Теоретический анализ работы электромагнитного сепаратора УМС-4М

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК: 621. 928
теоретический анализ работы электромагнитного
сепаратора умс-4м
Чарыков виктор иванович, доктор технических наук, профессор кафедры «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства»
Евдокимов Александр Андреевич, аспирант кафедры «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства»
соколов сергей Александрович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства» ФГБОУ ВПО «Курганская ГСХА им Т.С. Мальцева»
641 300, Курганская обл., Кетовский р-н, с. Лесниково, сельхозакадемия тел.: 8(35−231)44−142.
е-mail. :viktor52-chimesh@yandex. ru- aleksandr-aae@mail. ru
Ключевые слова: электромагнитный сепаратор, ферромагнитная частица, дифференциальное уравнение, время, магнитная сила, концентратор.
В статье описан электромагнитный сепаратор УМС-4М для отделения ферромагнитных частиц. Изложена методика расчета определения времени нахождения ферромагнитных частиц в рабочем канале и время притяжения ферромагнитных частиц к концентратору магнитного поля.
ведение
Работа металлорежущих станков в условиях ремонтно-технических предприятий (РТП), машинно-технологических станций (МТС) и машиностроительных заводов невозможна без применения смазочно-ох-лаждающих жидкостей (СОЖ), которые стали неотъемлемым элементом технологических процессов [1].
Объемы потребления СОЖ в Курганской области постоянно увеличиваются. На сегодняшний день в двадцати четырех районах области находятся более 200 машинно-
V -7
технологических станций, 7 ремонтно-тех-нических предприятий и более 10 машиностроительных заводов.
Смазочные материалы играют важную роль в эксплуатации современной техники, выполняя следующие функции:
— быстрый отвод теплоты, увеличение скорости резания и срока службы металлорежущего инструмента-
— образование смазочной пленки между режущим инструментом, стружкой и заготовкой, снижение износа и улучшение качества обработки поверхности заготовки-
— смазку точек скольжения за предела-
ми фактической зоны резания между режущим инструментом, заготовкой и стружкой-
— эффективное удаление стружки [2].
Незначительная часть смазочных материалов (10… 20%) безвозвратно теряется вследствие испарения, уноса, проливов и утечки. Основная же часть СОЖ (80. 90%) претерпевает физико-химические изменения структуры, во многом определяющие показатели операций механической обработки. В процессе функционирования и эксплуатации СОЖ в циркуляционных системах были обнаружены масла, смолы, вода, колонии микроорганизмов, адсорбирующие на себе пыль и мелкую стружку, а также ферромагнитные частицы, которые оказывают значительное влияние на качество обработки поверхности и износ инструмента [3].
Смазочные материалы, непригодные к дальнейшему использованию после окончания срока службы или по их фактическому состоянию, удаляют из циркуляционных систем станков и заменяют свежими.
На основании анализа работы существующих установок по очистке СОЖ в Курганской ГСХА разработан электромагнит-
ный сепаратор УМС-4М (рис. 1) [4]. Отличительной особенностью данной установки является то, что для извлечения ферромагнитных частиц в нем использованы концентраторы магнитного поля (рис. 2), имеющие различные параметры. Зона сепарации расположена в замкнутом магнитном контуре, работающем на постоянном токе.
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 магнитное поле с высоким значением магнитной индукции, и зона сепарации пронизывается по всей длине и ширине рабочего канала (желоба) 2 магнитным потоком. СОЖ подается в зону сепарации и протекает равномерным слоем по концентратору магнитного поля 1. В зоне сепарации ферромагнитные частицы притягиваются к полюсу в направлении сходимости магнитных силовых линий и оседают на концентраторе магнитного поля. Очищенная жидкость поступает в приемник 8. Очистку концентратора магнитного поля от ферромагнитных частиц осуществляют путем смывания частиц водой после сепарации.
Геометрические размеры концентратора магнитного поля соответствуют форме рабочего канала (желоба).
Цель исследования — разработать теоретические положения по определению времени движения ферромагнитных частиц
1 — концентратор магнитного поля- 2 — желоб (лоток) — 3 -полюсные наконечники- 4 — немагнитные вставки- 5 — сердечники- 6 — катушки намагничивания- 7 — загрузочное устройство- 8 — приемник.
Рис. 1 — Электромагнитный сепаратор УМС — 4 М
Рис. 2 — Концентратор магнитного поля
вдоль рабочего канала (желоба), а также времени, за которое ферромагнитные частицы притягиваются к концентратору магнитного поля в зависимости от физико-механических свойств и конструктивных параметров сепаратора.
Объекты и методы исследований Расчет выполнен на основании разработанной нами методики [5]. Для этого необходимо знать, какие силы действуют на ферромагнитную частицу в электромагнитном сепараторе. Под действием этих сил частица должна перемещаться, и тот концентратор, в котором время перемещения частиц окажется наименьшим, будем считать оптимальным.
Жидкость (рис. 3) течет тонким слоем толщиной Л вдоль наклонного желоба 1 длиной I и шириной а. В желобе с помощью
ным. При установившемся режиме через любое поперечное сечение желоба площадью 5 = hа за одну секунду будет протекать одно и то же количество жидкости:
д = рж-3-У = рж-И-а-У.
(3)
Определим скорость течения жидкости /из формулы (3):
0
V =
1 — желоб (лоток) — 2 — концентратор- 3 — ферромагнитная частица- Fс — сила сопротивления среды- Fк — сила сопротивления концентратора- Fа — Архимедова сила- Fм — магнитная сила- mg — сила тяжести- а — угол наклона желоба (лотка)
Рис. 3 — Принципиальная схема установки для сепарации СОЖ и силы, действующие на металломагнит-ную частицу в установке
р -к-а
'- ж
(4)
концентратора 2 создается неоднородное магнитное поле. Эффективность сепарации зависит от скорости течения жидкости и величины неоднородного магнитного поля в рабочей зоне установки.
Выразим критерий эффективности в следующем виде:
& gt- *2, (1) где t1 — время нахождения частицы в желобе, с- t2 — время, необходимое для притяжения частиц к полюсным наконечникам, с.
Для использования критерия (1) необходимо знать закон движения частиц вдоль осей ОХ и ОУ.
Движение ферромагнитных частиц в магнитном поле вдоль оси ОХ
Для определения режима течения жидкости в желобе используем критерий Рейнольдса [6]:
Я =
е
р -V-а
'- ж
хар
Л
(2)
где гж — плотность жидкости, кг/м3- V -скорость течения жидкости, м/с- ахар — характерный для поперечного сечения линейный размер, м- Л — коэффициент динамической вязкости, Н-с/м2.
Будем считать режим течения жидкости в желобе установившимся, т. е. ламинар-
Так как длина желоба равна I, то время притяжения ферромагнитной частицы в желобе при движении ее вдоль оси ОХ / р ¦Ъ-а-1
_ _ _ / Ж_
в '- (5) Это время пребывания частицы в желобе при ее движении вдоль оси ОХ мы и будем использовать.
Дифференциальное уравнение движения частиц в магнитном поле вдоль оси ОУ
При движении частиц вдоль оси ОУ на ферромагнитную частицу действуют: магнитная сила Fм, создаваемая магнитным полем в желобе и на концентраторе- сила сопротивления движению частиц Fс, создаваемая жидкостью, или, другими словами, внутреннее трение- сила сопротивления концентратора F, создаваемая конструкцией последнего- сила тяжести тд и Архимедова сила Fа.
Магнитная сила F является основной
м
силой, за счет которой происходит удаление ферромагнитных частиц из жидкости [7]:
?м = (б)
где Ш — потенциальная энергия, Дж.
Потенциальная энергия магнитного поля, накопленная частицей,
Ж =
к-в2
где V — объем частицы, находящейся в магнитном поле, м3- В — магнитная индукция, Тл- ц0 — магнитная постоянная вакуума, Гн/м- ц — относительная магнитная проница-
емость жидкости.
С учетом формулы (7) магнитная сила, действующая на частицу в магнитном поле,
F = -grad • W = -grad
V В2
V
2-ju0-JU 2-ju ()-ju
grad-В2.
(8)
Магнитная сила, действующая в направлении оси ОУ,
12 V В dB
F — Vr dW 2-ju0-jU dy
М0 ¦ М? У (9) Как следует из формулы (9), для определения магнитной силы необходимо знать магнитную индукцию В в магнитном поле желоба. Её можно определить из зависимости [8]:
а,
В = В.
d"
(10)
где B — максимальное значение маг-
^ max
нитной индукции, Тл- di — расстояние от точки измерения магнитной индукции до активного полюса, м- dn — эмпирический коэффициент, м.
Подставив выражение (10) в формулу (9), получим:
F. = -
V. d
2-juo-judy

2
V,
dn- fa • И

(11)
Опытами установлено, что при малых числах Рейнольдса К, т. е. при небольших скоростях, сопротивление движущейся среды можно определить с помощью формулы Стокса [9]:
? — Ь'- 7 Г '-Л '- г •и,
'- г (12)
где п — коэффициент вязкой жидкости- гг — характерный для поперечного сечения тела размер, для тела круглой формы (для шара) гг — радиус шара, м- и — скорость движения тела в жидкости, м/с.
Помимо силы сопротивления среды на частицу действует еще сила Fк — сила сопротивления движению частиц от концентратора магнитного поля:
Р, = Ъ-Ч-1х-о, (13)
где к — коэффициент пропорциональ-
ности- 1 — сечение ячейки концентратора, м- и — скорость движения частицы, м/с.
При движении частицы вдоль оси ОУ на нее, кроме силы сопротивления среды и силы сопротивления концентратора, действуют еще сила тяжести частицы mg и архимедова сила Fa. Результирующая двух последних сил
тё-ра = Крг-рж)-ё, (14)
где V — объем частицы, м3- г г — плотность частицы, кг/м3- гжид — плотность жидкости, кг/м3- д — ускорение свободного падения тела, g = 9,81 м/с2.
Проекция результирующей силы тяжести и архимедовой силы на ось ОУ:
(mg-Fa)-cosa = Vr-(pr-px)-g-cosa.
(15)
Составим дифференциальное уравнение равновесия всех сил, действующих вдоль оси ОУ:
т К = Fm ~ Fс ~Fk + У г (Рг ~ Рж) • S • с о s а.
(16)
Подставив все силы, действующие вдоль оси ОУ, в уравнение (16) и учитывая, что = у, а V = у, получим следующее дифференциальное уравнение:
ту =
V.
, -BL'-e & quot- -6'-7T'-TJ-rr-y-
-k-rj-ll-y + Vr-(pr-p3K)-g-cosa.
(17)
После ряда математических преобразований получим:
у±'--Л-.у ±-Г---у =
т m-ju0-ju-dn
_ BL -К, 8-(Рг-Рж)-К'-Со™
т-- /л- dn
т
(18)
Введем обозначения: 6−7T-rj-rr +k-r-lx
т
2 В2 V 2
max г _
i2 ~ С '-
= 2Ъ,
т-Мо 7*4

К^-К, ё-(Рг~РЖ)'-Уг- С08СС _р
В итоге получим линейное неоднородное дифференциальное уравнение:
2
у + 2-Ь-у + с -у = р.
(19)
Как известно, общее решение неоднородного дифференциального уравнения можно представить как сумму общего решения У соответствующего однородного уравнения:
у + 2-Ь-у + с2-у = 0,
(20)
и какого-нибудь частного решения уравнения (19) Y*:
У = У + У •
(21)
Тогда общее решение уравнения (20) будет иметь вид:
— -(Ъ+г)г, -(Ъ-г)г
у = с1 • е у '- + с2 • е у '- =
= (Г — Ъ)• к е _(Ъ+г)/ + (Ъ + г)• Ъ е _(Ъ — г)/
2 • г 2 • г
. (22)
Частное решение неоднородного дифференциального уравнения (20) имеет вид:
У ~7~2 п 2В2
с 2 1В™* (23)
Запишем общее решение дифференциального уравнения (21):
у = у+у =-----е К '- ±-1-е 1 — +
2 т 2т
2 2-В2 •
тах
(24)
Упростим дифференциальное уравне-
ние (24). В нашем случае (Ь + г) очень велико. Поэтому е~(Ъ+г)г ^ 0. Следовательно, ре-
шение дифференциального уравнения (24)
примет вид:
2 т 2 я
+

2-Я
а
тяу
(25)
Решив это уравнение относительно времени t и подставив у = Л, получим:
АЪ-'-У —
(ъ+гуъ

1=---1п
2 Ь-г
в^(ь+г).к '-(ь+гу (2б)
Прологарифмировав выражение (26) и выразив t, найдем искомое время притяжения частиц 12
7 ?"-г (Ь + г)-Ь
g•(?& gt-- ~рж)'-Мо -г-са$а 2-г В2тх-(Ь+г)-к Ь + г
Результаты исследований
Время нахождения частицы в желобе при движении ее вдоль оси ОХ определяется по формуле (5). Если производительность сепаратора О выражается в м3/с, то время нахождения частицы в желобе t1 = Ла1/О. В нашем случае: Л = 0,01 м- а = 0,1 м- I = 0,45 м- О = 110 л/ч = 0,031−10−3 м3/с. Следовательно,
(27)
'-1 =
0,01−0,1−0,45
0,0031-Ю& quot-3
Для определения времени притяжения ферромагнитной частицы, необходимо решить линейное неоднородное дифференциальное уравнение (19). Приведем все величины, необходимые для расчета.
В = 130 мТл = 0. 137л:
//0 =1,26−10 6 гН/м — ?л = 1- гг = 0,5 мм = 5−10^ м- р = 7800 кг/м3- л = 1023 кг! м3:
у = 152 мм² /с = 1. 52−10"-4 м2 /с:
с! п = 3,75 мм = 3,75 -10 3 м /, = 3 лш = 3−10 3 м-
77 = рж ¦ V = 1023−1,52−10& quot-4 = 0,155 кг/м-с-? = Я = 9,81 м/с2-
. -о 3 М '-
Гг =^-7Г-ггъ = ~3,14-(5−104)3 =0,5−10
т=рг-?г = 7800 ¦ 0,5¦ 10& quot-9 = 3,9 ¦ 106 кг. Определим расчетные коэффициенты
¦rf -r +k -rj-L 6−3,14−0,155−510^ +10−0,155−3-10 3 _ 1 — -= 1566,7--
3,9−10 '-
783,41- b с
2BL. -К.
2 -0,132−0,5−10 '-
= 2,4 492 754-
v-Hb-H-dl 3,9−10 6-l, 26−10^ -1-(з, 75−10 3)
с=-Je2 = д/2'-4 492 754'-10'- = 494& gt-9 --
в2 ¦V g{p-p)-V-cosa p =-- '-¦ -?*2-& gt--=
m-fj0-f2dn m
ОЛЗ^О^-Ю-9 9,81 — (7800−1023) — 0,5 — КГ9 -cos 20
3,9−10~6−1,26−10~б-1−3,75−10~3 + 3,9−10& quot-6
= 458,54 + 8, Ol = 466,55
c
(23):
Найдем частное решение уравнения
Р

466. 55
=1,9−10~3 м.
? 2,4 492 754−10 5 Общее решение неоднородного дифференциального уравнения определяется в следующем виде:
У = У + У* = С,-е ^ + с2 • + у*
Определим коэффициент г:
г = = у1783,42 -244 927,54 =у]613 715,56−244 927,54 =
= ^/36 878 8,02 = 607,28^-
с
Определим коэффициенты С1 и С2:
(г -Ь) ¦ Ь (607,28 — 783,4) 0,01 = ^-}- = ±------- - - 0. 002:
2-г
2−607. 28
(b + r)-h (783,4 +607,28)-0,01 С = -= ^-----^-^- = 0,011.
2-г
2−607. 28
Следовательно, общее решение неоднородного дифференциального уравнения (24) будет иметь вид:
у = -0,002 • +0,011. И707'-28)/ + 1,9 ¦
= -0,002. ?г1390'-68'- + 0,011 • ?Г176'-12'- +1,9 • Ю-3.
Если пренебречь первым членом как величиной бесконечно малой, то общее решение неоднородного дифференциального уравнения (19), описывающего движение частицы в сепараторе УМС-4М, принимает вид (25):
у = 0,011 • е~176,т +1,9 • 10−3.
Найдем значение у за время t = 0,1 с:
у1=0Лс = о, 011 • е 17 612 + 0,0019 = 0,011 • 2,2 • 10 8 + 0,0019 * «0,0019 ж a 1,9 мм.
Следовательно, через время t = 0,1с частица уже достигнет концентратора. Поэтому принимаем t2 = 0,1 с.
выводы
Теоретический анализ разработанной методики расчета позволяет определить время движения ферромагнитных частиц вдоль оси ОХ и время притяжения частицы вдоль оси ОУ, в зависимости от физико-механических свойств и конструктивных параметров сепаратора, а также показать возможность очистки СОЖ в рабочей зоне сепаратора с предлагаемым концентратором магнитного поля.
Согласно полученным данным, t = 15 c, а t2 = 0,1 с. Критерий эффективности сепарации t1 & gt- t2 выполняется, ферромагнитная частица будет притягиваться к концентраторам магнитного поля. При t1 & lt- t2 ферромагнитная частица будет вытекать вместе с жидкостью, не задерживаясь в желобе.
Следовательно, в дальнейшем при расчете параметров электромагнитного сепаратора необходимо брать за основу такие характеристики, как магнитная индукция в рабочей зоне, величина неоднородности магнитного поля, скорость течения жидкости и размер сечения ячейки концентратора.
Библиографический список
1. Евдокимов, А. А. Очистка смазочно-охлаждающих жидкостей на машинно-технологических станциях электромагнитным сепаратором / А. А. Евдокимов, В. И. Чарыков // Материалы LII международной научно-технической конференции «Достижение науки — агропромышленному производству». Челябинск: ЧГАА, 2013. — С. 253−256.
2 Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки металлов резанием: Справочник / Под. ред. С.Г. Энте-лиса, Э. М. Берлинера — М.: Машиностроение, 1995. — 496 с.
3 Черножуков, Н. И. Химия минеральных масел / Н. И. Черножуков, С. Э. Крейн, Б. В. Лосиков. — М.: Гостоптехиздат. 1959. -416 с.
4 Патент на полезную модель РФ № 132 740. Установка электромагнитной сепарации / В. С. Зуев, В. И. Чарыков, А. А. Евдокимов, А. А. Митюнин, И.И. Копытин- заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Курганская ГСХА им Т. С. Мальцева. — № 2 012 147 148/03- заявл. 06. 11. 2012- опубл. 27. 09. 2013- Бюл. № 27.
5 Евдокимов, А. А. Теоретическое обоснование критерия эффективности извлечения ферромагнитных частиц из потока жидкости в электромагнитном сепараторе УМС-4М / А. А. Евдокимов, В. И. Чарыков // Вестник Алтайского ГАУ. — 2013. № 9 (107). -С. 106−110.
6 Альтшуль, А. Д. Гидравлика и аэродинамика (Основы механики жидкости) / А. Д. Альтшуль, П. Г. Кисилев. — М.: Стройиздат, 1975. — С. 149 — 150.
7 Сумцов, В. Ф. Электромагнитные же-лезоотделители. — М.: Машиностроение, 1981. — 212 с.
8 Чарыков, В. И. Вопросы теории и инновационных решений при конструировании электромагнитных железоотделителей / В. И. Чарыков [и др.]. -Курган: изд-во КГУ, 2010. -238 с.
9 Хаппель, Дж. Гидродинамика при малых числах Рейнольдса / Дж. Хаппель, Г. Бренер. — М.: Мир, 1976. — 624 с.
УДК 631. 862
исследование седиментации свиного навоза, его жидкой фракции и навозосодержащих стоков
Шалавина Екатерина Викторовна, аспирантка Субботин Игорь Александрович, аспирант Васильев Эдуард Вадимович, аспирант ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии
196 625, Санкт-Петербург, Павловск, Фильтровское шоссе, дом 3- тел. :466−57−16, e-mail: sznii@yandex. ru
Ключевые слова: свиной навоз, седиментация, мерные цилиндры, вертикальный отстойник.
Рассмотрены и проанализированы результаты исследований по седиментации свиного навоза ряда научно-исследовательских институтов. Приведены и проанализированы результаты собственных исследований по седиментации свиного навоза в мерных цилиндрах. Была создана лабораторная модель вертикального отстойника, на которой проведены исследования по седиментации жидкой фракции свиного навоза.
Введение
Рациональное использование всех водных ресурсов в условиях быстрого развития промышленности, жилищного строительства и сельского хозяйства является одной из важнейших экологических, экономических и социальных задач.
Развитие промышленного свиноводства привело к строительству в нашей стране и за рубежом крупных животноводческих
комплексов с бесподстилочным содержанием животных. Переработка и утилизация больших объёмов жидкого свиного навоза и навозосодержащих стоков стали серьезной экологической проблемой.
Наиболее часто встречаемым способом подготовки к утилизации жидкого свиного навоза и навозосодержащих стоков является их разделение на фракции (твёрдую и жидкую) с последующим обеззаражива-

Показать Свернуть
Заполнить форму текущей работой