Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА ПЕРВАЯ. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ
СИСТЕМ С ОТКРЫТЫМ МАГНИТОПРОВОДОМ ДЛЯ МАГНИТНОСЕПАРИРУВДИХ УСТРОЙСТВ И МЕТОДОВ ИХ РАСЧЕТА 8
1.1. Обзор современных конструкций электромагнитных систем с открытым магнитопроводом для магнитно-сепарирующих устройств 8
I.I.I.Подвесные электромагнитные железоотделители 8
1.1.2.Шкивные электромагнитные железоотделители 28
1.1.З.Барабанные электромагнитные железоотделители 31
1.1.4.Электромагнитные сепараторы для обогащения полезных ископаемых 33
1.2. Обзор и анализ современных методов расчета магнитных полей, проводимостей и цепей электромагнитных систем с открытым магнитопроводом 38
1.2.1.Методы расчета магнитных полей 38
1.2.2.Методы расчета магнитных проводимостей 41
1.2.3.Методы расчета магнитных цепей 45
ГЛАВА ВТОРАЯ. ИССЛЕДОВАНИЕ Ж РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МАГНИТНОГО
ПОЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ СИСТЕМ С ОТКРЫТЫМ С-ОБРАЗНЫМ
МАГНИТОПРОВОДОМ 49
2.1. Постановка задачи исследования 49
2.2. Обобщенная физическая модель. Измерительная аппаратура 51
2.3. Планирование и проведение эксперимента 57
2.4. Методика обработки экспериментальных данных 66
2.5. Исследование и расчет напряженности магнитногополя 70
2.6. Исследование и расчет параметра электромагнитной силы 73
2.7. Анализ точности разработанной методики расчета распределения магнитного поля 76
Выводы 87
ГЛАВА ТРЕТЬЯ. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТОКО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И РАЗРАБОТКА
СХЕМ ЗАМЕЩЕНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА МАГНИТНЫХ ЦЕПЕЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ СИСТЕМ С ОТКРЫТЫМ С-ОЕРАЗНЫМ МАГНИТОПРОВОДОМ 90
3.1. Исследование распределения магнитного потока. Методика проведения эксперимента 90
3.2. Исследование и расчет магнитных проводимостей локальных областей 98
3.2.1.Проводимость между рабочими поверхностями полюсных наконечников 102
3.2.2.Проводимость между поверхностями полюсных наконечников,образующими рабочий зазор 104
3.2.3.Проводимость между торцовыми поверхностями полюсных наконечников 107
3.2.4.Проводимость между внешними поверхностями полюсных наконечников 109
3.2.5.Проводимость между внутренними поверхностями полюсных наконечников 112
3.2.6.Проводимость между внешними поверхностями полюсов 115
3.2.7.Проводимость между боковыми поверхностями полюсов 117
3.2.8.Проводимость между свободными торцовыми поверхностями полюсов 120
3.2.9.Проводимость потоку с внутренней поверхности полюса 123
3.2.10.Проводимость потоку с боковой поверхности сердечника 126
3.2.II.Проводимость рабочей зоны электромагнитной системы 129
3.3. Расчет магнитных цепей электромагнитных систем с открытым С-образным магнитопроводом 132
3.3.1. Схемы замещения 132
3.3.2.Определение магнитных проводимостей ветвей схем замещения 138
3.3.3.Расчет падений магнитного напряжения на участках стали магнитопровода 150
3.4. Анализ точности расчета потокораспределения электромагнитных систем с открытым С-образным магнитопр оводом 153
Выводы 172
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ
СИСТЕМ С ОТКРЫТЫМ С-ОБРАЗНЫМ МАГНИТОПРОВОДОМ ПОДВЕСНЫХ
САМОРАЗГРУЖАЮЩИХСЯ ЖЕЛЕЗООТДЕЛИТЕЛЕЙ 175
4.1. Разработка новых конструкций подвесных саморазгружающихся электромагнитных железоотделителей. .. 176
4.2. Синтез электромагнитных систем с открытым С-образным магнитопроводом 183
4.3. Анализ рабочих характеристик и технико-экономических показателей опытно-промышленного образца подвесного саморазгружающегося железоотделителя ПС-І20А 202
Выводы 218
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ' 222
ПРИЛО1ЕНИЯ 240
- Обзор современных конструкций электромагнитных систем с открытым магнитопроводом для магнитно-сепарирующих устройств
- Обобщенная физическая модель. Измерительная аппаратура
- Исследование распределения магнитного потока. Методика проведения эксперимента
- Разработка новых конструкций подвесных саморазгружающихся электромагнитных железоотделителей.
Введение к работе
В выполнении грандиозных задач,' поставленных ХХУІ съездом КПСС, важная роль отводится автоматизации и электрификации производственных процессов во всех отраслях народного хозяйства [*] .
Дальнейшее развитие автоматизации и электрификации, производственных процессов предопределяет необходимость совершенствования ее технических средств,* в том числе электрических аппаратов.
Особую группу электрических аппаратов представляют собой маг-нитносепарирующие устройства, принцип работы которых основан на использовании различия магнитной восприимчивости разделяемых материалов. Основным узлом этих аппаратов является электромагнитная система. Специфические условия эксплуатации их предопределили существующее множество разновидностей этих аппаратов [2-7]
Большую группу специальных электрических аппаратов представляют собой электромагнитные железоотделители. Углеперерабатывающие предприятия, тепловые электростанции, литейные цеха и заводы терпят большие убытки из-за попадания ферромагнитных предметов в перерабатываемое сырье, приводящих либо к поломке и длительным простоям высокопроизводительного и дорогостоящего технологического оборудования, либо - к повышенному браку выпускаемой продукции. Для удаления ферромагнитных предметов из различных сыпучих немагнитных материалов (уголь, песок, формовочная смесь и т.д.) широко применяются электромагнитные железоотделители.
Все известные типы железоотделителей по их конструктивным и эксплуатационным признакам можно разделить на три разновидности: шкивные, барабанные и подвесные железоотделители Г3,4] .
Основным требованием, предъявляемым к железоотделителям, является надежное и эффективное извлечение ферромагнитных тел с большой глубины с последующей их транспортировкой из зоны извлечения и разгрузкой.
Серийно выпускаемые отечественной и зарубежной промышленностя-миі барабанные и шкивные электромагнитные железоотделители при установке под транспортерной лентой могут извлекать ферромагнитные тела из значительного слоя сепарируемого материала (угля, формовочной смеси; песка и т.д.), обеспечивая при этом вынос извлеченных ферромагнитных тел из зоны извлечения и последующую их разгрузку. Однако зачастую на металлургических и коксохимических заводах технологические условия не позволяют установить барабанные и шкивные железоотделители под лентой,* поэтому их подвешивают над транспортерной лентой и используют как подвесные. При таком способе установки, резко уменьшается глубина извлечения шкивных и барабанных железоотделителей, что приводит к снижению эффективности использования последних. Поэтому в коксохимической и металлургической промышленности более широкое применение нашли подвесные электромагнитные железоотделители [в] .
Специфической особенностью железоотделителей является применение в них электромагнитных систем с разомкнутой магнитной цепью,* которая включает в себя значительные рабочие межполюсные воздушные зазоры, необходимые для создания интенсивного магнитного поля в рабочей зоне, представляющей собой относительно большое воздушное пространство. Выбор типа и определение оптимальных параметров магнитной системы, точность ее расчета во многом предопределяют такие технико-экономические показатели железоотделителей, как распределение интенсивности поля в рабочей зоне, габариты, массу и стоимость.
Наличие относительно больших рабочих зазоров существенно усложняет расчет магнитной цепи, а следовательно, и решение задач анализа и синтеза электромагнитных железоотделителей в целом.
В настоящее время отсутствуют достаточно простые и научно обос- нованные универсальные методы расчета, которые могли бы с одинаковым успехом применяться для исследования разнообразных типов электромагнитных систем, практически применяемых в магнитносепарирую-щих устройствах. Открытые С-образные электромагнитные системы исследованы крайне слабо и практически отсутствует информация, необходимая для их расчета и оптимального проектирования. Попытки использовать методики расчета поля и потокораспределения, разработанные для других классов открытых электромагнитных систем Г 86-881, приводят к значительным погрешностям, т.к. не учитывают ряд особенностей открытых С-образных электромагнитных систем. Поэтому магнитносепарирующие устройства, основой которых служат электромагнитные системы с открытым С-образным магнитопроводом, разрабатываются с помощью эмпирических методов или на основе теоретических методов с весьма существенными допущениями; [ 3 ] . Это не позволяет получить практически приемлемые данные для проектирования оптимальных электромагнитных систем, поэтому большинство таких магнитноеепарирующих устройств имеют , как правило, сравнительно низкую эффективность извлечения при значительных габаритах и массе.
Целью настоящей работы является разработка уточненной инженерной методики расчета электромагнитных систем с открытым С-образным магнитопроводом, широко применяемых в конструкциях магнитно-сепарирующих устройств.
С практической точки зрения работа выполнена с целью создания усовершенствованной конструкции саморазгружающихся подвесных электромагнитных железоотделителей с открытой С-образной электромагнитной системой.
class1 ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ
СИСТЕМ С ОТКРЫТЫМ МАГНИТОПРОВОДОМ ДЛЯ МАГНИТНОСЕПАРИРУВДИХ УСТРОЙСТВ И МЕТОДОВ ИХ РАСЧЕТА class1
Обзор современных конструкций электромагнитных систем с открытым магнитопроводом для магнитно-сепарирующих устройств
Отличительной особенностью подвесных электромагнитных железо-отделителей является их установка (или подвеска) над транспортерной лентой. Технологические условия производства определяют схему установки железоотделителя: над серединой транспортерной ленты или над приводным барабаном (см.рис.1.1). Установка желе-зоотделителя над приводным барабаном способствует некоторому повышению эффективности извлечения, хотя и увеличивается при этом трудоемкость установки.
Достоинством подвесных железоотделителей является удаление извлеченных ферромагнитных предметов без истирания транспортерной ленты, что характерно для электромагнитных шкивов. К тому же, особенно в случае высокой влажности сепарируемого материала,применение подвесных железоотделителей практически исключает захват и унос немагнитного материала вместе с извлеченными ферромагнитными предметами, что является характерным недостатком электромагнитных шкивов.
Отечественной и зарубежной промышленностью выпускаются подвесные электромагнитные железоотделители на ширину ленты от 400 мм до 2000 мм. Масса существующих конструкций подвесных железоотделителей составляет от 0,7 до 10,5 т, потребляемая мощность - от 0,74 кВт до 10,5 кВт [2-7] .
В зависимости от способа удаления извлеченных ферромагнитных предметов подвесные электромагнитные железоотделители разделяют на две группы: саморазгружающиеся (с автоматической разгрузкой) и без автоматической разгрузки.
Подвесные электромагнитные железоотделители без автоматической разгрузки представляют собой электромагниты постоянного тока с открытым магнитопроводом различной конфигурации. Они применяются лишь в тех случаях, когда в сепарируемом материале, перемещаемом на транспортерной ленте, ферромагнитные тела встречаются; очень редко.
class2 ИССЛЕДОВАНИЕ Ж РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МАГНИТНОГО
ПОЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ СИСТЕМ С ОТКРЫТЫМ С-ОБРАЗНЫМ
МАГНИТОПРОВОДОМ class2
Обобщенная физическая модель. Измерительная аппаратура
Секции катушек намотаны проводом ПЭВ-2 и выполнены бескаркасными, бандажированными, пропитанными лаком. С целью обеспечения полного заполнения обмоточного пространства и возможности изменения длины катушки в соответствии с требуемой длиной сердечника и полюса изготовлены 3 катушки с различными наружными диаметрамиї, каждая из которых состоит из трех секций.
Сердечник электромагнита выполнен секционированным, т.е. разбит по длине на три секцииі, позволяющие каждая в отдельности ш в разных их сочетаниях получить требуемую длину сердечника Собеспечиь вающих получение 7 различных длин сердечников).
Набор полюсов одинаковой ширины и толщины 4-х различных длин, а одной из длин - трех различных толщин, обеспечивали вместе б различных их типоразмеров.
Набор полюсных наконечников представлял собой 48 пар призм различной длины, ширины и толщины.
Изменение геометрии электромагнитной системы обобщенной физической модели осуществлялось путем: I) использования различных секций сердечников с соответствующими секциями катушек и их комбинации ; 2) использования различных полюсов ; 3) использования различных полюсных наконечников; 4) использования различных сочетаний длин сердечников, полюсов и наконечников полюсных.
Для экспериментальных исследований распределения напряженности магнитного поля в рабочей зоне физических моделей была использована аппаратура и оборудование, позволяющие измерять магнитную индукцию в рабочей зоне и разность магнитных потенциалов между рабочими поверхностями полюсных наконечников.
Использование приборов Ф4354/І и ШІ-7 для измерения магнитной индукции полей постоянных токов ограничивается их недостатками [ 97 ] . Теслаамперметр Ф4354/І представляет собой стрелочный прибор с минимальной ценой деления 5-КГ3Т, что затрудняет отсчет промежуточных значений, особенно при измерениях малых значений магнитной индукцииі и приводит к снижению точности отсчета результатов по его шкале. Кроме того,- питание прибора от сухих гальванических элементов 332 вызывает сильный дрейф при их разрядке и приводит к необходимости частых калибровок. Измеритель магнитной индукции ШІ-7 имеет большие размеры измерительного зонда (3x8x120) мм и большую длительность процесса измерения.
Для измерений был выбран теслаамперметр Ф4354/І, имеющий небольшие размеры зонда (1x4x80) мм, в комплексе с усилителем постоянного тока ФІІ5/В-2, позволяющим повысить чувствительность прибора до 50-ти раз и цифровым вольтметром, позволяющим производить отсчет измеряемой величины с точностью до 4 значащих цифр. Такой измерительный комплекс позволяет измерять магнитную индукцию в рабочей зоне с основной погрешностью не более і 1,5% [97] .
Положение измерительного зонда в исследуемых точках рабочей зоны магнитного поля фиксировалось с помощью специально изготовленных из оргстекла шаблонов.
class3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТОКО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И РАЗРАБОТКА
СХЕМ ЗАМЕЩЕНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА МАГНИТНЫХ ЦЕПЕЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ СИСТЕМ С ОТКРЫТЫМ С-ОЕРАЗНЫМ МАГНИТОПРОВОДОМ class3
Исследование распределения магнитного потока. Методика проведения эксперимента
Точность расчета магнитной цепи во многом определяется степенью соответствия принятой схемы замещения действительной картине распределения магнитного потока электромагнитной системы [35-37,86-883 Для выявления действительной картины распределения магнитного потока и определения путей их замыкания были изготовлены спектроскопы магнитного поля,представляющие собой пластину из прозрачного немагнитного материала (оргстекла) с сетью мелких замкнутых объемов, частично заполненных магнетитом. С помощью спектроскопов поля произведены обширные исследования распределения магнитного потока физических моделей электромагнитных систем с открытым С-образным магнитопроводом во всем исследуемом диапазоне изменения их геометрических размеров.
Анализ большого количества спектров магнитного поля, показанных на рис.З.І4-3.3,позволил определить действительные пути замыкания магнитных потоков,выделить (условно) характерные области поля, которые занимаются локальными магнитными потоками,и составить схему распределения магнитного потока электромагнитной системы с открытым С-образным магнитопроводом, представленную на рис.3.4.
Таким образом, весь объем магнитного поля электромагнита с открытым С-образным магнитопроводом целесообразно разбить на следующие локальные области с магнитными потоками.
class4 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ
СИСТЕМ С ОТКРЫТЫМ С-ОБРАЗНЫМ МАГНИТОПРОВОДОМ ПОДВЕСНЫХ
САМОРАЗГРУЖАЮЩИХСЯ ЖЕЛЕЗООТДЕЛИТЕЛЕЙ class4
Разработка новых конструкций подвесных саморазгружающихся электромагнитных железоотделителей
Отечественной и зарубежной промышленностью выпускается большое количество типоразмеров подвесных саморазгружающихся электромагнитных железоотделителей самых различных конструкций, технические показатели которых приведены в табл.1.1« В основе этих устройств лежат электромагнитные системы постоянного тока с открытым магнито-проводом. При этом в конструкциях подвесных электромагнитов применяются П-образные и Ш-образные магнитопроводы,г а в конструкциях подвесных саморазгружающихся электромагнитных железоотделителей преимущественно используются Ш-образные магнитопроводы (см.рис. 4.1). Последнее обстоятельство объясняется в основном следующими причинами:
1) в некоторых зарубежных конструкциях применяется масляное охлаждение намагничивающих катушек, при котором предпочтительна Ш-образная конструкция магнитопровода, позволяющая конструктивно и технологически проще (по сравнению, например, с П- и С-образными магнитопроводами.) создавать герметически закрытую оболочку, внутри которой размещаются намагничивающие катушки и охлаждающее масло;
2) Ш-образный магнитопровод позволяет технологически проще (по сравнению с П-образным магнитопроводом) осуществлять крепление к электромагниту рамы ленточного разгрузочного узла, что уменьшаеттрудоемкость изготовления железоотделителя в целом.
Однако, наряду с перечисленными выше достоинствами конструкции электромагнитной системы с Ш-образным магнитопроводом присущи ряд недостатков:
I. Большая часть (практически 804-90 ) поверхности охлаждения намагничивающей катушки оказывается расположенной внутри магнито-провода,- т.е. окружена сталью ярма I и полюсов 2 Ш-образного магнитопровода и не может свободно омываться воздухом окружающей среды.
Это вызывает необходимость увеличения сечения обмоточного провода для реализации необходимых намагничивающих сил при заданном тепло-it вом режиме и прводит к увеличению расхода дорогостоящих обмоточных материалов, габаритов и массы железоотделителя в целом;
2. Ш-образная конструкция магнитопровода способствует существенному увеличению доли нерабочих магнитных потоков (потоков рассеяния); замыкающихся в обмоточном пространстве между сердечником 3 и полюсами 2; между сердечником 3 и ярмом I; между сердечником 3 и полюсным наконечником Ц. Как показали расчеты и исследования на физических моделях, указанные потоки рассеяния составляют практически 10-45% от величины полного (максимального) потока, замыкающегося через сечение основания сердечника и более чем в 2 раза превышают величину рабочего потока; замыкающегося через рабочую зону. Дополнительно нагружая сталь сердечника; ярма; полюсов и полюсного наконечника, потоки рассеяния вызывают значительное увеличение магнитной индукции, а значит и суммарного падения магнитного потенциала в стали магнитопровода; что в конечном счете приводит к ослаблению интенсивности магнитного поля в рабочей зоне; следовательно, к ухудшению извлекающей способности железоотделителя.
