений [3]. Разработана классификация ЭММА [4], объединяющая условия проведения процессов измельчения материалов электромагнитным способом. Классификация позволяет осуществлять выбор конструктивной схемы в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого материала, технологических условий переработки сырья в готовую продукцию и требований производства по выходным параметрам процесса. Практическая значимость классификации и правомерность ее использования при выборе измельчителя, отвечающего требованиям производства, подтверждена результатами испытаний отдельных конструкций ЭММА на предприятиях перерабатывающей промышленности.

Результаты многолетних исследований электромагнитного способа механоактивации создают достаточную теоретическую базу для разработки этих устройств и с небольшими изменениями, характеризующими особенности осуществляемых в них процессов, могут быть использованы при расчете и проектировании аппаратов различного целевого назначения. ЭММА отличаются друг от друга конструкцией и материалом магнитопровода, количеством обмоток управления и их расположением по отношению к оси устройства, количеством и формой рабочих камер, а также конструкцией, материалом размольных тел и магнитными свойствами заполнителя рабочего объема. Анализ разработанных конструктивных форм ЭММА, предназначенных для обработки жидких, полужидких и сыпучих порошкообразных продуктов, показал, что наиболее целесообразным является объединение этих устройств в следующие три основные группы:

1. Цилиндрические.

2. Дисковые.

3. Конусные.

В цилиндрических аппаратах рабочий объем образован одной или несколькими цилиндрическими поверхностями, расположенными коаксиально или асимметрично. Дисковые аппараты содержат рабочую камеру со смещающимися друг относительно друга поверхностями нескольких дисков. В конусных ЭММА рабочий объем выполнен в форме кольца, конуса или многоугольной формы в поперечном сечении камеры измельчения.

Деление ЭММА на три основные группы по указанным конструктивным признакам дает наиболее резкое расхождение в их характеристиках и накладывает жесткие ограничения на возможные области применения.

Технологическое назначение ЭММА представлено в табл. 1.

Таблица 1. Технологическое назначение ЭММА

Показатели Группа 1 (цилиндрические) Группа 2 (дисковые) Группа 3 (унифицированные)

Стадии диспергирования Средняя, тонкая, средне - тонкая Тонкая, коллоидная, тонкая, сверхтонкая Средняя, тонкая, сверхтонкая, средне -тонкая, тонкая-коллоидная

Тип материала Средней твердости, мягкие, вязкие, жидкие, сухие порошкообразные Высокопрочные, твердые скалывающиеся, твердые хрупкие, сухие порошкообразные Частицы дисперсной фазы в дисперсионной среде: твердые скалывающиеся, хрупкие, средней твердости, упругие мягкие

Сопутствующие процессы Перемешивание, пластификация, тепловая обработка, возможна аэрация Перемешивание Обработка продукта в тонком слое, перемешивание, гомогенизация

Области применения поточно-механизированные линии на предприятиях перерабатывающей промышленности. Малые предприятия (микропекарни, аптеки и т.д.), специализирующиеся на выпуске небольших партий изделий широкого ассортимента Линии производства средней и малой производительности. В сельском хозяйстве рекомендуются для измельчения костей, виноградных косточек, специй и т.д. Перспективны для порошковой металлургии Переработка сельскохозяйственного сырья на предприятиях, специализирующихся на выпуске продуктов детского и диетического питания, лекарственных препаратов и косметических средств

Обеспечивают научно-обоснованную технологию указанных типов продуктов

Технологические особенности Обработка многокомпонентных смесей. Получение продукта со стандартизованным фракционным составом Обработка высокопрочных материалов без процесса намола. Получение продукта в оптимальном диапазоне дисперсности Разрушение микробных и растительных клеток с извлечением ферментов, белков и т.д. Улучшение сенсорных показателей пищевых продуктов и увеличение стойкости масел

Заданная условиями технологии селективность разрушения материалов достигается при определенных энергетических параметрах среды в рабочих объемах ЭММА, так как

величина сил и моментов, действующих на ферротела в их магнитоожиженном слое через прослойку обрабатываемых продуктов, зависит от величины индукции электромагнитного поля.

В расчетах введены координаты с ортами:

ёг = (соБр,Бтр,0), е =(- Бтр,соБр,0),

ё2= (0,0,1).

(1)

На рис. 1 представлены схемы для расчета обмоток управления (ОУ) ЭММА.

X

г

/

/ У

а б

Рис. 1. Схемы для расчета обмоток управления (ОУ) ЭММА: а - одиночный контур; б - обмотка управления (ОУ)

Вектор индукции В определен выражением:

В = гоЛ.

где Л =(Л, Лр, Л)

Для вычисления 8А использовано выражение:

8Л = с

Ярд

где с - вектор плотности тока;

Ярд - промежуток между точками Р и Q .

В формуле (3) величины с и ЯРд определяются выражениями: с=(- с(2с )Бт Рд , с(£д С0Б (рд ,0)),

(2)

(3)

(4)

Тогда проекции 8А можно представить в виде:

а(гв ((РР )

&4 = 84ё =

г г

5Л = 8Лё =

<р <р

гр — 2гРгв соб

(р — (в)+ гв + (хр — Хв)2

а^в )соб((р — (в)_;

(р — (в)+ гв р -2в)2

гр — 2гргв соб

8Л2=8Лё2 = 0.

После интегрирования выражения (6) по углу ( = (р — (й, получим:

2л •

Аг = Г с1Агс11 = — Г ^ (( = 0; г I г 2П Я ^

2п о ЯРв

2п

л = Г (Л а = — Г соб ( ((( =

<Р 1 <Р О- J - ^

I

=1- г

1<тт J

2п

2п 0 ЯРв

соб (((

2п 0^1 гв — 2гвгр соб( + гр + Ър

Для витка с током I радиуса гв и длиной I имеем:

а

2пг

( = г((.

Для вычислений получены выражения:

Лг = | с(Лгс(У;

Л 9 =\ А (V;

V

Л2 = Г (Лъ (V;

V

(V = гвйгвйЪвй(р;

Л = 0,

А( = Ш

г2 а 2п г а\ г

в \в^в

а(гв )соб (р((р(ъй(гй

г — а 0ЛIгв — 2гвгр соб ( + гр + р — Хв )

2

Л2= 0.

где г1 и г2 — соответственно внутренний и внешний радиусы ОУ ЭММА;

2а — расстояние по оси Ъ ОУ ЭММА. При плотности тока в ОУ

I

а =

2п(г22 — г12 )а '

(6)

(7)

(8)

(9)

величину Л можно представить выражением:

I Г2 а 2п

Ъг-гРа Ц О

л =

Гд соБрйрйЪдёгд

д^.д

2п(г2 - г,

Г2 - 2гдгр соб р + гр + р - Ъд )2

В аппаратах, содержащих ОУ с числом витков Ж, для вычисления Л справедливо

выражение:

Л

1Ж 2а(Г - Г)

а 2п 11

2 , - г С0Б р + г г С0Б2 р1п —---- +

+ (д2 - д1 )С0БР

д1 - г С0Б р + г

dрdZ д

(11)

где д1 = д/Т^-^^Хд)

д2 = л/г 2 - 2гг2 С0БР + г22 + ^ - 2д )2.

^2 д/ . . 2 . ^ д,

В поставленном условии задачи вектор А имеет только одну отличную от нуля составляющую:

Л =(0, Лр(гр, 2 р ),0).

Тогда для вектора магнитной индукции

В = (Вг, Вр, В2) 1 дЛ дЛ

В=

р

В=

гр др дЪ р дЛ дЛ

г г .

(12)

р дЪр дгр

В = 1 д(грЛр) 1 дЛг

гр дгр

гр др

справедливы следующие выражения:

дЛр

Вг =--р-;

г д20'

В,

р

Вр = 0;

= 1_ д(грЛр) гр дгр

(13)

Расчет магнитной индукции поля ОУ ЭММА может быть проведен по формулам:

М0Ж а 2п

В =

В,

8В =

2а(г2 - г2) = ЦМ 2а(г2 - г!2)

(2-2д )

\\8BrdрdLQ :

-а 0 а 2п

г г2бш2 р +

| \8ВХ dрdZ д :

0

1 ( 2

-(- гг с0б р + г +

д/

(14)

(15)

+ (х-хд)2)-о-(-гг с0бр + г2 + (ъ-ъд)2) д2

с0б р;

сп л \1 02 + г - г совр 02 - О.

8БЪ = (1 + сов2р)1п^—2-- + ^—^совр-

О. + г; - г соб р г {г2 (г2О; - О )соб 4р - г (О; - О2 )[г2 + )2 ]сов3р -

- 2(2 - )2 (г^ - О) сов 2р + г [г2 + )2 ]х

х(О. -О2)совр - [г2 + 2(2-)2](гО1 -О)}>

'2 " 'е ) № - го их

_1

20.02 [г2 (сов2(- 1)-2^^ )2 ]'

а 2п

(17)

Яа(те - 2е )совр Гг--2 ( ЪТ/2 (; (18)

а 2п

в = г0^01 е )собр

-а 0

[г2 -2гг0совр + г02 +(2-2е)2]

1

г^г2 - 2гг0 соб р + г02 + (2 - 2е ) (г - г0 совр)

[г2 - 2гг0 совр + г02 + (2 - Хе)2 ^

(19)

СрСТе,

где Жг и 5ВЪ — проекции плотности вектора магнитной индукции в

цилиндрической системе координат.

Для построения магнитного поля обмотки с током при наличии цилиндрического ротора (рис. 2, а) воспользуемся методом интегральных уравнений. Метод основан на введении вторичных источников и состоит из сведения задачи к интегральным уравнениям с их числовым решением на ПК.

Итак, заменим ферромагнитный ротор токовым слоем с(^) . Тогда для суммарного векторного потенциала Ар(г, 2) магнитного поля справедливо равенство:

Ар (г, 2)= Ар (г, 2)+ Ар (г, 2), (20)

где А(( — потенциал поля, создаваемого обмоткой;

Л **

А — потенциал поля, создаваемого токовым слоем.

\ с 2П с(2е )сОБ рйрй2е

А М=г - ' (21)

-с 0 V г - 2гг0 соб р + г0 + \2е - 2)

При переходе силовых линий магнитного поля через боковую поверхность ротора касательная, составляющая напряженности поля, остается непрерывной. Для проекции

вектора магнитной индукции В* токового слоя имеем:

ст(2е )сОБ (рс1рс12е

В * (г 2 )= 10 Г Г ^е/^^^е

р^ ' ' Л Л ГТ ^ 2 ( V

г -с 0 V г - 2гг0 соб р + г0 + \2е - 2)

с с(2е )сОБ р(г - г0 СОБ р)с1рс12е

-п-0-^^ е ' (22)

2

с 0 [г2 - 2гг0 СОБ р + г02 + (2е - 2)2 ]/2

0

о 1г2 - 2г„—у , ,0 . Ге

Второй интеграл в выражении (22) является нормальной производной (т.е. производной в направлении нормали к боковой поверхности ротора) от потенциала простого слоя. Известно, что эта производная совершает скачок при пересечении простого слоя [5].

х

Это обстоятельство и позволяет составить интегральное уравнение для определения неизвестной плотности простого слоя

В2 (г, г )= В* (г, г )+ В ** (г, г) . (23)

Устремляя г к Г0 изнутри и снаружи токового слоя (рис.2, в), получим

В1 (г0, г )= - В* (г, г ) , (24) М

где В* = -2пс(г) + В* (г0, г) + В** (г0, г ) , (25)

В* = 2пс(г)+ В** (г0, г)+ В; (г0, г) . (26)

После подстановки значений (25) и (26) в выражение (27): ц[- 2пс(г) + В1 (г0, г) + В** (г0, г)] =

= 2пс(г)+ (г, г )+ В** (Гo, г ) и ряда преобразований искомое уравнение для определения плотности токового слоя имеет вид:

с(г )=1 Ц-1 [В* (г„г )+ В* (г0, г)] ,

где

с 2п

В* (г-0, г )=//

-с 0

ПЦ + 1

с(гд )с0Б рdрdгQ л/2г2 (1 - С0Б р) + (гд - г)2

с 2п

-с 0

[2г02 (1 - С0Б р)+(гд - г)2 ]32

Го

П

(27)

, . с(гд )с0Б р(г - г0 С0Б р^рг | -\- \ ъ/ . (28)

( \ Л

а J

\ 1

в г

Рис. 2. К расчету магнитных полей в рабочем объеме ЭММА: а - к построению поля обмотки с током при наличии цилиндрического ротора; б - одиночный виток с током; в - токовый слой с постоянной плотностью; г - многослойная катушка с током

2

Г

0

б

а

Для представленных на рис. 2 элементов источника магнитного поля проекции

о**

вектора магнитнои индукции вг определяются следующими равенствами: - одиночный виток с током I (рис. 2, б):

в; (,о> , )=_и/.

/ тпл »

2пг0 0

r0 - 2r0r1 cosp + r1 + z 1 2| (r0 - r1 cosp) cos pdp 2n 0 (r02 - 2r0r1 cos p + r12 + z2 )/2

(29)

/

- токовый слои с постоянной плотностью 7 =

4ncr

1 а 2п

В," (Г0, z ) = П-И^

2паг0 -а 0 ^ r2

(рис. 2, в): cos ppdpdzt

Q

2r0r cos p + r12 + (z - zQ )2

/ г2Г (r0 -ricosp)cospdpdz

J J

Q

4п -а 0 [r2 - 2r0r cos p + r12 + (z - zQ )2 - многослойная катушка с током (рис. 2, г):

/ >аrQ cospdpdz

у '

2

В'* (r„, z ) =

2n(rf - r2 >0 r

//J"

-а 0

2rQr0 cos p + r2 + (z - zQ )

/ r f У rQ (r0 - rQ cos p)cos ppdpdzQdrQ

* J J J QV 0

2пг(г2 - ri ) ri-а 0 [rQ - 2rQr0 cos p + r02 + (z - zQ )2

(/0)

(/1)

Изложенный метод позволяет строить магнитные поля в рабочих объемах ЭММА цилиндрических конструкций и определять параметры поля (индукцию и напряженность) в любой заданной точке рабочего объема, в которой осуществляется силовое контактное взаимодействие между размольными органами аппарата и обрабатываемым продуктом.

Выводы. Практика показала, что представленные выражения для определения магнитных полей, включенные в схему проектного расчета новых конструктивных форм ЭММА, позволяют создавать аппараты, обеспечивающие заданную условиями технологии селективность обрабатываемых материалов.

Литература

1. Беззубцева М.М., Волков В.С. Исследование селективности процесса измельчения материалов в электромагнитных механоактиваторах // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2017. № 47. - С. 288 - 294.

2. Физическая сущность электромагнитного способа электромагнитной механоактивации (измельчения) // Альманах педагога URL: https://almanahpedagoga.ru /servisy/publik/publ?id=16533 (дата обращения: 01.10.2017).

3. Аналитический обзор изобретений // helpiks.org URL: http://helpiks.org/7-87654.html (дата обращения: 01.10.2017).

4. Беззубцева М.М., Волков В.С. Классификация электромагнитных механоактиваторов по технологическому назначению // Международный журнал экспериментального образования. - 2015. - № 8-1. - С. 25-27.

5. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле. - М.: Юрайт, 2016. - 318 с.

Ьйег а1;иг а

1' БеггиЬееуа М.М., Уо1коу У.8. IББledovanie БекИ-тоБН ргосеББа izme1'chenija ша1ег1а1оу V je1ektromagnitnyh шеЬапоак1;^а1;огаЬ // IzveБtija Sankt-PeterburgБkogo goБudarБtvennogo agrarnogo univerБiteta' - 2017' № 47. - S' 288 - 294' 2' Е1г1еЬе8кауа 8и8ЬеЬпо81' eh1ektromagnitnogo вровоЬа eh1ektromagnitnoj шекЬапоак11уаеИ (izme1'cheniya) // АГташИ pedagoga иКЬ: httpБ://a1manahpedagoga'ru/БerviБy/pub1ik/pub1?id =16533 ^а obraБhcheniya: 01'10'2017)' 3' Aпa1itiеheskij оЬгог izoЬreteпij // he1pikБ'Org иКЬ: http://he1pikБ'Org/7-87654'htm1 (data

obraБhcheniya: 01'10'2017)' 4' Bezzubceva М.М., Уо1коу У.8. K1aББifikaciya eЫektromagnitnyh mekhanoaktivatorov po tekhno1ogicheБkomu naznacheniyu // Mezhdunarodnyj zhurna1 ehkБperimenta1'nogo obrazovaniya' - 2015' - № 8-1' - S' 25-27' 5' Bessonov Ь.А. TeoreticheБkie OБnovy eh1ektrotekhniki' EH1ektromagnitnoe po1e' - М': YUrajt, 2016' - 318 Б'

УДК 621.311

Доктор техн. наук В.Н. КАРПОВ (СПбГАУ, kvn_39@шai1'ru)

НАУЧНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕЙСТВУЮЩИХ

ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Современные измерительные средства, например, счетчики энергии и расхода материального носителя энергии создают новые возможности для анализа энергетических процессов, поскольку измерители являются техническими интеграторами и определяют значение интеграла (энергии), которое не всегда можно получить математически. Однако дифференцирование такого интеграла с целью получения функции мощности имеет ограниченные возможности, что существенно ограничивает и анализ энергетических процессов.

Цель исследования - обосновать новые методы получения показателей эффективности использования энергии у потребителя при современных возможностях измерений и обработки данных.

Материалы, методы и объекты исследования. Аналитически и экспериментально обоснован для технических элементов новый показатель энергоэффективности -относительная энергоемкость и новый метод анализа - метод конечных отношений (МКО), позволяющий дифференцировать энергию на совершающую действие и потери. Объекты исследования - энергетические процессы, востребованные технологией и происходящие в потребительской системе. С возникновением потребности в энергосбережении, то есть в определении энергоемкости процессов, происходящих в потребительских системах, специально под возможности получения и использования интеграла был введен новый энергетический показатель - относительная энергоемкость [1].

Для отдельного проходного технического элемента (ТЭ) этот показатель равен отношению энергии (начальной), подведенной к элементу, к энергии, прошедшей через элемент (конечной). Поскольку ТЭ имеет объем (как правило, упорядоченный), то обозначение конечного и начального энергетического показателя означает вовлечение соответствующих плоскостей ТЭ (начальной и конечной) и его размера вдоль направления движения энергии, в анализ энергетических процессов. Обе плоскости доступны для анализа, так как измерениями могут быть получены интегралы мощности по времени (то есть,