Особенности флокуляции полидисперсных порошков магнитотвердых материалов Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Система уравнений (18) - (20) решается при следующих граничных условиях:

— = 0 при х = 0, х = 1,

dd-L = 0, et = 0 при х = 0 .

dx

(21)

Задача (18) - (21) допускает точное решение.

Для добавочной несущей способности и добавочной силы трения получены аналитические выражения, аналогичные (16) и (17).

Результаты численного анализа при значениях параметров

в-

а -0, 0,1; 0,2; 0,5; ^ - 0,1; 0,2; 0,5;

показывают:

- 0,1; 0,2; 0,5;

G,

0 2

-01

- 0,1; 0,2; 0,5,

- с увеличением вязкостного отношения —— не-

ц!

сущая способность возрастает как для истинно вязкой, так и для вязкоупругой и вязко-упруго-пластичной жидкости;

- чем меньше значение структурного параметра а, тем больше несущая способность подшипника;

- в случае, когда в качестве уравнения состояния используется линейная модель Максвелла, несущая способность ниже по сравнению с этим показателем

для истинно вязкой жидкости. При этом, с увеличением значения параметра в {-1, несущая способность подшипника стремится к значению этого показателя для истинно вязкой жидкости, оставаясь меньше этого значения;

- в случае, когда в качестве уравнения состояния используется нелинейная модель Максвелла при малых значениях параметра А -1, несущая способность стремится к значению этого показателя для истинно вязкой жидкости, оставаясь больше этого значения.

Литература

1. Харноу. Анализ релаксации напряжений в упруговязкой

жидкой смазке радиальных подшипников // Проблемы трения и смазки. 1978. № 2. С. 159-168.

2. Коул Д.А. Экспериментальное исследование влияния температуры на работу опорных подшипников скольжения // Междунар. конф. по смазке и износу машин (Лондон, 1957) М., 1962. С. 108-113.

3. Гурин Д. де, Холл Л.Ф. Экспериментальное исследование трех типов упорных подшипников скольжения, предназначенных для тяжелых условий работы // Междунар. конф. по смазке и износу машин (Лондон, 1957) М., 1962. С. 124-131.

4. Демидова Н.Н., Яковлев М.В. Математическая модель

стратифицированного течения вязкоупругой смазки в зазоре упорного металлополимерного подшипника скольжения. // Вестн. Рост. гос. ун-та путей сообщения. Ростов н/Д, 2004. № 4. С. 100-104.

Ростовский государственный университет путей сообщения

28 октября 2005 г.

и

УДК 621.762.002

ОСОБЕННОСТИ ФЛОКУЛЯЦИИ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ МАГНИТОТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

© 2006 г. Ю.М. Вернигоров, И.Н. Егоров, С.И. Егорова

При работе с порошками магнитотвердых материалов необходимо учитывать на каждом этапе технологического процесса их склонность к флокулиро-ванию. Большие силы магнитостатического взаимодействия приводят к формированию устойчивых агрегатов (флокул) даже в случае, если когезионные силы оказываются малыми. Образующиеся флокулы могут содержать от двух до нескольких сотен частиц, что неизбежно приводит к изменению как физических так и технологических свойств порошков. Например, необходимость разрушения флокул существенно усложняет технологию прессования анизотропных высокоэнергетических порошковых магнитов, тонкодисперсные порошки магнитотвердых материалов имеют практически нулевую текучесть, что исключает возможность автоматического дозирования этих порошков и т.д.

Механическое измельчение хрупких магнитных материалов объединяет два одновременно действующих процесса: разрушения частиц внешней силой и флокуляции частиц как самопроизвольной, так и вызванной внешними воздействиями [1]. При измельчении необходимо регулировать технологические режимы для достижения требуемой дисперсности, что напрямую связано с активностью порошка. В шаровых мельницах роль процессов флокуляции не оказывает заметного влияния на процесс измельчения, так как прочность флокул мала по сравнению с прочностью составляющих ее частиц. При измельчении порошков в мельницах с электромагнитным воздействием на дисперсный материал роль флокуляции возрастает.

Для повышения управляемости процесса измельчения применяют вращающееся магнитное поле [2],

суперпозицию постоянного и переменного магнитных полей [3]. Применение магнитных полей способствует как флокуляции, так и дефлокуляции измельчаемого материала. Поэтому для выбора оптимального режима помола необходимо исследовать поведение дисперсных порошковых материалов при электромагнитном воздействии.

В работе рассматривается влияние параметров электромагнитного воздействия постоянным и переменным магнитными полями на размеры флокул в магнитовибрирующем слое (МВС). Получение МВС по этой технологии позволяет обеспечить пространственную устойчивость полидисперсной среды с высокой порозностью частиц.

Проводились исследования с порошком феррита бария: средний размер частиц 81,3 мкм; дисперсия 97,6 мкм; максимальный размер частиц 550 мкм; 50 % частиц имел размер более 55 мкм; частицы, имеющие размер больше 200 мкм, составляли 87 % (по массе). Гранулометрический состав порошка приведен на рис. 1. Для исследований феррит бария разделили на фракции: (0-50) мкм, (50-63), (63-80), (80-200), (200-400) мкм.

Рис. 1. Гистограмма и функция логарифмически нормального распределения исходного порошка феррита бария по размерам

Изучение особенностей флокуляции магнитных дисперсных систем в МВС при различных режимах электромагнитного воздействия проводили на установке, собранной на базе спектрофотометра СФ-26-01.

Блок-схема экспериментальной установки представлена на рис. 2.

В спектрофотометр помещался соленоид 9 для создания постоянного магнитного поля и разомкнутый пермеаметр 11 для создания переменного поля. В межполюсное пространство пермеаметра помещалась измерительная ячейка 2, представляющая собой кювету размером 10x10x8 мм, изготовленную из оргстекла толщиной 1 мм. Световой пучок из блока формирования 1 проходил через измерительную ячейку и попадал на фотоэлемент 3. Сигнал с фотоприемника поступал на вход усилителя 4. Для повышения точности отсчета при измерении предусмотрена возможность регулировки чувствительности 5, включения блока компенсации 6 и калибровки 7.

Рис. 2. Блок-схема экспериментальной установки на базе спектрофотометра. 1 - блок формирования светового пучка; 2 - измерительная ячейка; 3 - фотоэлемент; 4 - усилитель; 5 - блок регулировки чувствительности; 6 - блок компенсации; 7 - блок калибровки сигнала; 8 - индикаторный блок; 9 - соленоид; 10 - блок питания соленоида; 11 - разомкнутый пермеаметр; 12 - блок питания пермеаметра

Полюса пермеаметра располагались вдоль вертикальной оси системы у, а силовые линии индукции постоянного магнитного поля - вдоль горизонтальной оси г и параллельно световому пучку (рис. 3). Исследование свойств МВС сводилось к анализу результатов измерений оптической плотности [4].

Рис. 3. Схема электромагнитного воздействия: 1 - измерительная ячейка; 2 - соленоид;

3, 4 - полюса пермеаметра

Порошковую пробу массой 10 и 20 мг помещали в измерительную ячейку (рис. 3), воздействовали постоянным магнитным полем с индукцией Вс, и переменным магнитным полем Ву, при этом объем порошка увеличивался до размеров ячейки. Измерение проводилось по методу электрической автокомпенсации. Оптическая плотность магнитовибрирующего слоя порошка равна:

о = '-0, (1)

I

где /0, / - сила фототока в регистрирующем приборе при прохождении света через датчик без порошка и в присутствии гомогенно распределенной среды соответственно.

Рост зависимости Б = / (Бу) (рис. 4 и 5) объясняется увеличением числа флокул в единице объема магнитовибрирующего слоя. Увеличение Бу при фиксированном значении Бс приводит к разрушению флокул. Для фракции (50 - 63) мкм при Бс = 0,42 мТ процессы дефлокуляции происходят при Бу, изменяющемся в интервале 0,75 - 3,77 мТ, а при Бс = 2,50 мТ флокулы разрушаются в интервале Бу от 0,75 до 6,01 мТ (рис. 4а). С ростом Бс максимум оптической плотности сдвигается в сторону большего значения Бу для всех фракций, но чем крупнее фракционный состав порошка, тем смещение максимума меньше.

Б

0,3

0,2 -

0,1 -

2 4 6 8 В¥, мТ

D 0,3

0,2

0,1

8 В¥, мТ

б

Рис. 4. Зависимость оптической плотности Б магнито-вибрирующего слоя порошка феррита бария массой 10 мг от индукции переменного Бу при различных значениях постоянного Бс магнитных полей для фракций: а - (50-63) мкм; б - (63-80) мкм: 1 - Бс = 0,42 мТ; 2 - Бс = 0,83 мТ; 3 - Бс = 1,67 мТ; 4 - Бс = 2,50 мТ; 5 - Бс = 3,33 мТ;

6 - Бс = 4,17 мТ

Из сравнения рис. 4 и 5 видно, что увеличение массы порошка с 10 до 20 мг приводит и к повышению оптической плотности, так как возрастает концентрация флокул в объеме магнитовибрирующего

слоя. Например, для фракции (50 - 63) мкм и массы порошка 10 мг при Бс = 0,83 мТ максимум оптической плотности равен 0,29, а для 20 мг - 0,51 (рис. 4а, 5а). Таким образом, для фракции (50 - 63) мкм оптическая плотность возросла приблизительно в 1,8 раза, а для фракции (63 - 80) мкм - в 1,9 раза. При Бс = 4,17 мТ оптическая плотность возрастает в 2 раза для МВС из порошка фракции (50 - 63) мкм и в 2,3 раза для МВС из порошка фракционного состава (63 - 80) мкм при увеличении массы порошка в измерительной ячейке в 2 раза.

Б 1 2

0,5 "

0,4

0,3

0,2

0,1

—1-1-1-1-1-г-

0 2 4 6

а

D 0,5

0,4

0,3 -

0,2

0,1

8 Ву, мТ

8 Вг, мТ

б

Рис. 5. Зависимость оптической плотности Б магнитовиб-рирующего слоя порошка феррита бария массой 20 мг от индукции переменного Бу при различных значениях постоянного Бс магнитных полей для фракций: а - (50-63) мкм; б - (63-80) мкм: 1 - Бс = 0,83 мТ; 2 - Бс = 1,67 мТ;

3 - Бс = 2,50 мТ; 4 - Бс = 3,33 мТ; 5 - Бс = 4,17 мТ

При индукции постоянного магнитного поля меньше 0,83 мТ в переменном поле с индукцией 4,5 мТ и выше наблюдается уменьшение оптической плотности МВС, что свидетельствует о процессе вторичной флокуляции для частиц с размерами до 63 мкм (рис. 4а, 5а).

Зависимость светопоглощения от размеров флокул можно оценить следующим образом. При прохождении через магнитовибрирующий слой свет испытывает ослабление по закону Бугера - Ламберта:

4

5

2

0

а

1

5

0

2

6

0

2

4

6

I = I о *

-2nnR 2kZ

(2)

где 1,10 - интенсивность света, вошедшего в среду и после прохождения слоя толщиной 2 соответственно; п - число флокул в единице объема МВС; Я - радиус флокулы или частицы; к( а) - функция, зависящая от радиуса флокулы и длины световой волны.

При а = 2пЯ > 40, где X - длина монохроматиче-

X

ской волны, зависимость к от а практически исчезает и можно считать к = 1 [5]. Из (1) и (2) следует:

D =

2nnR 2 Z 2,3

(3)

Моделируя порошок совокупностью сферических флокул плотности р, для фиксированной массы навески т с учетом (3) можно получить выражение:

R=

3mZ 4,6 DpV

(4)

где V - объем магнитовибрирующего слоя.

D

0,3 1

0,2 -

0,1 -

Ву, мТ

d, мкм 280 "

240 "

200 -

160 -

120 .

80

8 В V, мТ

б

Кривые, построенные в соответствии с выражением (4), приведены на рис. 6б, 7б, 8б. Как видно из рис. 6, 7, 8, при одной и той же массе исследуемого порошка и одинаковых параметрах электромагнитного воздействия для магнитовибрирующего слоя наблюдается увеличение оптической плотности с уменьшением размера частиц. Для фракций (50 - 63) мкм в постоянном поле с индукцией Вс = 1,67 мТ минимальный размер флокул dmm = 121 мкм, т.е. порядка двух частиц во флокуле (рис. 6б, 7б), в поле с Вс = 4,17 мТ - dmln = 154 мкм, что соответствует уже трем частицам во флокуле (рис. 8б). Для порошков крупных фракций (200 - 400) мкм разрушение флокул при возрастании Ву до 9,32 мТ происходит до отдельных частиц (рис. 7б, 8б). Таким образом, можно предположить, что количество частиц во флокуле зависит не от массы магнитовибрирующего слоя, а от параметров электромагнитного воздействия.

D

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

8 В¥, мТ

d, мкм 700600500400300200100

8 В V, мТ

Рис. 6. Зависимость оптической плотности О (а) и среднего размера флокул d (б) магнитовибрирующего слоя порошка феррита бария массой 10 мг различного фракционного состава при Вс = 1,67 мТ от индукции переменного магнитного поля: 1 - 0-50 мкм; 2 - 50-63 мкм; 3 - 63-80 мкм;

4 - 80-200 мкм

б

Рис. 7. Зависимость оптической плотности О (а) и среднего размера флокул d (б) магнитовибрирующего слоя порошка феррита бария массой 20 мг различного фракционного состава при Вс = 1,67 мТ от индукции переменного магнитного поля: 1 - 50-63 мкм;; 2 - 63-80 мкм; 3 - 80-200 мкм; 4 - 200-400 мкм

1

2

1

4

0

2

4

6

0

а

2

4

6

а

0

2

4

6

0

2

4

6

D

а

d, мкм

б

Рис. 8. Зависимость оптической плотности Б (а) и среднего размера флокул << (б) магнитовибрирующего слоя порошка феррита бария массой 20 мг различного фракционного состава при Бс = 4,17 мТ от индукции переменного магнитного поля: 1 - 50-63 мкм;; 2 - 63-80 мкм; 3 - 80-200 мкм;

4 - 200-400 мкм

Краткая характеристика исследуемого объекта

Как известно, гидромеханическая система (ГМС) технологического оборудования и мобильной техники состоит из трёх основных систем: источника энергии, силового гидравлического привода (СГП) и механической системы. Рассмотрим с этих позиций аэродромную уборочную машину, предназначенную для очистки ото льда и снега взлетно-посадочных полос аэродромов.

Проведенные исследования позволяют утверждать, что наименьший размер отдельной флокулы реализуется в полях, соответствующих максимальному значению оптической плотности, и зависит от массы порошка в единице объема магнитовибрирующего слоя. Подбором режимов электромагнитного воздействия можно регулировать интенсивность движения порошка и добиться практически монодисперсной фазы магнитовибрирующего слоя с размером флокул, близким к средним размерам частиц.

Литература

1. Левин Б.Е., Третьяков Ю.Д., Летюк Л.М. Физико-химические основы получения, свойства и применение ферритов. М., 1979.

2. Патент 2008095 РФ. Мельница / Ю.И. Козлов, Б.Г. Гаса-нов, А.Ю. Стопченко и др. МКИ С.15В 02С17/16. Заявл. 18.06.1991. Опубл. 28.02. 94 Бюл. № 4.

3. Вернигоров Ю.М., Егорова С.И., Егоров И.Н. Некоторые особенности магнитовибрационной технологии измельчения / Вопросы вибрационной технологии: Межвуз. сб. науч. ст. / ДГТУ. Ростов н/Д, 2003. С. 88 - 91.

4. Вернигоров Ю.М., Егорова С.И., Кунаков В.С., Соколов Н.П. Измерение удельной поверхности дисперсных материалов методом светопоглощения // Пьезоактивные материалы. Физика. Технология. Применение в приборах. Ростов н/Д., 1991. С. 207-211.

5. Королев Ф.А. Курс физики. Оптика, атомная и ядерная физика. М., 1974.

2005 г.

Принципиальная гидравлическая схема СГП рассматриваемой уборочной машины приведена на рис. 1. Он включает два гидравлических насоса Н1 и Н2, установленные на одном валу с возможностью параллельной работы в системе; два одинаковых гидромотора М1 и М2, также включённых параллельно и приводящих в движение вал барабанного щёточного устройства (далее - барабан), механическая система уборочной машины, кинематическая схема которой приведена на рис. 2, включает машину, состоящую из тягача и шарнирно присоединённого к нему полуприцепа.

Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону 21 октября

УДК 625.768.5:531.3

ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ АЭРОДРОМНОЙ УБОРОЧНОЙ МАШИНЫ

© 2006 г. В.П. Жаров, А. Т. Рыбак, А.В. Корчагин