Введение к работе
Актуальность и степень нсследованности тематики работы.
. Важное место среди широко используемых в различных сферах производства и в быту электрических аппаратов, коммутирующих механические нагрузки, занимают магнитные сепарирующие устройства различных конструкций, служащие для разделения механически не связанных и отличающихся друг от друга магнитными свойствами материалов. Отдельный класс таких устройств, выделяющихся тем, что их основой являются вращающиеся цилиндрические магнитные системы (электромагнитные постоянного тока или с постоянными магнитами), составляют шкивные магнитные сепараторы, которые благодаря простоте конструкции и высокой надежности, получили наиболее широкое применение и выпускаются в почти ста типоразмерах десятками зарубежных и отечественных предприятий.
Разнообразие областей и условий применения (разделение сыпучих материалов при переработке вторичных ресурсов и отходов производства; очистка сыпучих материалов от технологически неизбежного нежелательного металла; защита технологического оборудования от попадания посторонних металлических предметов вместе с транспортируемым и перерабатываемым сыпучим материалом) определило разнообразие технических решений, используемых при их проектировании и промышленном
использовании, а также широту круга специалистов, занимающихся этими задачами.
Не случайно, поэтому вопросам теории, расчета, усовершенствования и применения магнитных сепараторов посвящено большое количество работ авторов из СНГ и дальнего зарубежья, абсолютное большинство которых составляют журнальные статьи, патенты и авторские свидетельства. В имеющихся книгах по магнитной сепарации и оборудованию для нее, последние из которых были написаны более десяти лет тому назад, либо приводятся только краткие сведения об основных эксплуатационных характеристиках серийно выпускаемых конструкций магнитных шкивов, либо, в ограниченном числе фундаментальных работ, сепарация непосредственно магнитными шкивами и их расчет трактуются упрощенно. Использование для расчета и проектирования магнитных шкивов достаточно эффективных методик, разработанных для электрических аппаратов с подобными конструкциями магнитных систем, в значительной мере затрудняется, во-первых, отсутствием исходных данных, учитывающих реальные особенности эксплуатации магнитных шкивов, определение которых требует решения сложной задачи установления влияния на процесс сепарации многих параметров; во-вторых, относительно большими размерами шкивных се-
параторов (до 1,6 м в диаметре), требующих существенной корректировки результатов и рекомендаций, полученных из опыта проектирования традиционных электрических аппаратов; в-трётьих, связанной с математическими трудностями и большими затратами времени необходимостью модификации указанных методик, имеющих в основном научно-исследовательский характер, для их применения к рассматриваемым устройствам.
Отсутствие системного анализа известных усовершенствований конструкций приводит к невозможности выбора наиболее эффективных из них, а отсутствие методики расчета и проектирования, основанной на достоверном (без существенных упрощающих допущений) описании физических процессов, происходящих при сепарировании сыпучих материалов шкивными магнитными сепараторами и ориентированной на современные компьютеры, сильно сдерживает дальнейшее совершенствование и расширение области применения этих аппаратов. Вместе с тем, в связи с резким удорожанием материалов и электроэнергии в последние годы для решения возникших задач ресурсосбережения особую актуальность приобрели как повышение технико-экономических показателей самих магнитных шкивов, так и совершенствование, в целом, конструкций сепарацион-ных установок со шкивами.
Это обусловило актуальность тематики диссертациии и ее главную
цель - развитие и обобщение методологии проектирования шкивных
магнитных сепараторов путем уточнения и разработки теории и методов
расчета их главных параметров и характеристик. С практической точки
зрения целью работы является усовершенствование существующих и
разработка -новых конструкций высокоэффективных и экономичных шкив
ных сепараторов. к
Разработкой и производством новых конструкций шкивных магнитных сепараторов занимаются ведущие западные электротехнические фирмы: Eriez Co., Stearns Inc., Dings Co., Magni-Power Co. (США); Sala (Швеция); Zelba (Чехия); Krupp, Steinert (Германия); Rapid, Unimag (Великобритания); Kanetsu Kogoyo Co. (Япония). В СНГ производство и проектирование этих сепараторов осуществляются, главным образом, АО "Луганский машиностроительный завод им. Пархоменко" и Государственным проектно-конструкторским институтом обогатительного оборудования ("Гипромашуглеобогащение", г.Луганск). В этих организациях в течение последних лет проектируются и изготавливаются усовершенствованнные конструкции, разработанные при участии автора данной работы.
Основные задачи исследования определились поставленной целью. 1. Системный анализ конструкций и основных задач, решаемых при
проектировании шкивных магнитных сепараторов.
2. Разработка эффективных обощенных методов проектирования шкив
ных магнитных сепараторов, включающих в себя методы расчета их основ
ных параметров, в том числе:
извлекающего усилия магнитных сепараторов, а также его особенностей при использовании метода конформного преобразования;
необходимой извлекающей силы при сепарации сыпучих материалов магнитными шкивами;
магнитных проводимостей, напряженности и градиента напряженности в межполюсных зазорах открытых осесимметричных систем;
распредленения магнитных потоков в открытых осесимметричных электромагнитных системах;
нагрева обмоток намагничивания электромагнитных шкивов.
-
Разработка эффективных алгоритмов и программ, обеспечивающих и реализующих названные методы на современных ЭВМ.
-
Разработка усовершенствованных конструкций шкивных магнитных сепараторов, оценка эффективности и получение соотношений для выбора оптимальной геометрии новых конструктивных элементов: вертикальных секторных ферромагнитных шунтов-пластин в рабочей зоне, горизонтальных ферромагнитных шунтов-экранов в зоне разгрузки.
Научная новизна работы заключается в следующем:
классифицированы технические решения, совершенствующие конструкции шкивных магнитных сепараторов;
обосновано расчетное выражение извлекающего усилия магнитных сепараторов путем анализа и установления интегральной эквивалентности различных формул силового воздействия магнитного поля на магнетики, получены расчетные выражения для силы извлечения магнитносе-парирующих устройств и аналитические соотношения для определения приведенной удельной силы магнитного поля, действующей на магнетик, при расчете этого поля методом конформного преобразования;
дана новая формулировка динамической задачи по расчету движения, извлекаемого тела при сепарации сыпучих материалов и разработана методика расчета необходимой силы извлечения магнитных шкивов, основанная на предложенной уточненной математической модели потока сбрасывания сыпучего материала со шкива и расчета параметров относительного движения извлекаемого тела в сыпучей среде при сепарации магнитными шкивами с использованием модели случайного блуждания и соответствующего уравнения Эйнштейна - Фоккера - Планка (УЭФП);
разработана методика физического моделирования открытых осесим-
метричных электромагнитных систем шкивных сепараторов, реализация которой позволила получить зависимости для расчета магнитных проводимостей, напряженности магнитного поля Н и значений Н дГЗСІН в межполюсном пространстве двухполюсных электромагнитных систем;
решена задача аналитического расчета магнитного поля в обмоточном окне осесимметричного электромагнита и получены формулы для определения магнитных проводимостей потоков, замыкающихся в этой зоне;
разработана методика расчета распределения магнитных потоков в открытых осесимметричных магнитных системах электромагнитных шкивов по предложенным схемам замещения и предложен новый метод расчета магнитных цепей электромагнитных систем по соответствующим схемам замещения;
разработана методика проектного расчета электромагнитных систем шкивных сепараторов, использующая определенные экпериментально зависимости удельной мощности рассеяния обмоток электромагнитных шкивов от геометрических параметров катушек при различных значениях установившегося перегрева, которая позволяет проводить многокритериальную оптимизацию рассматриваемых магнитных систем;
предложены усовершенствованные конструкции шкивных электромагнитных сепараторов и разработаны методики исследования и расчета наиболее эффективных из них.
Практическая ценность исследования обоснована:
разработкой научно обоснованной методики расчета шкивных магнитных сепараторов, позволяющей достаточно просто решать задачи расчета и проектирования их магнитных систем с необходимой для инженерных расчетов точностью;
созданием эффективных алгоритмов и программ, реализующих указанные решения на современных ЭВМ и обеспечивающих получение оптимальных значений геометрических параметров для вновь проектируемых шкивов с более высокими по сравнению с серийными сепараторами технико-экономическими показателями, а также рекомендаций по модернизации серийных аппаратов, позволяющих повысить их извлекающую способность без перемотки;
предложением новых, защищенных авторскими свидетельствами, конструкций сепараторов и способов магнитной сепарации сыпучих материалов; .
разработкой новых конструкций шкивных электромагнитных сепараторов с вертикальными секторными ферромагнитными пластинами-шунтами в рабочей зоне, повышающими извлекающую способность и
надежность рабе -ы аппарата, и с ферромагнитным трапецивидным шунтом в зоне разгрузки извлеченного металла, обеспечивающим ее непрерывность и возможность использования шкивов на низкоскоростнчх транспортерах; оценкой эффективности и получением соотношений для выбора оптимальной геометрии шунтов.
Характеристика методов исследования. Достоверность проведенных в работе исследований подтверждается использованием современных научных методов исследования явлений и процессов, происходящих при сепарации сыпучих материалов магнитными шкивами.
Теоретические исследования силового воздействия магнитного поля базируются на уравнениях теории электромагнитизма. При этом в работе, на ряду со стандартными подходами, используются и самые современные интегрально-векторные представления для параметров магнитного поля, а также аналитические методы (конформного преобразования).
Разработанная в диссертации методика расчета необходимой извлекающей силы магнитных шкивов основана на решении дифференциальных уравнений, описывающих движение извлекаемого тела при сепарации, использовании стохастического подхода (модели случайного блуждания и соответствующего уравнения Эйнштейна - Фоккера - Планка).
Научные положения по расчету магнитных систем обоснованы результатами комплексных исследований с использованием физического моделирования, классических методов непосредственного расчета поля методом разделения переменных и расчета магнитных цепей по эквивалентным схемам замещения, применением современных численных методов расчета (например, метода магнитных модулей) и оптимизации, ориентированных на возможности современных компьютеров.
Достоверность выводов подтверждается большим количеством численных решений, совпадением результатов расчетов с данными других исследователей, а также многочисленных экспериментов в лабораторных и промышленных условиях.
Реализация научных разработок. Результаты диссертационных исследований реализованы в 12 хозяйственных договорах на проведение научно-исследовательских работ, выполненных в соответствии с Республиканской комплексной целевой научно-технической программой РН.Ц.ООЗ "Материалоемкость", утвержденной Постановлением Совета Министров УССР № 250 от 11.07.85г. (1985-90гг.), научно-технической программой "Ресурсосбережение", утвержденной Постановлением Государственного Комитета по вопросам науки и технологий №12 от 4.05.92г.
(1992-95гг.), планами НИР и ОКР Всесоюзного главка "Союзтепловоз-путьмаш" и Минэнерго Украины (1973-95гг.), а также ряде госбюджетных НИР по планам Восточноукраинского государственного университета (1991-96гг.).
С использованием результатов диссертации под руководством и при личном участии автора разработаны, изготовлены и внедрены усовершенствованные электромагнитные сепараторы: модернизированный с проточкой и ферромагнитными ободьями для ленты шириной 650 мм в чугунолитейном цехе ПО "Ворошиловградтепловоз"; с максимально возможным извлекающим усилием в стандартном габарите на ширину ленты 1000 мм на Новолипецком металлургическом комбинате; многополюсные для ленты шириной 400 мм на Кемеровском НПО "Карболит" и Ленинградском ПО "Русский дизель"; с вертикальными ферромагнитными секторными пластинами-шунтами в рабочей зоне на Змиевской ГРЭС и Макеевском металлургическом заводе; с горизонтальным ферромагнитным шунтом под сбегающей со шкива ветвью транспортера на Змиевской ГРЭС (два аппарата) и Первомайском электромеханическом заводе.
Усредненный на один сепаратор годовой экономический эффект от внедрения составил более 30 тыс. рублей (в ценах до 1991 г.) в одних случаях за счет сокращения простоя оборудования и сохранения транспортерной ленты, в других - за счет сбережения вторичного сырья.
Результаты работы используются в институте Типромашуглеобога-щение" при разработке и проектировании магнитных сепараторов, а также в учебном процессе в Восточноукраин'ском государственном университете при подготовке инженеров-электромехаников.
Апробация работы. Результаты научных исследований доложены, обсуждены и получили одобрение на , научно-технических конференциях Восточноукраинского государственного университета (1973 - 1995 гг.), Харьковского государственного политехнического университета (1977 г.), семинаре института математики АН УССР (г.Киев - 1974 г.), Республиканских научно-технических конференциях (г.Ворошиловград - 1975, 1979, 1981, 1990 гг., г.Запорожье - 1989 г., г.Киев - 1991 г.); Всесоюзных научно-технических конференциях (г.Луганск - 1973 г., г.Москва - 1978, 1988, 1990 гг., г.Ташкент - 1987 г., г.Киев -, 1988 г., г.Ярославль -. 1989 г., г.Воронеж - 1991, 1993 гг., г.Винница -1991 г., г.Красногорск, Московской обл. - 1992 г.); Международных научно-технических конференциях и .семинарах (г.Детройт - 1984 г., США; г.Дрезден - 1989 г., г.Кемниц - 1990 г., Германия; Г.Стокгольм - 1991 г., Швеция; г.Заборов - 1993 г., г.Познань -1994 г., г.Блазеджевко - 1994 г., г.Ланкут - 1994 г., г Краков - 1994 г.,
9 Польша).
Разработки демонстрировались на областных, республиканских, всесоюзных выставках и отмечены дипломом IIII степени на ВДНХ УССР (1981 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликована 121 работа, в том числе два единоличных учебных пособия с грифом Министерства образования Украины, 5 брошюр (2 единолично), 38 статей (4 в США), 35 авторских свидетельств.
Структура и объем диссертация. Работа, состоящая из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы (275 наименований) и шести приложений, содержит в основном тексте 260 машинописных страниц, 31 таблицу и 80 рисунков на 112 страницах.
Научные результаты, выносимые на защиту.
1. Обобщенные методы расчета и проектирования шкивных магнитных сепараторов с учетом взаимосвязей определяющих электромагнитных, механических и тепловых процессов, в том числе:
1.1. Обоснование расчетного выражения извлекающего усилия
магнитных сепараторов путем анализа и установления интегральной экви
валентности различных формул силового воздействия магнитного поля на
магнетики; аналитические соотношения для определения удельной силы
магнитного поля, действующей на магнетик, при расчете этого поля мето
дом конфомного преобразования.
1.2. Новая формулировка: динамической задачи по расчету движения
извлекаемого тела при сепарации сыпучих материалов и методика расчета
необходимой силы извлечения магнитных шкивов, основанная на предло-'
женной уточненной математической модели потока сбрасывания сыпучего
материала со шкива и расчета параметров относительного движения из
влекаемого тела в сыпучей среде при сепарации магнитными шкивами с
использованием модели случайного блуждания и соответствующего УЭФП.
1.3. Методика расчета магнитных проводимостей, напряженности
магнитного поля Н и значений Н дГЗСІН в межполюсном пространстве
двухполюсных электромагнитных систем на основе данных физического
моделирования.
-
Метод аналитического расчета магнитных проводимостей для потоков, замыкающихся в обмоточном окне осесимметричного электромагнита.
-
Методика расчета распределения магнитных потоков в открытых
осесимметричных магнитных системах электромагнитных шкивов по предложенным схемам замещения и новый метод расчета магнитных цепей электромагнитных систем по соответствующим схемам замещения.
-
Методика проектного расчета электромагнитных систем шкивных сепараторов, использующая определенные экспериментально зависимости удельной мощности рассеяния обмоток электромагнитных шкивов от геометрических параметров катушек при различных значениях установившегося перегрева.
-
Методики расчета и исследования предложенных усовершенствованных конструкций шкивных электромагнитных сепараторов, а также механического перемещения извлеченных тел в зоне разгрузки.
2. Результаты практической реализации разработанных обобщенных методов проектирования шкивных магнитных сепараторов, в том числе:
-
Новые, защищенные авторскими свидетельствами, конструкции сепараторов и способы магнитной сепарации сыпучих материалов.
-
Алгоритмы расчета магнитных систем шкивных электромагнитных сепараторов и их наиболее эффективных усовершенствований.
-
Алгоритм проектирования электромагнитных систем шкивных сепараторов, обеспечивающий получение оптимальных значений геометрических параметров для вновь проектируемых шкивов и рекомендаций по модернизации серийных аппаратов.
