Введение к работе
Актуальность темы. Разработка средств исследования электромагнитных процессов в устройствах с произвольной подвижной частью представляет собой актуальную задачу в связи с тем, что применение новых технологических устройств является одним из путей повышения эффективности технологических процессов. Рассматриваемые в настоящей работе устройства являются новыми, их применение выводит технологические процессы на новый уровень эффективности. Рассматриваемые устройства являются устройствами непосредственного привода, в которых движение подвижных частей происходит за счет воздействия на них электромагнитных и электрических полей без использования промежуточных механических элементов. Исследования электромагнитных и электрических устройств с произвольными геометрическими и структурными параметрами подвижной части в настоящей работе проводились применительно к использованию их в следующих областях:
1) в металлургическом производстве для транспортирования линейных про- тяженных профилей из цветного металла вдоль технологической линии, а также для транспортирования расплава цветных металлов;
-
в различных производствах для сепарации из сырьевых масс, направляемых на переработку, предметов из немагнитных металлов;
-
в различных производствах для осуществления процессов механохимической обработки различных веществ и смесей.
-
в производстве и транспортировании сыпучих материалов для осуществления блокирования пылевых выбросов в атмосферу.
Рассматриваемые в настоящей работе устройства для областей применения согласно пунктам 1, 2 являются устройствами непосредственного привода с линейным индуктором. Начиная с середины прошлого века, наблюдался бурный рост применения таких устройств. Характерными примерами таких устройств является высокоскоростной наземный транспорт с линейными электродвигателями и МГД-устройства для перемещения расплавов металлов. Одновременно в этот период резко увеличивается количество устройств непосредственного привода, применяемых в различных технологических процессах. Параллельно с этими процессами идут процессы развития теоретических основ электромагнитных процессов в этих устройствах. Наиболее полно разработана теория линейных электродвигателей, которая лежит в основе и других работ по устройствам непосредственного привода. При рассмотрении устройств непосредственного привода, применяемых в технологических процессах, практически всегда создается ситуация, когда подвижная часть имеет произвольные геометрическую форму, размеры, структуру, также произвольным является взаимное расположение неподвижной и подвижной частей. Теория линейных электродвигателей для исследования электромагнитных процессов в этих устройствах либо неприменима, либо может применяться с большим количеством допущений, поэтому становится актуальной разработка теоретических основ анализа электромагнитных процессов в устройствах с произвольной подвижной частью. Цилиндрические индукционные устройства с подвижной частью в виде набора неравноосных ферромагнитных элементов находят применение в системах механохимической обработки различных смесей, например, для предкркинговой обработки нефти, диспергировании различных смесей, обработки промышленных стоков, обработки продуктов жизнедеятельности животных и др. Устройства с мелкодисперсной подвижной частью применяются для блокирования пылевых выбросов в атмосферу и находят применение в производстве и транспортировании сыпучих материалов, а также в металлургии и др. Поэтому вопросы, рассматриваемые в настоящей работе, являются актуальными с точки зрения решения экологических проблем, которым уделяется все большее внимание. В России принята Федеральная целевая программа «Экология и природные ресурсы России (2002 – 2010) годы», в которой предусмотрен комплекс мероприятий по внедрению оборудования, обеспечивающего сокращение вредных промышленных выбросов в атмосферу, а также обезвреживание отходов различных видов. ,
Цели и задачи исследования. Целью исследований, проводимых в рамках настоящей работы, является: а) на первом этапе разработка методов расчета электромагнитных процессов на основе анализа физики протекания процессов; б) на втором этапе разработка адекватных математических и компьютерных моделей электромагнитных процессов; в) получение количественных закономерностей протекания электромагнитных процессов с последующим формулированием рекомендаций по построению устройств, выбору эксплуатационных параметров для них, получением новых технических решений, обладающих признаками изобретений.
Поставленная цель достигалась путем решения следующих задач:
анализ физических процессов в устройствах, формулирование особенностей протекания электромагнитных процессов;
формирование систем уравнений, описывающих электромагнитные процессы в них;
разработка математических и компьютерных моделей электромагнитных процессов;
проведение исследований электромагнитных процессов с использованием математических и компьютерных моделей;
получение зависимостей эксплуатационных характеристик устройств от параметров конструкции и электропитания;
формулирование критериев функционирования устройств;
формулирование рекомендаций по построению устройств с заданными параметрами рабочего режима;
разработка конструкций устройств с произвольной подвижной частью для различных областей применения;
проведение экспериментальных и промышленных испытаний устройств и оценка их эксплуатационных параметров, сравнение результатов с результатами моделирования электромагнитных процессов.
Методы исследования и достоверность полученных результатов.
Исследования в настоящей работе проводились с использованием комплекса различных методов в зависимости от характера решаемых на данном этапе задач. Как правило, характеристики протекания электромагнитных процессов, разработка математических моделей производились с применением аналитических методов исследования, разработка алгоритмов и компьютерных программ, разработка конструкций устройств для различных областей использования производились с применением синтетических методов исследования.
При решении задач, поставленных в процессе выполнения настоящей работы, использовались: теория электромагнитного поля; теория электрических цепей; численные методы расчета электромагнитных полей; теория электрических машин; физика и техника высоких напряжений; коллоидная химия; теоретическая механика; алгоритмы решения изобретательских задач; языки программирования; методы и средства технических измерений и др.
Достоверность полученных результатов подтверждается:
корректным использованием теоретических основ электротехники при разработке систем уравнений, описывающих электромагнитные процессы, и разработке математических моделей;
результатами большого количества лабораторных экспериментальных исследований;
результатами промышленных испытаний макетных и опытно-промышленных образцов устройств;
результатами опытно-промышленной эксплуатации образцов исследуемых устройств;
критическим обсуждением полученных результатов с ведущими специалистами промышленных предприятий, использующих разработанные в ходе выполнения данной работы устройств.
Научные результаты. В качестве научных результатов настоящей работы можно указать следующие:
на основе результатов анализа физических процессов в устройствах с произвольной подвижной частью сформированы системы уравнений для описания электромагнитных процессов и на их основе разработаны математические и компьютерные модели электромагнитных процессов в линейных индукционных устройствах с подвижной частью произвольной формы, размеров, наличии дефектов формы, несимметричном положении подвижной части относительно индуктора;
разработаны математические и компьютерные модели поля индуцированных токов в подвижной части в условиях произвольной геометрической формы, наличия дефектов геометрической формы, несимметричном взаимном положении подвижной части и индуктора;
разработаны алгоритм и компьютерная программа синтеза геометрии зубцового слоя линейного индуктора;
разработаны математическая и компьютерная модели электромагнитных процессов в цилиндрических индукционных устройствах с дискретной ферромагнитной подвижной частью;
разработаны математические и компьютерные средства моделирования электрического поля в устройствах с мелкодисперсной подвижной частью;
Практическая ценность. В качестве результатов работы, имеющих практическую ценность, можно указать следующие:
разработаны компьютерные модели, позволяющие проводить исследования электромагнитных процессов, получать рабочие характеристики устройств с произвольной подвижной частью;
получены зависимости величины тангенциального усилия на подвижной части с дефектами формы от параметров геометрии и относительной величины взаимного перекрытия подвижной части и индуктора;
получены зависимости степени несимметрии первичных токов индуктора в зависимости от геометрической формы и расположения подвижной части относительно индуктора;
получены параметры движения расплава металла в металлопроводе при неполном заполнении металлопровода как по длине, так и по живому сечению, сформулирован критерий обеспечения удаления расплава из наклонного металлопровода;
предложена новая конструкция и принцип управления двухкоординатным линейным электродвигателем, защищенные патентом РФ;
получены характеристики магнитного поля в рабочей камере цилиндрического индукционного устройства, зависимости их от геометрических параметров индуктора, структурных параметров дискретной среды и др
сформулированы рекомендации по конструированию рабочих камер устройств с дискретной ферромагнитной подвижной частью, выбору концентраций элементов дискретной среды, геометрии зубцовой зоны;
разработаны конструкции цилиндрических устройств с дискретной подвижной частью, защищенные патентами РФ на изобретения;
получены характеристики электрического поля в межэлектродном пространстве, сформулирован критерий торможения и возврата мелкодисперсных частиц к источнику пыления;
определены параметры геометрии межэлектродного пространства электростатического пылевого затвора обеспечивающие надежное блокирование пыли при заданных параметрах пыления;
разработаны несколько вариантов конструкций электростатических затворов, защищенные патентами РФ на изобретения.
Реализация результатов работы. В процессе выполнения настоящей работы разрабатывались, были изготовлены, испытаны в условиях реального производства, переданы в эксплуатацию следующие образцы устройств:
по заказу Белокалитвенского металлургического объединения разработан изготовлен линейный индукционный модуль для подачи алюминиевых труб от пресса к правильной машине;
по заказу ЗАО «Втормет, Пушкино» разработан и изготовлен линейный индукционный насос для перекачивания расплава алюминия в системе втворения шлакообразующих порошков и алюминиевой стружки;
проект электромагнитного индукционного насоса для перекачивания расплава алюминия включен в проект реконструкции плавильной печи №2 на Мценском заводе «Вторцветмет»;
электромагнитный индукционный активатор с дискретной ферромагнитной подвижной частью передан в эксплуатацию в химической лаборатории МГУ;
по заказу ООО «Эколенд» разработан, изготовлен и сдан в опытно-промышленную эксплуатацию на Курьяновской аэрационной станции электромагнитный индукционный активатор;
на ОАО «Новоросцемент» находятся в опытно-промышленной эксплуатации два электростатических пылевых затвора на выхлопных отверстиях клинкерных силосов;
по заказу ОАО «ПО «НЭВЗ» (г. Новочеркасск) разработан и сдан в эксплуатацию электростатический пылевой затвор для подавления пыления из дробеструйной камеры сталеплавильного цеха (цех № 40);
материалы диссертации использованы при чтении курса УИРС в ЮРГТУ по кафедре «Электромеханика»;
материалы работы используются при выполнении дипломных проектов по специальности 180100.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных семинарах, конференциях:
Всесоюзная конференция по высокоскоростному наземному транспорту (Новочеркасск, 1984 г.);
Научно-технический семинар по перспективным экспериментальным исследованиям на полигоне «Мармарик – 1» (Ереван, 1985 г.);
Научно-практическая конференция студентов и молодых ученых РГСУ «Проблемы рационального использования электроэнергии в строительстве и на транспорте» (Ростов-на-Дону, 1999 г.);
48 – я научно-техническая конференция студентов и аспирантов ЮРГТУ (Новочеркасск, 2000 г.);
Международная научно-практическая конференция «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы» ( Новочеркасск, 2000 г.)
Международная научно-практическая конференция «Развивающиеся интеллектуальные системы автоматизированного проектирования и управления» (Новочеркасск, 2001 г.);
Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» (Тамбов, 2002 г.);
II – я Международная научно-практическая конференция «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье» (2 доклада), Белгород, 2004 г.;
Международный семинар «Физико-математическое моделирование систем» (2 доклада), Воронеж, 2005 г.
Разработка «Электростатический затвор для блокирования пылевых выбросов при загрузке автоцементовозов» экспонировалась на Всероссийской выставке-ярмарке научно-исследовательских работ и инновационной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Российской федерации, г. Новочеркасск, 2003 г.;
Разработка «Индукционный магнитогидродинамический насос для системы циркуляции расплава алюминия» экспонировалась на Инновационном форуме в 2005 году, г. Новочеркасск;
Опытный образец устройства «Электростатический затвор» экспонировалась на международной специализированной выставке «ЭлектроПромЭкспо»», г. Ростов-на-Дону, ВЦ «ВертолЭкспо», 2008 г.
Публикации. Список публикаций по теме диссертации насчитывает 48 научных работ, включая: 1 монографию, 20 статей в изданиях из списка ВАК, 17 статей в сборниках научно-технических конференций, трудах вузов, 1 авторское свидетельство на изобретение, 7 патентов на изобретения, 2 патента на полезные модели.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения 5-ти глав основного текста, заключения, списка литературы из 132 наименований и приложений. Основной текст – 293 страницы, приложения – 14 страниц.
