Содержание к диссертации
Введение
1. Проблема повышения качества продуктов сельскохозяйственного производства по фактору металловключений 15
1.1 Система заготовок, переработки и хранения сельскохозяйственных продуктов 15
1.1.1 Качество сельскохозяйственных продуктов и анализ факторов его определяющих 15
1.1.2 Анализ существующих способов повышения качества сельскохозяйственных продуктов по фактору металловключений 20
1.1.2. 1. Магнитные сепараторы 20
1.1.2.2 Электромагнитные сепараторы сухих сыпучих материалов 25
1.1.2.3 Электромагнитные сепараторы жидких материалов 32
1.2 Анализ использования электромагнитных сепараторов технологических процесса АПК
1.2.1 Технологические линии производства кормов 37
1.2.2 Линии мучнистого сырья и рассыпной травяной муки 39
1.2.3 Линии кормовых продуктов пищевых производств и шротов 40
1.2.4 Линии кускового и прессованного сырья и сырья минерального происхождения 42
1.2.5 Технологическая схема подготовки зерна к простому помолу 44
1.2.6 Технологическая схема подготовки ржи к помолу в обдирную муку 46
1.2.7 Технологическая схема производства электротехнического фарфора 47
1.3 Постановка проблемы и задачи исследования 48
2. Механизм отделения металлических примесей в электромагнитных установках (сепараторах)
2.1.Функциональный анализ и назначение структурных элементов электромагнитных сепараторов
2.2 Анализ факторов, определяющих процесс отделения металлических примесей в электромагнитном сепараторе
2.3 Анализ методов магнитного поля сепаратора 63
2.4 Обоснование формы рабочей зоны электромагнитного сепаратора 73
2.5 Математическая модель процесса очистки сухих и жидких сельскохозяйственных продуктов от металлических включений
2.6 Методика расчета магнитопровода 97
Выводы 101
3. Экспериментальные исследования электромагнитного поля в межполюсном пространстве сепаратора
3.1 Цель и программа исследований 102
3.2 Разработка моделей электромагнитных сепараторов сухих и жидких сельскохозяйственных продуктов
3.3 Разработка концентраторов магнитного поля для электромагнитных сепараторов
3.3.1 Обоснование формы концентраторов магнитного поля для сепараторов сухих сыпучих материалов
3.3.2 Обоснование выбранных схем и конструктивных решений для концентраторов магнитного поля электромагнитных сепараторов жидких материалов
3.4 Исследование распределения магнитной индукции в межполюсном пространстве сепаратора
3.5 Исследование эффективности электромагнитной сепарации сухих сыпучих материалов
Выводы 152
4. Разработка, исследование и испытание установок для электромагнитной сепарации сухих и жидких (мокрых) сельскохозяйственных продуктов 154
4.1 Разработка, исследование и испытание электромагнитных сепараторов сухих сыпучих материалов 154
4.1. Требования к электромагнитным сепараторам сухих сыпучих материалов 154
4.1.2. Классификация электромагнитных сепараторов 155
4.1.3. Разработка отдельных элементов электромагнитных сепараторов 157
4.1.4. Электромагнитный сепаратор УСС-1 160
4.1.5 Разработка и исследование перспективных конструкций электромагнитных сепараторов 166
4.1.5.1 Электромагнитные сепараторы УСС - 3 и УСС -4 166
4.1.5.2 Электромагнитные сепараторы УСС - 5 и УСС -5М 174
4.1.5.3 Электромагнитные сепараторы УСС - 6 179
4.1.6 Расчет и испытание электромагнитного сепаратора УСС -4 181
4.1.7 Испытание электромагнитного сепаратора УСС - 5М 211
Основные результаты и выводы 226
4.2 Разработка, исследование и испытание электромагнитных сепараторов жидких материалов 227
4.2.1 Обоснование параметров, общая компановка и этапы разработки электромагнитных сепараторов 227
4.2.2 Расчет электромагнитного сепаратора УМС -1 231
4.2.3 Исследование теплового режима сепаратора 241
4.2.4 Расчет процесса очистки жидких материалов от металлических частиц в сепараторе 243
4.2.5 Электромагнитный сепаратор УМС -2 246
4.2.6 Электромагнитный сепаратор УМС - ЗМ 249
4.2.7 Исследование распределения магнитной индукции в зоне сепарации установки УМС -ЗМ
4.2.8 Расчет процесса очистки жидких материалов от металлических час тиц в сепараторе УМС -ЗМ 263
Основные результаты и выводы 266
5 Научно - практическая значимость и технике - экономическая оценка результатов исследований 267
5.1 Расчет экономической эффективности от внедрения электромагнитного сепаратора УСС -4 268
5.2 Тенденции и перспективы использования электромагнитных сепараторов в технологических процессах АПК 271
5.2.1 Электромагнитная очистка семян от сорняков 272
5.2.2 Электромагнитная очистка автотракторных и машинных масел 273
5.2.3 Электромагнитная очистка кормосмесей 274
5.2.4 Применение магнитного поля для предпосевной отработки семян . 277
Основные результаты и выводы 278
Литература 280
Приложения 298
- Качество сельскохозяйственных продуктов и анализ факторов его определяющих
- Анализ факторов, определяющих процесс отделения металлических примесей в электромагнитном сепараторе
- Разработка моделей электромагнитных сепараторов сухих и жидких сельскохозяйственных продуктов
- Требования к электромагнитным сепараторам сухих сыпучих материалов
Введение к работе
Надежное обеспечение страны продовольствием и сельскохозяйственным сырьем является важнейшей задачей аграрной политики правительства РФ и региональных структур управления в современных условиях. Важнейшую роль при этом играют вопросы качества получаемой сельскохозяйственной продукции.
Для осуществления вышеназванной задачи необходимо не только достижения устойчивого роста сельскохозяйственного и перерабатывающего производства, надежное снабжение страны продуктами питания и сельскохозяйственным сырьем, но и обеспечение перерабатывающих отраслей высокотехнологичными машинами и оборудованием[176,177,179,189].
Мука и крупа являются одними из основных продуктов питания. На их производство затрачивается ежегодно примерно четвертая часть всего валового сбора зерна. Объем производства валовой продукции мукомольно-крупяной промышленности за последние годы растет. При этом особенно интенсивно развивается производство муки, крупы высоких сортов, а также гранулированных комбикормов.
На всех этапах технологического процесса переработки зерна или компонентов комбикорма большое значение придают операции очистки. В число различных примесей, засоряющих зерно и продукты его переработки, входят и металлические примеси. Размеры и формы таких примесей разнообразны: от мельчайших пылинок до кусков, по размерам, намного превосходящим зерно. В одних случаях это могут быть частицы, полученные в результате изнашивания рабочих органов машин, других - попавшие в зерно гвозди, частицы шлака, железной руды и окалины[197].
Вредные последствия засорения зерна и продуктов его переработки проявляются различным образом. Во-первых, это ускоренный износ обрабатывающих машин, во-вторых, опасность пожаров и взрывов пыли, поскольку искра легко возникает при попадании кусочка металла в рабочее пространство таких машин, как молотковая дробилка или вальцовый станок.
Наряду с округлыми и гладкими частицами встречаются игольчатые и острые лепесткообразные частицы небольших размеров, которые, попадая в пищеварительные органы, могут их травмировать.
На элеваторах, мукомольных, крупяных и комбикормовых заводах удаление металлических примесей из сыпучих продуктов посредствам электромагнитной сепарации - одно из важнейших мероприятий, способствующих повышению качества данной смеси и повышению степени безопасности.
Поэтому перед каждой группой дробильных и измельчающих машин, а также на выходе готовой продукции необходимо устанавливать машины для очистки продуктов от металлических примесей.
Ради справедливости следует отметить, что в конце семидесятых и всех восьмидесятых годов правительство страны уделяло достаточно большое внимание развитию отрасли хлебопродуктов и созданию для нее нового прогрессивного оборудования. Однако потеря в 1991-1992 годах единого заказчика в лице бывшего Министерства хлебопродуктов привела НИИ, КБ и заводы - изготовители на грань банкротства. Резкое сокращение численности исследователей и разработчиков уже не позволяло решать крупные проблемы по созданию новых прогрессивных видов оборудования.
В последние годы, после длительного застоя, предприятия отрасли начинают наращивать объемы производства, что требует их последовательного технического перевооружения, в том числе потребуется и высокоэффективная техника.
К настоящему времени накоплен значительный теоретический и экспериментальный материал, посвященный применению электромагнитных сепараторов в сельском хозяйстве. Постоянные магниты и электромагниты используются для удаления металлических включений из сыпучих и жидких материалов. На комбинатах хлебопродуктов, элеваторах, мелькомбинатах, мясокомбинатах электромагнитные сепараторы применяются для того, чтобы защитить мукомольное, дробильное и другое оборудование от поломок из-за попадания в исходный продукт металлических включений. Но, с другой сто-
8 роны, недопустимо наличие металлопримесей и в готовом продукте: муке, сенаже, колбасном фарше, электротехническом фарфоре и др. [30,31,32,33,43,44,45,130].
Значительный вклад в решение проблемы очистки сельскохозяйственных продуктов от металлических включений внесли Басов А.М, Блинов К.А., Сумцов В.Ф., Голдаль Ю.И., Зуев B.C., Егоров Т.А., Соколов А.Я., Данилин А.С., Демский А.Б., Гортинский В.В., Борискин М.А. [18,41,55,56,57,62,63,65,111,112,129,130].
В теоретическом плане общие вопросы отделения металлических примесей рассмотрены в работах Авдеева Н.Е., Зуева B.C., Сумцова В.Ф. [1,67,158].
Развитию дальнейших исследований по проблеме электромагнитной сепарации сухих и жидких продуктов сельскохозяйственного назначения посвящена данная работа, которая выполнялась автором с рядом сотрудников Курганской государственной сельскохозяйственной академии, среди которых автор с благодарностью отмечает Зуева B.C., Соколова С.А., Аленькина В.И., Газиева А.Х., Макеева В.К.
Диссертация выполнялась в соответствии с общесоюзной отраслевой программой 0.51.21. «Разработать и внедрить новые методы и технические средства электрификации сельского хозяйства и перечнем республиканских целевых программ, п. 29 « Разработать основные направления долгосрочной технической политики, систему энергетического обеспечения, развития автоматизации производства и экологии энергетических средств в сельскохозяйственном производстве России (приказ №10 от 17.03.95г. по Главному управлению вузов Минсельхозпрода России).
Решению вопросов электромагнитной очистки сыпучих и жидких материалов сельскохозяйственного производства отвечают направление и конкретные задачи настоящей работы. Диссертация посвящена повышению качества сыпучих и жидких сельскохозяйственных продуктов на основе разрабо-
9 ток новых установок по отделению металлических частиц - электромагнитных сепараторов.
До настоящего времени разделение немагнитной и магнитной фракций производилось на установках типа «магнитная шайба» и «магнитный шкив», работающих по принципу «извлечения» металлических частиц из слоя сепарируемого материала. В работе предлагается производить разделение немагнитной и магнитной фракции в процессе свободного падения разрыхленной сепарируемой массы в вертикальной рабочей зоне электромагнитного сепаратора. Взяв за основу этот принцип отделения металлических примесей из сыпучих сельскохозяйственных продуктов, нами был разработан комплекс машин под условным названием УСС (устройство для сухой сепарации) производительностью от 2-х до 30 тонн в час.
Каждая машина прошла лабораторные и производственные испытания. В основу расчета рабочей зоны электромагнитного сепаратора положены теоретические положения, подтверждающие высокую эффективность электромагнитных систем данного типа.
Для повышения качества электромагнитной сепарации разработаны и испытаны специальные устройства - концентраторы магнитного поля.
Электромагнитные сепараторы серии УСС рекомендуется устанавливать не перед рабочими машинами, как это было принято раньше, а на выходе продукции. Большое внимание в работе уделено разработке электромагнитных сепараторов жидких (мокрых) материалов. Параметрический ряд устройств для очистки жидких (мокрых) продуктов, используемых в сельскохозяйственном производстве, получил условное название УМС (устройство мокрой сепарации). Основа эффективной работы УМС - отделение металлических примесей в процессе прохождения жидкой массы через спиралевидные концентраторы магнитного поля в рабочей зоне сепаратора.
Первая глава. «Проблема повышения качества очистки сухих и жидких сельскохозяйственных продуктов от металлических примесей» посвящена системному анализу существующих электромагнитных установок по очистке
10 сухих и жидких сельскохозяйственных продуктов от металлических примесей.
Во второй главе «Механизм отделения металлических примесей в электромагнитных установках (сепараторах)» представлены разработанные математические модели динамических процессов, происходящих при работе электромагнитных сепараторов.
В третьей главе «Экспериментальные исследования электромагнитного поля в межполюсном пространстве сепаратора» представлены результаты исследований концентрирующих способностей различных концентраторов магнитного поля, их влияние на величину магнитной индукции.
Экспериментальное решение поставленных задач было осуществлено на действующих моделях электромагнитных сепараторов. Для создания неоднородного магнитного поля в межполюсном пространстве сепаратора были разработаны концентраторы магнитного поля с горизонтальными, вертикальными концентрирующими участками и концентраторы с отверстиями.
В четвертой главе «Разработка, исследование и испытание установок для электромагнитной сепарации (сепараторов) сухих и жидких сельскохозяйственных продуктов» представлены результаты разработки конструкций электромагнитных установок для очистки от металлических примесей продуктов сельскохозяйственного производства.
На основе анализа работы сельскохозяйственных предприятий (мелькомбинатов, комбикормовых заводов, мясоконсервных комбинатов) в соответствии с производительностью оборудования технологических линий были разработаны электромагнитные установки для очистки от металлических примесей сухих сыпучих материалов (условное название УСС).
Для фарфоровых заводов, выпускающих электротехнический фарфор, идущий на изготовление изоляторов для сельских электрических сетей, были разработаны электромагнитные установки для очистки от металлических примесей жидких материалов (условное название УМС)
В пятой главе «Научно-практическая значимость и технико-экономическая оценка результатов исследований» приведен расчет экономической эффективности и предложены перспективы использования электромагнитных сепараторов в технологических процессах АПК.
Цель работы. Повышение качества очистки сухих и жидких сельскохозяйственных продуктов от металлических примесей на основе разработки новых методов и средств с использованием электромагнитного поля.
Научная гипотеза, положенная в основу проведения теоретических и экспериментальных исследований электромагнитных систем очистки сухих и жидких сельскохозяйственных продуктов от металлических примесей, состоит в следующем. Магнитная индукция в межполюсном пространстве электромагнитного сепаратора при наличии концентраторов магнитного поля изменяется по экспоненциальному закону.
Объект исследования. Процесс очистки сухих и жидких сельскохозяйственных продуктов от металлических примесей электромагнитными установками, имеющими концентраторы магнитного поля.
Предмет исследования. Закономерности образования взаимозависимых связей параметров протекания процессов электромагнитной очистки сыпучих и жидких сельскохозяйственных продуктов от металлических примесей с показателями степени их очистки и конструктивными параметрами сепаратора при заданной производительности.
Научная новизна работы состоит в следующем:
предложен и теоретически обоснован новый способ разделения магнитной и немагнитной сыпучей смеси - в процессе свободного падения с использованием концентраторов магнитного поля, подтвержденный авторскими свидетельствами и патентами РФ;
теоретически обоснованы и разработаны конструкции концентраторов магнитного Поля различной конфигурации, позволяющие создавать неравномерное магнитное поле с высоким градиентом магнитной индукции.
- созданы электромагнитные сепараторы для сухих сыпучих сельскохозяйственных продуктов на основе теоретических и экспериментальных обоснований оптимальных режимов взаимодействия электромагнитного поля с сыпучей массой на производительность от одной до тридцати тонн в час.
-теоретически обоснованы и разработаны устройства электромагнитной сепарации жидких (мокрых) материалов сельскохозяйственного назначения, в которых эффективно могут отделяться металлические частицы в процессе прохождения массы через спиралевидные концентраторы магнитного поля.
Научная новизна положений работы, выносимых на защиту:
закономерности образования взаимозависимых связей параметров протекания процессов электромагнитной очистки сухих и жидких сельскохозяйственных продуктов от металлических примесей; закономерности изменения степени очистки в функции конструктивных параметров сепаратора;
математические модели и алгоритмы механизма очистки сухих и жидких сельскохозяйственных продуктов от металлических примесей;
способ разделения магнитной и немагнитной фракций в процессе свободного падения с использованием концентраторов магнитного поля;
конструкции концентраторов магнитного поля, позволяющих создавать неоднородное магнитное поле с высоким градиентом магнитной индукции;
технические средства (электромагнитные сепараторы), позволяющие эффективно отделять металлические примеси, производительностью 1...30 т/ч для сыпучих сельскохозяйственных продуктов и производительностью 1000... 6000 л/ч - для жидких продуктов.
Практическая значимость и реализация работы
- решена важная народнохозяйственная задача, позволяющая обеспечить
требуемое качество очистки сухих и жидких сельскохозяйственных продук
тов от металлических примесей на основе использования концентрированно
го магнитного поля. Полученные при исследованиях УСС и УМС теоретиче
ские и экспериментальные зависимости могут быть использованы для даль-
13 нейшего совершенствования конструкций электромагнитных сепараторов в других отраслях народного хозяйства;
-разработана методика расчета конструктивных параметров электромагнитных сепараторов сухих и жидких материалов сельскохозяйственного назначения; разработана конструкторская документация на электромагнитные сепараторы для очистки сухих и жидких сельскохозяйственных продуктов. Создано шесть моделей электромагнитных сепараторов для сухих сыпучих материалов под условным названием УСС и четыре модели для жидких (мокрых) материалов под условным названием УМС;
- разработаны рекомендации по использованию электромагнитных сепараторов в технологических процессах АПК на основе анализа работы 65 сепараторов, установленных на различных предприятиях и заводах Российской Федерации;
-результаты исследований используются в учебном процессе Курганской государственной сельскохозяйственной академии при изучении курсов «Электрооборудование и электропривод в сельскохозяйственном производстве», «Электрификация сельскохозяйственного производства».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на ежегодных научно-практических конференциях ЧИМЭСХ - ЧГАУ (г. Челябинск, 1985-2005 гг.), научно-технических конференциях КСХИ- КГСХА (г. Курган, 1984-2004 гг.); Всероссийской научно- практической конференции «Проблемы АПК в условиях перехода на устойчивое развитие региона» (г. Курган, 2002 г.); Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 60-летию Курганской области «Наука сельскому хозяйству» (г. Курган, 2004 г.), на региональной экологической конференции «Экология - здоровье - безопасность жизнедеятельности» (г. Курган, 2002 г.), на 1-й региональной научно-практической конференции (г. Кемерово, 2002 г.), на 3-й и 4-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергоснабжение в сельском хозяйстве» (г. Москва 2003, 2004 гг.), на научно-техническом совете
14 АПК Курганской области (г. Курган, 2003 г.), на научно-техническом совете межрегионального комитета по сельхозмашиностроению Ассоциации экономического взаимодействия областей и республик Уральского региона (г. Кур-, s ган, 2002 г.).
# Публикации. По теме диссертации опубликовано 44 работы, в том
числе одна монография, два патента на изобретения, отражающие основное содержание работы и новизну теоретических решений.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений; список использованной литературы насчитывает 225 источников.
Диссертация содержит 297 страниц основного текста, 127 рисунков, 34 таблицы.
Автор глубоко признателен сотрудникам кафедры БЖДиЭ КГСХА и сотрудникам кафедры ПЭЭСХ ЧГАУ.
Особую признательность выражаю своему консультанту доктору технических наук, доценту В.М. Попову.
-г
' Приношу искреннюю благодарность кандидату технических наук, заве-
дующему кафедрой БЖД и Э КГСХА доценту B.C. Зуеву за помощь в проведении научных исследований и заводских испытаний.
Качество сельскохозяйственных продуктов и анализ факторов его определяющих
Система заготовок, переработки и хранения сельскохозяйственных продуктов - совокупность научно-обоснованных организационных, экономических, социальных и технологических принципов, определяющих характер сельскохозяйственного производства и формы управления им. Система заготовок, переработки и хранения сельскохозяйственных продуктов формируется под воздействием объективных факторов - природных, научно-технических, социально-экономических (потребности общества в тех или иных продуктах).
Факторно-технологическим признаком системы заготовок, переработки и хранения сельскохозяйственных продуктов является система машин-рационально ограниченная совокупность технических средств.
Сельскохозяйственный продукт - продукт, для производства которого осуществляется производственный процесс на том или ином предприятии. В данной работе рассматривается сухие сыпучие сельскохозяйственные продукты - зернопродукты и их производные (мука, крупы и др.), а также мясо-, ры-бокостная мука. Проблема повышения качества по фактору металловключе-ний для жидких (мокрых) продуктов рассматривается на примере составляющих электротехнического фарфора - основы изоляторов сельских электрических сетей.
Качество продукта - совокупность определенных свойств продукта, обуславливающих его способность удовлетворять конкретные запросы и требования потребителей. Качество продуктов характеризуется системой качественных показателей, имеющих количественное значение. Отличительной особенностью качества продукта в сельском хозяйстве является зависимость качественных показателей от условий внешней среды, способов организации производства, заготовки, переработки и хранения.
Систематический контроль, т.е. проверка соответствия показателей качества продукта установленным требованиям (ГОСТ, ТУ) и целенаправленное воздействие на условия и факторы, от которых зависит качество продукта, позволяет управлять качеством, т.е. поддерживать его на необходимом уровне.
В агропромышленном комплексе мероприятия по улучшению качества продукта разрабатывается с учетом анализа качества полученной продукции и возможности улучшения экономических условий ведения хозяйства (внедрения в производство достижений науки и техники, совершенствования первичной обработки, хранения и переработки сельскохозяйственных продуктов).
Литературных данных количества металлических включений в муке, комбикорме и в других сыпучих сельхозпродуктах не имеется. На комбикормовых заводах и мелькомбинатах Курганской области проведены выборки металлических включений. Статистический анализ, проведенный выше, показывает (рис. 1.1), что наиболее многочисленная группа включений составляют 40...48 мг/кг, что выше нормы на (33..60) %. Другими словами, существующая система машин как факторно-технологический признак системы заготовок, переработки и хранения сельскохозяйственных продуктов, не дает требуемого качества этих продуктов по фактору металловключений. 1.1.2 Анализ существующих способов повышения качества сельскохозяйственных продуктов по фактору металловключений
Повышение качества сельскохозяйственных продуктов по фактору металловключений - это их производство в соответствии со стандартами по количеству содержания металлических примесей на единицу массы. В легкой, металлургической промышленности этот способ называется обогащением. Электромагнитный метод обогащения основан на использовании различий магнитных свойств материалов, подлежащих разделению. Разделение в электромагнитном поле под влиянием магнитных сил осуществляется способом удержания, извлечения и их комбинации. В дальнейшем данный процесс будем называть сепарацией, а электромагнитные установки - электромагнитными сепараторами. Все, выпускаемые серийно, электромагнитные сепараторы работают или по принципу «извлечения» («магнитная шайба»), или по принципу «удержания» («магнитный шкив»). Сделаем детальный анализ используемых в сельскохозяйственном производстве магнитных и электромагнитных сепараторов.
Анализ факторов, определяющих процесс отделения металлических примесей в электромагнитном сепараторе
Если магнитопровод сделать с воздушным зазором, то поле около него будет выпучиваться. Поле выпучивания и является рабочим полем в электромагнитных сепараторах. Следовательно, для эффективного извлечения метал-ломагнитных примесей, поле между полюсами сепаратора должно быть неоднородным. Определим величину магнитной силы, действующую на металлическую частицу в рабочем зазоре сепаратора[96, 106,110, 120, 121, 193].
Магнитное поле между полюсами создается катушками намагничивания за счет прохождения через них электрического тока I. Электрический ток, текущий в контуре катушки, создает потокосцепление: V = L I, (2-І) где L - индуктивность катушки, Гн. Однако линейная зависимость магнитного потока от силы тока наблюдается только в том случае, если магнитная проницаемость "//" среды не зависит от напряженности поля Н. В противном случае ju является сложной функцией от силы тока / и, поскольку B = Vo M-H, (2.2) где JUQ - магнитная проницаемость в вакууме, Гн/м; В - магнитная индукция, Тл. зависимость ці от /, будет также сложной. Однако, поскольку нет возможности экспериментально определить эту зависимость будем считать формулу (2.1) приемлемой для наших расчетов. При неизменной силе тока / потокосцепление может изменяться за счет изменения формы и размеров катушки. Следовательно, и индуктивность L зависит от формы, размеров катушки и от магнитных свойств окружающей среды. Определим индуктивность катушки. Если условно принять длину катушки бесконечно большой, то при протекании по ней тока / возбуждается однородное поле, индукция которого B = Mo-M-n-I, (2.3) где п - число витков катушки, приходящееся на единицу длины. Магнитный поток через каждый из витков равен 0 = B-S, (2.4) где S - площадь поперечного сечения, м2. Потокосцепление y/ = N-0 = n--B-S = /uQ-ju-n2--S-I, (2.5) где і - длина катушки, м; N = п-- полное число витков катушки. Сопоставляя формулы (2.1) и (2.5), получим для индуктивности катушки следующее выражение L- ju0-ju-n2 --S = /л0-/л-п2 -V (2.6) где V = -S- объем катушки, м3. Проводник с индуктивностью L по которому течет ток /, обладает энергией W: LI2 W = — (2.7) .
Эта энергия локализована в возбуждаемом током магнитном поле. Выразим энергию магнитного поля через величины, характеризующие само поле. В случае очень длинной катушки, индуктивность катушки выражается формулой (2.6). Напряженность поля Н бесконечно длинной катушки равна произведению силы тока / на число витков, приходящееся на единицу длины V. Н = п-1. (2.8) Из формулы (2.8) имеем следующее значение /: / = -. (2.9) п Подставляя значение индуктивности L из формулы (2.6) и значение тока /из формулы (2.9) получим следующее значение энергии W: w = MoMH у (2Л0) 2 Выражая напряженность магнитного поля if через магнитную индукцию (2.2), получим W = —V. (2.11) 2//0// Магнитное поле бесконечно длиной катушки локализовано внутри катушки и распределено по ее объему с постоянной плотностью со, которую можно найти, разделив W на V. Производя это деление, получим В2 со = (2.12) 2JU0JU Зная плотность энергии магнитного поля в каждой точке, можно найти энергию поля в любом объеме V. Для этого нужно вычислить интеграл w- v-j dV- 2ЛЗ) Поскольку металлическая частица будет занимать в магнитном поле объем, равный объему частицы, то энергию этого объема можно определить как D2 r 2 Т 2 w=h—dv= n—К=9—v- (2Л4) yJ2juQju 2ju0Myr 2MoM где Vr - объем частицы, м . На металлическую частицу, помещенную в магнитное поле, действует магнитная сила FM =-gradW [158]. Подставляя в эту формулу значение потенциальной энергии W из формулы (2.14), имеем B2V V , FM=-grad— - = -— gradB\ (2.15) 2МоМ 2МоМ Металломагнитные частицы характеризуются такой величиной как магнитная восприимчивость Хо Магнитная восприимчивость частицы определяется не только природой вещества, но и её формой [158] X Zo=T - (2Л6) где %- магнитная восприимчивость вещества; N- коэффициент размагничивания. (Vl2-1) где А, - отношение длины металломагнитного тела I к его диаметру d. Для тороида и цилиндра бесконечной длины N=0, Х = %о- Для шара N=1/3, следовательно, даже при % = оо восприимчивость тела шарообразной формы не может превышать 3. Таким образом, наибольшая магнитная сила при прочих равных условиях будет действовать на длинные тонкие тела и наименьшая на тела в форме шара.
Для металломагнитных материалов х является функцией напряженности магнитного поля. При любых значениях Н, магнитная восприимчивость металломагнитных материалов может в сотни тысяч раз превосходить магнитную восприимчивость диамагнитных материалов, следовательно, магнитная сила FM, действующая на металломагнитное тело в неоднородном поле, будет в сотни тысяч раз больше силы, действует на тело из диамагнитного материала. На этом и основано извлечение металломагнитных тел (металлических частиц) из диамагнитных материалов (муки, комбикорма, крупы и др.).
В общем виде уравнение движения металломагнитного тела в магнитном поле сепаратора имеет вид FM =Fc+ma + mq , (2.18) где т - масса тела, кг; а - ускорение частицы, м/с2; q - ускорение свободного падения, м/с2. Однако решение уравнения (2.18) встречает значительные трудности,как для подвесных сепараторов, так и для сепараторов типа «магнитный шкив». Поэтому, прежде всего, необходимо сделать анализ существующих методов расчета электромагнитного поля сепаратора и найти принципиально новое решение разделения магнитных и немагнитных частиц электромагнитными сепараторами, а уже затем решить уравнение (2.18).
Разработка моделей электромагнитных сепараторов сухих и жидких сельскохозяйственных продуктов
Для экспериментального решения поставленных задач были разработаны и изготовлены действующие модели электромагнитных сепараторов.
Модель электромагнитного сепаратора сухих сыпучих материалов (рис.3.1) была создана на основе электромагнита ФЛ-1 для лабораторных исследований, производства экспериментальной мастерской МГУ. Электромагнит ФЛ-1 рассчитан на напряжение U = 220В и номинальный ток I = 16А с общим сопротивлением последовательно соединенных катушек электромагнита 16,8 Ом.
На станине 1, являющейся магнитопроводом электромагнита типа ФЛ-1, укреплено подвижно два сердечника 2, на которых расположены катушки электромагнита 3. На торцах сердечников закрепляются сменные полюсные наконечники 4,5, образующие между собой зону сепарации 6. Сепарируемая сыпучая смесь подается через питатель 7 и собирается в приемнике 8.
Питание электромагнита осуществлялось от сети переменного напряжения 220В через выпрямитель типа ВСА-ПБ, с выходными параметрами: выпрямленный ток I = (0+8) А, выпрямленное напряжение U = (0+80)В. Сменные полюсные наконечники состоят из плоского 4 полюсного наконечника с хорошо обработанной поверхностью и полюсного наконечника с концентраторами 5.
Для экспериментальных исследований были изготовлены сменные однотипные полюсные наконечники с горизонтальными, вертикальными и круглыми концентраторами. Полюсные наконечники были изготовлены из стали 30. Размеры всех полюсных наконечников одинаковы: 400x140 мм.
Плоский полюсный наконечник был закрыт немагнитной текстолитовой прокладкой, крепящейся к нему с помощью четырех медных немагнитных болтов.
Для создания закрытой рабочей зоны электромагнитного сепаратора были сделаны боковины Т - образного сечения, четко фиксирующие зазор между полюсными наконечниками.
Измерения магнитной индукции (В) в зоне сепарации проводилось мил-литеслаамперметром типа Ф4354/1, предназначенного для измерения магнитной индукции постоянных магнитных полей. Этот прибор имеет миниатюрный германиевый датчик, который позволяет производить измерения магнитной индукции в межполюсных зазорах размером от 1 мм и выше.
Измерения магнитной индукции в рабочей зоне проводилось с различными полюсными наконечниками при различных значениях расстояния между ними, а также на различных глубинах от верхней грани полюсного наконечника. Измерения магнитной индукции по ширине рабочей зоны производилось с интервалом через 2 мм.
В подвижном гнезде этого приспособления закрепляется держатель датчика. Подвижное гнездо перемещается в рамке 2 микрометрическим винтом 3. Величина перемещения гнезда с датчиком фиксируется по линейной миллиметровой шкале 4.
Измерения магнитной индукции производилось в положениях переключателя пределов измерения 300 и 600 мТл. Основная погрешность прибора при этих пределах измерения не превышала 2,5%.
Модель электромагнитного сепаратора жидких материалов представлена на рисунках 3.3 и 3.4. Установка состоит из основания 1, опорных стоек 2, на которых крепится магнитный блок 4. Жидкость заливается в бак 15 где, если требует технология, нагревается до определенной температуры при помощи электронагревателя 7. В процессе нагрева происходит перемешивание жидкости при помощи мешалки 8 с электродвигателем. Если при нагреве образуются газы (очистка автотракторного масла), то они отсасываются вентилятором 13 через шланг вытяжной вентиляции 12.
Схема модели электромагнитного сепаратора для очистки жидких материалов Измерение магнитной индукции (В) в зоне сепарации проводилось мил-литеслаамперметром типа Ф4354/1 по методике, описанной выше. В качестве концентратора магнитного поля использовался стальной пруток различного диаметра. Аналогичным образом определялась h и для круглых концентраторов. Толщина полюса составляет (0,l-0,3)d , где d - ширина сердечника магни-топровода [102,103]. Горизонтальные концентраторы. На рисунке 3.6 изображена серия кривых, отражающих зависимость магнитной индукции (В) на различных расстояниях от концентратора по ширине межполюсного зазора для U — 10В и 20В при общей ширине зазора d = 25мм.
Кривые зависимости В от d приведены для горизонтальных концентраторов, расположенных на различной высоте (/г) от верхнего края полюсных наконечников. На рисунке 3.7 приведены аналогичные зависимости В от d , h и U для областей, соответствующих впадинам (двугранным пазам) между двумя концентраторами.
Требования к электромагнитным сепараторам сухих сыпучих материалов
1. Сепараторы должны изготавливаться в исполнении У по ГОСТ 15150-69 категории 4 [34]. 2. Конструкция сепаратора должна предусматривать: - техническое устройство для очистки металлических частиц; - возможность выемки концентраторов магнитного поля; - доступ к внутренним частям сепаратора; - возможность подключения к системе автоматического или дистанционного управления; - возможность отбора проб конечных продуктов сепарации; - возможность осмотра основных сборочных единиц и деталей во время остановки сепаратора и прямого или косвенного наблюдения за работой; - возможность замены быстроизнашивающихся сборочных единиц на месте установки сепаратора; - возможность продувки внутренней полости сепаратора сжатым воздухом (кроме мокрых сепараторов); - защиту катушек электромагнита от попадания продуктов сепарации; - защиту подшипников электропривода от проникновения в них воды и суспензии. 3. Средняя температура нагрева обмоток электромагнитов должна быть не менее чем на 15 С ниже предельно допустимых температур электроизоляционных материалов. 4. Электрическая прочность изоляции обмоток электромагнитной системы относительно корпуса сепаратора должна выдерживать без повреждения в течение 1 мин. испытательное напряжение 1000В плюс двукратное номинальное напряжение, но не менее 1500В частотой 50 Гц. 5. Сопротивление изоляции обмоток электромагнитной системы сепараторов относительно корпуса при рабочей температуре должно быть не менее значения, предусматриваемого для электрических машин ГОСТ 183-74. 6. Все крепежные изделия сепараторов должны иметь защитное покрытие. 7. Основные сборочные единицы сепаратора должны обеспечивать наработку на отказ в соответствии с ГОСТ 15150-69.
Все электромагнитные сепараторы можно классифицировать по пяти признакам (рис 4.1)[67]: - по способу создания магнитного поля (постоянными магнитами, электромагнитами, комбинированный); - по конструкции магнитной системы (разомкнутая, замкнутая); - по принципу сепарации (на извлечение магнитных включений, на удержание и комбинированные); - по степени автоматизации (с автоматическим съемом магнитных включений, с ручным съемом); - по мобильности (передвижные, стационарные). Нами предлагается разработать электромагнитные сепараторы сухих сыпучих материалов: - по способу создания магнитного поля - электромагнитами; - конструкция магнитной системы - замкнутая; - принцип сепарации - работающие на удержание; - степень автоматизации - комбинированные (с ручным и автоматическим съемом металломагнитных включений); - степень мобильности - стационарные. В основе эффективной работы электромагнитного сепаратора лежит конструкция его рабочей зоны.
