Разработка электромагнитного сепаратора для очистки технологических жидкостей металлообрабатывающих станков ремонтных предприятий АПК тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.02, кандидат наук Евдокимов Александр Андреевич

• Евдокимов Александр Андреевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Евдокимов Александр Андреевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Общая характеристика технологических смазочно-охлаждающих жидкостей при механической обработке

1.2 Загрязнение и изменение свойств ТСОЖ при функционировании

в циркуляционных системах

1.3 Анализ существующих методов и установок для очистки технологических жидкостей

1.3.1 Методы очистки технологических жидкостей

1.3.2 Магнитные установки для очистки технологических жидкостей

1.4 Анализ существующих концентраторов магнитного поля

1.5 Основные закономерности и обзор исследований по магнитной очистке технологических жидкостей

Постановка задачи исследования

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО СЕПАРАТОРА ДЛЯ ОЧИСТКИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ

2.1 Комплексные технологические линии работы электромагнитного сепаратора в ремонтно-обслуживающих предприятиях АПК

2.2 Математическая модель процесса очистки от металлических частиц в электромагнитном сепараторе

2.3 Теоретический анализ очистки технологических жидкостей от

металлических частиц в электромагнитном сепараторе

Выводы по главе

ГЛАВА 3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

31 Планирование и программа экспериментальных исследований

3.2 Разработка экспериментально-лабораторной модели электромагнитного сепаратора

3.3 Методика разработки концентраторов магнитного поля

3.4 Методика расчета магнитной системы электромагнитного сепаратора

3.5 Методика расчета полупроводниковых преобразователей энергии

для питания электромагнитного сепаратора

3.6 Методика исследования распределения магнитной индукции в рабочем канале сепаратора

3.7 Методика обработки экспериментальных данных по исследованию факторов, определяющих величину магнитной индукции в рабочем канале сепаратора

3.8 Методика исследования эффективности электромагнитной

очистки технологических жидкостей

3.8.1 Подготовка к эксперименту

3.8.2 Проведение эксперимента

3.8.3 Показатели эффективности системы очистки ТСОЖ

3.8.4 Требования к частоте ТСОЖ при их эксплуатации

3.9 Методика исследования теплового режима катушек

намагничивания

Выводы по главе

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО СЕПАРАТОРА

4.1 Результаты моделирования полупроводниковых преобразователей энергии для питания электромагнитного сепаратора

4.2 Результаты расчета магнитной системы сепаратора

4.3 Результаты исследования распределения индукции магнитного поля в рабочем канале сепаратора

4.4 Результаты исследования факторов, влияющих на величину магнитной индукции в рабочем канале сепаратора

4.5 Результаты экспериментального определения загрязнения ТСОЖ

4.6 Результаты исследования теплового режима катушек намагничивания электромагнитного сепаратора

Выводы по главе

ГЛАВА 5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО СЕПАРАТОРА

5.1 Многопараметрическая оптимизация технологического процесса очистки ТСОЖ в циркуляционных системах станков

5.1.1 Построение модели базового варианта

5.1.2 Построение модели проектного варианта

5.2 Определение годового экономического эффекта от внедрения

электромагнитного сепаратора

Выводы по главе

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А Патенты РФ на изобретение и полезную модель

Приложение Б Протокол испытания технологической жидкости

Приложение В Акт внедрения результатов научных исследований

в учебный процесс

Приложение Г Акты внедрения результатов научных исследований

в производство

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка электромагнитного сепаратора для очистки технологических жидкостей металлообрабатывающих станков ремонтных предприятий АПК»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В настоящее время ремонтно-обслуживающие предприятия сельского хозяйства постепенно переходят на использование станочного оборудования нового поколения, которое, наряду с более высокими технико-экономическими и эксплуатационными показателями, в сравнении с традиционно использовавшимся является более чувствительным к загрязнениям и предъявляет более жесткие требования к процессу эксплуатации, ввиду чего классические подходы к использованию и регенерации технологических жидкостей теряют свою актуальность. В связи с этим требуются разработка и внедрение новых технических средств и технологических решений по очистке технологических смазочно-охлаждающих жидкостей, отвечающих современным требованиям.

Очистка технологических смазочно-охлаждающих жидкостей позволяет повысить качество обработки металлических изделий и продлить срок службы станочного оборудования. При этом широко используемые способы магнитной очистки требуют постоянного совершенства.

Основным направлением совершенствования магнитной очистки является разработка аппаратов и устройств нового поколения - электромагнитных сепараторов с возможностью регулирования индукции магнитного поля и повышения степени его неоднородности, а также увеличение площади воздействия последнего на очищаемое сырье. Недостаточное исследование специальных устройств -концентраторов магнитного поля, входящих в состав электромагнитных сепараторов, а также методов определения оптимальных параметров сдерживают развитие данного направления.

Работа выполнена в рамках программ «Концепция развития аграрной науки и научного обеспечения агропромышленного комплекса Российской Федерации на период до 2025 года» и «Стратегия машинно-технологической модернизации

сельского хозяйства России на период до 2020 года», а также планом НИР Курганской ГСХА на 2015-2020 гг.

Степень разработанности темы. В исследование проблемы механической магнитной очистки и исследование электромагнитного поля внесли свой вклад как известные отечественные ученые Л.В. Худобин, Е.М. Булыжев, А.Н. Литвиненко, В.В. Ефимов, Г.А. Епутаев, В.В. Кармазин, В.И. Кармазин, А.Б. Солоденко, А.А. Солоденко, А.Ю. Коняев, Ф.Н. Сарапулов, Ф.Р. Исмагилов, Р.Р. Саттаров, Е.Г. Андреева, В.Ю. Нейман, К.С. Демирчан, И.И. Пеккер, Ю.В. Телешев, Ю. В. Полян-сков, В.С. Зуев, В.И. Чарыков, В. А. Жужиков, О.С. Хабаров, С.В. Яковлев, А.И. Месеняшин, Д.Н. Смирнов, так и их коллеги за рубежом J. A. Williams, P.G. Marstoun, Р. Krause, Н.А. Leupold, J. Pitel, J. Svoboda, V.L. Ganzha, D.G. Grier, R.W.ChantreU.

Теоретические основы отделения металлических примесей были подробно проанализированы в исследованиях и трудах Н.Е. Авдеева, В.С. Зуева, В.И. Ча-рыкова, В.Ф. Сумцова, В.В. Кармазина, В.И. Кармазина, А.Б. Солоденко,

A.А. Солоденко, Н.Ф. Олофинского, В.П. Егорова, И.Л. Повха.

Современные представления о механизме действия технологических жидкостей развиты в работах П.А. Ребиндера, М.И. Клушина, В.Н. Латышева,

B.Л. Худобина, Н.В. Талантова, С.Г. Энтелиса, Э.М. Берлинера, Э.М. Деришева, Ю.С. Дубровского, Е.В. Лебедева, Н.Н. Семенова, А.И. Исаева, Н.В. Перцова, И.Э. Виноградова, В.Н. Сердюка, А.Г. Наумова, В.Г. Гусева, В.В. Маркова,

Т. Манга, У. Дрезеля и др. ученых.

Цель исследования: повышение эффективности очистки технологических жидкостей металлообрабатывающих станков путем разработки концентраторов магнитного поля с оптимальными параметрами.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1. Разработать математическую модель процесса очистки технологической жидкости от металлических частиц по наклонной плоскости в электромагнитном сепараторе, связывающую время движения частиц с режимными и конструктивными параметрами сепаратора.

2. Разработать технические средства для электромагнитной очистки технологических жидкостей от металлических примесей и произвести оценку качества очистки до и после прохождения сепарации.

3. Определить конструктивные параметры концентратора магнитного поля, электрические характеристики сепаратора и температурный режим катушек намагничивания для установления режима работы очистки материала электромагнитным сепаратором.

4. Оценить технико-экономическую эффективность использования электромагнитного сепаратора.

Объект исследования: процесс очистки технологических жидких продуктов от металлических частиц на электромагнитном сепараторе.

Предмет исследования: взаимосвязь технических характеристик электромагнитного сепаратора с его основными технологическими и конструкционными параметрами, влияющими на степень очистки от металлических примесей.

Научная новизна заключается в следующих положениях:

1. Разработана математическая модель процесса очистки технологической жидкости от металлических частиц, позволяющая исследовать время движения частиц в электромагнитном поле в зависимости от режимных и конструктивных параметров сепаратора с учетом физико-механических свойств технологической жидкости.

2. Предложена конструкция электромагнитного сепаратора, обеспечивающего совершенствование технологии очистки за счет использования концентраторов магнитного поля для повышения качества сепарируемой технологической жидкости.

3. Получены оптимизированные характеристики электромагнитного сепаратора, включающие в себя размер ячейки и диаметр проволоки концентратора, на основе установленных взаимосвязей технологических и конструктивных параметров.

Теоретическая и практическая значимость результатов работы. Разработана математическая модель очистки от металлических частиц в зависимости от физико-механических свойств технологической жидкости.

Полученные результаты исследований могут быть использованы в НИИ, а также при проектировании комплексных технологических линий с электромагнитными сепараторами на предприятиях АПК.

Предлагаемая конструкция электромагнитного сепаратора, новизна которой защищена патентами РФ № 2516608 и № 132740, и техническая документация по его эксплуатации внедрены в ООО «Кетовская агрохимия», машиностроительном предприятии ООО «Курганский метизный завод» («СИБМАШ», г. Курган) и на строительном предприятии «МоноТехКомплект-Строй» (г. Екатеринбург).

Результаты исследования используются в учебном процессе на кафедре электрификации и автоматизации сельского хозяйства ФГБОУ ВО «Курганская ГСХА им. Т.С. Мальцева» при проведении лабораторных занятиях по дисциплине «Электрооборудование и электропривод в сельскохозяйственном производстве», а также при проведении теоретических занятий по дисциплине «Теории электромагнитного поля».

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач применялась Максвелловская теория электромагнитного поля, теория электрических цепей, теория тепловых полей, численное решение дифференциальных уравнений, математический регрессионный анализ, активное планирование эксперимента, методы математического моделирования на ПК с использованием программных пакетов Simulink для моделирования полупроводниковых преобразователей энергии, ANSOFT Maxwell для расчета магнитной системы сепаратора, ELCUT для теплового расчета катушек намагничивания.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель процесса очистки технологической жидкости от металлических частиц в рабочем канале сепаратора с определением параметров времени движения и времени притяжения металлических частиц.

2. Конструкция электромагнитного сепаратора с концентратором электромагнитного поля, повышающим качество очистки технологической жидкости.

3. Оптимальные характеристики электромагнитного сепаратора, обеспечивающие максимальную величину магнитной индукции в рабочем канале.

Степень достоверности и апробация результатов исследования подтверждается корректностью поставленных задач и целей, путем сравнения результатов, полученных в ходе математических расчетов и экспериментальных исследований.

Основные положения и результаты работы обсуждались и были одобрены на научных конференциях, в том числе: «Энергетика в современном мире» (За-бГАУ, г. Чита, 2011 г.), «Инновационные электротехнологии и электрооборудование - предприятиям АПК» (ФГБОУ ВПО «Ижевская ГСХА», г. Ижевск, 2012 г.), «Актуальные проблемы АПК» (ФГБОУ ВПО «Саратовская ГСХА», г. Саратов, 2013 г.), «Инновации и исследования в транспортном комплексе» (ЗАО «Курганстальмост», г. Курган, 2013 г.), Молодежном научно-инновационном конкурсе «У.М.Н.И.К.» (г. Курган, 2013 г. весенняя сессия), «Современная наука - агропромышленному производству» (ФГБОУ ВПО «ГАУ Северного Зауралья», г. Тюмень, 2014 г.), а также на ежегодных международных научно-технических конференциях КГСХА и ЮУрГАУ (ЧГАА) (2011 - 2016 гг., г. Курган, г. Челябинск). На специализированной выставке - ярмарке инновационных проектов Курганской области (г. Курган, ТРЦ Гипер Сити, 2013 г.).

Публикации. По результатам исследования опубликовано 27 научные работы, в том числе 9 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 патент РФ на изобретение, 2 патент РФ на полезную модель, 1 монография.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения по работе, библиографии из 175 наименований и 4 приложений. Содержание работы изложено на 174 страницах, текст содержит 86 рисунков и 17 таблиц.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Общая характеристика технологических смазочно-охлаждающих жидкостей при механической обработке

Технологические смазочно-охлаждающие жидкости (ТСОЖ) представляют собой системы со сложным составом из множества компонентов [55; 64; 103; 118; 125; 134], основным предназначением которых является использование в циркуляционных системах станков для механической обработки металлических деталей с целью снижения износа режущих инструментов, смазки рабочих зон, отвода тепла от деталей и инструментов, что в результате приводит к улучшению эксплуатационных показателей станков и повышению качества и точности обработки деталей.

Помимо вышеперечисленных функций в процессе механической обработки деталей ТСОЖ обеспечивают также вымывание абразивной пыли и смывание стружки, способствуют защите обрабатываемых деталей, рабочих органов и узлов оборудования от коррозии [103; 125; 134], а также участвуют в улучшении санитарно-гигиенических условий на рабочих местах [8; 16; 17; 132].

Технологические смазочно-охлаждающие жидкости, выпуск которых осуществляется в промышленных масштабах, подразделяются на два класса [14] - на водной и масляной основе (рисунок 1.1).

Изготовление водных ТСОЖ осуществляется посредством смешивания основной фазы из дистиллированной воды с концентратами соответствующих добавок [14].

ТСОЖ на водной основе обладают следующими преимуществами: более высокая охлаждающая способность, невоспламеняемость, отсутствие или малое содержание вредных для здоровья персонала веществ, низкая стоимость основных компонентов раствора. Наряду с перечисленными преимуществами водные

ТСОЖ обладают также рядом характерных недостатков, определяющимся свойствами основы: это высокая испаряемость и более посредственные смазывающие свойства, что ограничивает их применяемость при тяжелых и особо тяжелых режимах механической обработки [14; 127; 134].

Рисунок 1.1 - Классификация ТСОЖ

ТСОЖ на масляной основе поступают в готовом для применения виде, представляют собой основу из минеральных или растительных масел, в которую в большинстве случаев добавляется ряд функциональных добавок, таких как проти-воизносные, антифрикционные, антизадирные, ингибиторы окисления или коррозии, моющие, добавки против вспенивания и пр. Наличие хороших смазочных свойств у данного класса жидкостей определяет направления их применяемости -при тяжелых и особо тяжелых режимах механической обработки, особенно с большими глубинами и низкими скоростями резания. Данный класс ТСОЖ так же, как и водных, не лишен ряда недостатков: это высокая цена основы, невысокие показатели по охлаждающей способности, а также воспламеняемость [14; 134]. Многоцелевые ТСОЖ на масляной основе могут выполнять одновременно функции ТСОЖ и являться рабочей жидкостью для гидравлических приводов

[130].

С ростом потребления ТСОЖ и ужесточения режимов обработки к смазочным материалам предъявляются повышенные требования, а также растет специа-

лизация жидкостей, ориентированных на конкретные технологические операции [14; 18; 72].

Эффективность ТСОЖ в технологических аспектах может быть определена ее функциональными особенностями при обработке резанием (рисунок 1.2) - смазочными, диспергирующими, охлаждающими и моющими [14; 54; 55; 134].

Рисунок 1.2 - Функциональные действия ТСОЖ

Смазывающие свойства ТСОЖ определяются наличием у них экранирующих и антифрикционных свойств, образующихся за счет появления между режущим инструментом и поверхностью обрабатываемой детали вторичных структур (пленок), предотвращающих непосредственный контакт поверхностей обрабатываемого материала и режущего инструмента [14; 134].

Диспергирующее действие ТСОЖ определяется способностью оказывать влияние на облегчение технологического процесса взаимодействия между режущим инструментом и поверхностью обрабатываемой детали, заключающееся в облегчении деформации и разрушения металлов с образованием новых поверхностей [14; 55]. Наличие поверхностно-активных веществ, входящих в состав ТСОЖ, в процессе резания способствует зарождению и развитию микротрещин в обрабатываемой поверхности, что заключается в проникновении полярных молекул ПАВ внутрь микротрещин и формировании дополнительных расклинивающих напряжений в их краях, в результате чего происходит увеличение хрупкости материала и его последующее разрушение.

Охлаждающие свойства ТСОЖ определяются законами теплообмена. При резании теплота отбирается средой от нагретых поверхностей обрабатываемых деталей и инструмента преимущественно посредством конвективного теплообмена, оценка интенсивности которого производится по среднему коэффициенту теплообмена на обтекаемых струями охлаждающей среды поверхностях. Величина коэффициента теплообмена находится в зависимости состояния поверхности, режима резания, скорости течения и теплофизических свойств ТСОЖ. При этом наибольший вес имеют показатели теплопроводности жидкости, скорость ее течения, теплоемкость и плотность, а также вязкость и разность между температурами охлаждаемой поверхности и воздуха в производственном помещении.

При механической обработке металлов резанием наибольшие термические нагрузки воспринимает режущий инструмент, при этом наличие в рабочей зоне потока ТСОЖ не устраняет нагрев инструмента, но способствует значительному уменьшению области его нагрева [7; 55].

Моющие свойства ТСОЖ определяются обеспечением непрерывного удаления из рабочей зоны резания продуктов технологического процесса (стружки) и отходов (износа), а в случае шлифования - предотвращением налипания отходов на гранулы абразивного материала [54; 55].

1.2 Загрязнение и изменение свойств ТСОЖ при функционировании

в циркуляционных системах

Анализ данных, приведенных в многочисленных исследованиях [8; 11; 128; 152], показывает, что в процессе функционирования и эксплуатации происходят различные изменения структуры ТСОЖ, носящие физико-химический характер, которые определяются параметрами технологического процесса механической обработки.

В циркуляционных системах ТСОЖ оборудования механической обработки обнаруживаются масла, смолы, вода, колонии микроорганизмов, адсорбирующие пыль и мелкую стружку, а также металлические частицы [14; 131].

В Кировской государственной технической академии имени В.А. Дяктерева [46] А.Е. Захаровым, Ю.А. Микипорисом, Ю.В. Баженовым были проведены обследования станков с целью выявления загрязнителей, находящихся в смазочно-охлаждающих технологических средствах - СОТС (И - 20А).

По результатам обследования выяснилось, что в отстойных емкостях станков присутствуют механические примеси, количество которых составляет от 0,08% до 0,3% по массе, что превышает допустимые пределы, установленные ГОСТ 6370-83 [22].

Анализ частиц (рисунок 1.3) показал, что их средний размер составляет порядка 110 мкм, при этом до 75% частиц - металлические, 25% состава - абразивные материалы, органические включения - до 2,5% и остальные примеси - до

В Ульяновском государственном техническом университете Е.М. Булыже-вым, Л.В. Худобиным [14] были проведены эксперименты по выявлению шламо-содержащих загрязнений на шлифовальных станках.

При обработке заготовок шлифованием в ТСОЖ попадает шлам, состоящий из мелкой металлической стружки размерами от 5 до 50 мкм, а также фрагментов

2,5%.

■ Металл

■ Абразив

■ Органические

■ Остальное

Загрязнения

Рисунок 1.3 - Диаграмма загрязнений СОТС

абразивного материала размерами от 20 до 150 мкм. При этом значительная массовая часть (80-98%) рассматриваемого шлама состоит из стружки. Шлам также содержит соединения абразива и связки, атмосферную пыль, волокнистые, смазочные материалы и металлические частицы.

Особенно остро влияние загрязнений ТСОЖ металлическими примесями наблюдается в случае использования централизованных систем подачи ТСОЖ на ремонтно-обслуживающих предприятиях сельского хозяйства. Эксплуатация таких систем показала, что загрязнение ТСОЖ шлифовальным шламом приводит к заиливанию трубопроводов и накопительных емкостей шламом. Непрерывное накопление шлама и других загрязнений вызывает закупоривание системы и её выход из строя, что, естественно, недопустимо. Механические примеси способствуют развитию бактерий в ТСОЖ, что приводит к разложению ТСОЖ и сокращению её срока службы.

Между тем установлено, что, например, оснащение фрезерных станков очищаемыми устройствами приводит в ряде случаев к повышению стойкости фрез в среднем в 5-10 раз, при этом скорость резания можно увеличить в 2 раза, а подачу - до 1,5 раз. Оснащение станков для глубокого сверления очищающими ТСОЖ от частиц размером более 10 и 2 мкм обеспечило повышение стойкости сверл, соответственно, до 5000 и 13500 обработанных между переточками отверстий.

На многошпиндельных станках очистка ТСОЖ способствовала увеличению стойкости сверл с внутренним охлаждением в 2 раза, а разверток, расточных и фасонных резцов, неперетачиваемых многогранных пластинок - в 1,4-1,8 раза. Одновременно шероховатость обработанной поверхности уменьшилась на 20%, а заточные работы сократились на 55%. При проведении аналогичных исследований на Ульяновском автомобильном заводе было установлено, что с уменьшением концентрации металлических примесей, попадающих вместе с ТСОЖ в зону точения, снижается износ резцов и, соответственно, увеличивается период их стойкости. Это, в свою очередь, ведет к снижению времени, затрачиваемого на

наладку оборудования, и к увеличению сменной наработки деталей В (рисунок 1.4).

500 мин

400

Те 300 200

/ д

/ /1

1

а

л

5

сутки 5

В

250 мин

200

150 100

2_

1 2 3 сутки 5

б т ——

1, 2 - соответственно с = 0,2; 0,1 г/л. Материал заготовки - СЧ20, материал режущей части инструмента - Р6М5, частота вращения шпинделя -500 об/мин, продольная подача - 0,4 мм/об, глубина резания - 2 мм Рисунок 1.4 - Влияние концентрации с механических примесей в ТСОЖ на период стойкости тс токарных резцов (а) и суточный выпуск продукции В (б)

Исследованиями [14] установлено, что некачественное удаление металлических примесей из ТСОЖ способствует:

- увеличению износа режущего инструмента (резцов, сверел, зенкеров и разверток) на 20-30%;

- увеличению энергетических затрат на 5-15%;

- снижению класса точности механической обработки на 15-25%;

- снижению качества поверхности по форме и шероховатости.

1.3 Анализ существующих методов и установок для очистки технологических жидкостей

1.3.1 Методы очистки технологических жидкостей

На сегодняшний день используется несколько различных подходов (рисунок 1.5) к очистке технологических жидкостей. При этом их выбор определяется составом ТСОЖ, характером и степенью ее загрязнения, а также требованиями к степени ее очистки и особенностями технологического процесса, такими как гранулометрический состав примесей, расход ТСОЖ, кратность циркуляции, температура и пр. В большинстве случаев очистка основывается на физических (в редких случаях - на физико-химических) методах.

В рамках технологических процессов очистки ТСОЖ применяются методы осаждения, флотации, фильтрации, центрифугирования и сепарации (рисунок 1.5) [9; 56; 59; 155].

При осаждении загрязняющих примесей в основу технологического процесса положена сила тяжести. Данный метод применяется, как правило, в целях предварительной очистки, при этом используются специальные емкости - отстойники, включаемые в схему подачи ТСОЖ в условиях установившегося потока. Процесс осаждения позволяет упростить последующие стадии очистки ТСОЖ. Оценка эффективности процесса осаждения производится по критериям полноты очистки и скорости осаждения частиц, определяемая в соответствии с уравнением Стокса [2; 133]. Данный метод является наиболее эффективным в том случае, если плотность загрязняющих частиц выше плотности очищаемой жидкости.

При очистке ТСОЖ методом флотации [72] используется свойство соединения загрязняющих частиц с пузырьками воздуха или с легкими частицами (например, с небольшими включениями масла в эмульсии), в результате чего они поднимаются к поверхности емкости, где можно произвести их механическое удаление из ТСОЖ с использованием специального приспособления. Данный метод, особенно с применением пропускания воздуха через раствор ТСОЖ, является

Рисунок 1.5 - Классификация методов очистки ТСОЖ

эффективным при условии для удаления неметаллических примесей, плотность которых сопоставима или меньше плотности очищаемой ТСОЖ.

Очистка методом фильтрации [9; 72] позволяет удалять любые механические примеси из жидкостей вне зависимости от природы их происхождения или физико-химических свойств. Также данный метод очистки характеризуется отсутствием (в большинстве случаев) необходимости в прерывании установившегося потока ТСОЖ, используемого в технологическом процессе механической обработки. Степень очистки регулируется размерами пропускающих ячеек фильтрующих элементов и количеством ступеней очистки. Наибольшей степенью и скоростью очистки характеризуются фильтры, работающие под давлением.

Мерой эффективности фильтрации ТСОЖ является степень очистки, характеризующаяся отношением массовой доли задержанных системой фильтрации частиц к общей массе загрязнения, а также потерями давления циркуляционной системы в модуле фильтрации. Эффективность данного метода обусловлена очисткой ТСОЖ от любых видов примесей вне зависимости от их плотности или гранулометрического состава. Недостатком данного метода является необходимость в частой замене или промывке фильтрующих элементов, а также значительные потери напора ТСОЖ, что приводит к необходимости значительного повышения мощности насосов системы циркуляции с пропорциональным увеличением стоимости оборудования и энергетических затрат.

Очистка ТСОЖ методом центрифугирования [46; 72] с точки зрения физики процесса представляет собой, в зависимости от конструкции применяемого оборудования, осаждение или фильтрование дисперсной системы загрязненной ТСОЖ под действием центробежных сил. В том и другом случае процесс центрифугирования обладает соответствующими преимуществами и недостатками, свойственными осаждению или фильтрованию, при этом оборудование может иметь циклический или непрерывный тип действия.

Процесс центрифугирования характеризуется рядом ключевых технологических параметров, которые определяют кинетику процесса: это фактор разделе-

ния, т.е. величина, характеризующая интенсивность центробежного поля, скорость центрифугирования, а также степень (или производительность) очистки.

Сепарация технологических жидкостей представляет собой с технической точки зрения достаточно широкое понятие, требующее дополнительного уточнения в зависимости от параметров технологического процесса. Для очистки ТСОЖ в ремонтно-обслуживающих предприятиях сельского хозяйства характерно применение сепарации по магнитным свойствам компонент среды, при этом классификация разновидностей данного метода производится в зависимости от конструктивных особенностей используемого оборудования, точнее от способа получения магнитного поля. По характеру технологического процесса установки сепарации делятся на циклические и непрерывного действия.

К основным показателям эффективности технологического процесса относятся скорость, степень очистки и производительность оборудования.

1.3.2 Магнитные установки для очистки технологических жидкостей

Существует множество устройств, реализующих магнитные методы очистки технологических жидкостей [57]. На практике конкретное устройство выбирается в зависимости от свойств перерабатываемой жидкости или сырья, а также от требуемой производительности и качества очистки.

В Курганской государственной сельскохозяйственной академии имени Т.С. Мальцева (Курганский сельскохозяйственный институт) В.С. Зуевым, В.И. Чарыковым, С.А. Соколовым, В.Д Романовым, А.С. Умудовым и др. разработан комплекс машин для сепарации пластичных жидких материалов от метал-ломагнитных примесей (Патент РФ №2006289, №2513946, №132741, А.С. СССР №1553175, №1681961) [82; 87; 90; 93; 95].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Евдокимов Александр Андреевич, 2017 год

/ R

В / / м т _ -- в

0 2 4 6 8 1 0 1 J—С 2 1 4 1 — 6 1 8 2 0 2 2 2 4 2

yj L J \J L, м

Ву

Вх

4.3 Результаты исследования распределения индукции магнитного поля в рабочем канале сепаратора

По методике, изложенной в п. 3.6, был произведен эксперимент по исследование распределения индукции магнитного поля в рабочем канале установки (рисунок 3.1) с различными параметрами концентраторов магнитного поля [38]. Результаты измерений индукции магнитного поля в рабочем канале сепаратора приведены в таблице 4.3.

Магнитная индукция B в рабочем канале электромагнитного сепаратора изменяется по экспоненциальному закону, выведенному В.И. Чарыковым, В.С. Зуевым [20; 50; 147]:

( Л

1 — (4.1)

V J

В = Втах -AB

где Втах; Втт - max и min силовая характеристика магнитного поля, Тл;

AB Втах - Bmin;

d - расстояние от точки измерения до полюса, м; dn - конструктивная постоянная, м. Для нахождения магнитной силы FM нужно определить силовую характеристику магнитного поля В. Для этого применяем таблицу 4.3, где экспериментально определена зависимость магнитной индукции с концентратором и без концентратора магнитного поля.

Таблица 4.3 - Результаты измерений магнитной индукции при U = 220В

С концентратором магнитного поля

di, мм 0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20

В^мТл 130 119 112 106 102 98 96 95 94

Без концентратора магнитного поля

di, мм 0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20

В^мТл 130 79 67 60 56 52 48 45 42

Коэффициент dn является неизвестной величиной в выражении (4.1). Находим его при помощи метода наименьших квадратов [66]. Приведем формулу (4.1) к следующему виду:

di dt

dn = Б + ABe dn (4.2)

В = Втах -АВ + АВеа* = Бтт + АВе

Преобразуем выражение (4.2), перенеся в левую часть Втт и разделив на АВ получим:

В - В

x

АБ

= e

n

Обозначив В Вт1П = г, — = а, получим АВ " ёп ' 3

х = е" ^. (4.3)

Логарифмируем выражение (4.3), чтобы найти коэффициент а:

1п х = -ау. (4.4)

Чтобы получить уравнение прямой, вводим новую переменную 1п х = г :

г = -ау. (4.5)

Используя метод наименьших квадратов для нахождения коэффициента а делаем так, чтобы сумма квадратов отклонений наблюдаемых значений гг от -ау

п

была минимальной: X [гг - (-ау )]2 = т1п.

г=1

п

X [ ^ + ауг ]2 = т1п. (4.6)

1=1

Выражение (4.6) по аргументу а продифференцируем и приравняем производную к нулю, в результате получим:

£ [ ^i + Щ ] У = 0. (4.7)

i=i

Раскрывая скобки и производя суммирование, получим:

£ у. г, + а £ у2 = 0. (4.8)

i=1

а

Из уравнения (4.8) найдем:

Ё у

,=1

п

Ё у,

(4.9)

г=1

Чтобы найти численное значение коэффициента а используем таблицу 4.4.

Таблица 4.4 - Таблица для определения коэффициента а

У1 у,2 В - В . Л„ _ г шт X1 — г АВ = 1п

С концентратором магнитного поля

0 0 1 0 0

2,5 6,25 0,694 -0,365 -0,913

5 25,00 0,5 -0,693 -3,465

7,5 56,25 0,333 -1,099 -8,243

10 100,00 0,222 -1,505 -15,05

12,5 156,25 0,111 -2,198 -27,475

15 225,00 0,055 -2,9 -43,5

17,5 306,25 0,027 -3,612 -63,21

20 400,00 0 0 0

1875 £-161,856

Без концентратора магнитного поля

0 0 1 0 0

2,5 6,25 0,42 -0,868 -2,17

5 25,00 0,284 -1,259 -6,295

7,5 56,25 0,205 -1,585 -11,888

10 100,00 0,159 -1,839 -18,39

12,5 156,25 0,114 -2,172 -27,15

15 225,00 0,068 -2,688 -40,32

17,5 306,25 0,034 -3,381 -59,168

20 400,00 0 0 0

1875 £-165,381

Получим следующее значение величины коэффициента а. 1 С концентратором магнитного поля:

Ё у л

а = -

г=1

Ё у,2

г=1

161,856 875

0,185.

Следовательно, искомый коэффициент =1 = —1— = 5,41 мм.

а 0,185

2 Без концентратора магнитного поля:

9

а = = _ 165:381 = 0,189.

±У,2 875

¡=1

Следовательно, искомый коэффициент dn =1 = —1— = 5,29 мм.

а 0,189

Силовую характеристику магнитного поля находим расчетным путем по формуле (2.10). Результаты сравниваем с экспериментальными данными и сводим в таблицу 4.5.

Таблица 4.5 - Расчетное значение магнитной индукции

У d¡ е ^ _ ± АБе ^ d¡ Б = Бтт + АБе* Бэксп

С концентратором магнитного поля

0 1 36,0 130,0 130

2,5 0,63 22,68 116,68 119

5 0,397 14,292 108,292 112

7,5 0,25 9,0 103,0 106

10 0,158 5,688 99,688 102

12,5 0,099 3,564 97,564 98

15 0,062 2,232 96,232 96

17,5 0,039 1,404 95,404 95

20 0,025 0,9 94,9 94

Без концентратора магнитного поля

0 1 88,0 130,0 130

2,5 0,623 54,824 96,824 79

5 0,389 34,232 76,232 67

7,5 0,242 21,296 63,296 60

10 0,151 13,288 55,288 56

12,5 0,094 8,272 50,272 52

15 0,059 5,192 47,192 48

17,5 0,037 3,256 45,256 45

20 0,023 2,024 44,024 42

По полученным данным (таблица 4.5) построим графики изменения индукции магнитного поля от полюсного наконечника первоначальной точки измерения до верхней поверхности концентратора магнитного поля в рабочем канале электромагнитного сепаратора.

Анализ зависимостей распределения индукции магнитного поля в рабочем канале сепаратора показывает, что применение концентратора магнитного поля повышает индуктивность на 57 % (рисунок 4.13 а, б).

В, мТл В, мТл

а) с концентратором магнитного поля; б) без концентратора магнитного поля; 1 - теоретическая (расчетная); 2 - экспериментальная Рисунок 4.13 - Зависимость индукции магнитного поля от расстояния до полюсного наконечника на оси в рабочем кнале сепаратора

Сравнение теоретических (1) и экспериментальных (2) зависимостей привело к тому, что их разница не превышает 10 %, при допустимой погрешности измерения не более 5 %. Это позволяет применять данные в расчетах и считать их адекватно отражающими физические процессы.

4.4 Результаты исследования факторов, влияющих на величину магнитной индукции в рабочем канале сепаратора

Прежде чем были проведены эксперименты, выявили нулевые значения факторов: напряжение, размер ячейки и диаметр проволоки концентратора, которые влияют на функцию оптимизации.

Применяя заданные параметры (таблица 3.1), мы назначили эксперименты, позволяющие точно судить о степени влияния каждого фактора на магнитную индукцию, развиваемую в электромагнитном сепараторе.

Вначале произведен полный факторный эксперимент 2 , который состоит из 8 опытов (таблица 3.2, опыты 1...8). Опыты не повторяются, но для оценки дисперсии опыты в центре плана основного уровня повторили 6 раз (таблица 3.2, опыты 15.20). С учетом возможного перехода к планированию второго порядка выбрали число дублей центрального опыта для построения полиномиальной модели (3.11) [13]. Как только была построена модель второго порядка, производим опыты в звездных токах. Звездное плечо в плане а = ±1,682 (таблица 3.1).

В результате проведения опытов на основном уровне по формуле (3.5) найдем дисперсию воспроизводимости. Получилось, что

S22 = 0,3937, среднеквадратичная ошибка опытов Sy = 0,6275 при f1 = 5 .

По результатам опытов плана 2 рассчитали по формуле (3.9) следующие коэффициенты регрессии:

b0 = 31,25; b1 = 3,63; b2 = 4,95; b3 = 2,33; b12 = 0,13; b13 = -0,33; b23 = -0,2; b123 = -0,475.

По формуле (3.10) рассчитали дисперсию опытов в отношении этих коэффициентов, Sb2 = 0,0492, среднеквадратичные ошибки этих коэффициентов Sb¡ = 0,2218. Если уровень значимости а = 0,05 и степень свободы f=5, то табличное значение критерия Стьюдента t005.5 = 2,57, следовательно, по формуле (3.14) находим доверительный интервал Ab¡ = 2,57 • 0,2218 = 0,57. Сравниваем абсолютные значения коэффициентов и найденное значение доверительного интервала по формуле (3.15). Проанализировав результат, выясняем, что статистически незначимыми являются коэффициенты: b12, b13, b23, b123.

Таблица 4.6 - Вспомогательная таблица для расчета дисперсии опыта в центре плана

Номер опыта и Уи эксп уи расч N Лу 2

15 33,1 33,02 0,08 0,006

16 32,5 0,52 0,270

17 32,1 0,92 0,846

18 33,5 0,48 0,230

19 33,1 0,08 0,006

20 33,8 0,78 0,608

Проверку адекватности линейной части полученного уравнения делали по /критерию. Вначале оценили различия между Ь0 и средним результатом опыта в центре плана (таблица 4.6). В данном случаеу0 = 33,02; Ь0 = 31,25; X = 0,6275; N = 8.

(31,25 - 33,02)->/8 Используя формулу (3.16), получим 1 " 0 6275

грасч = ^--—-= 7,98 значение пре-

вышает табличное как при 5%-м (= 2,57), так и при 1%-м (= 4,03)

уровне значимости. Получается, что линейная часть полиномиальной модели неадекватна. В результате этого было решено сделать полиномиальную модель второго порядка, для этого перейдем к центральному композиционному ротатабель-ному униформ-плану второго порядка. Осталось реализовать опыты в звездных точках (таблица 3.2 опыты 9...14), т.к. опыты ядра плана 2 и в центре плана были уже выполнены.

Нахождение коэффициентов определяем по формуле (3.11). Вспомогательные константы с1, с2, с3, с4, с5, с6 выбираем из таблиц [78].

Ь0 = 0,16635 • 599,2 - 0,0568 -1177,613 = 32,7885;

Ь = 0,07322 -81,983 = 6,0028; Ь2 = 0,0732 -37,682 = 2,7591;

Ь3 = 0,07322-12,745 = 0,9332; Ь12 = 0,125-1,0 = 0,125;

Ь13 = 0,125 - (-2,6) = -0,325; Ь23 = 0,125 - (-1,6) = -0,2;

Ь11 = 0,0625 - 431,403 + 0,00689 -1177,613 - 0,0568 - 599,2 = 1,0419;

b22 = 0,0625 • 375,086 + 0,00689 -1177,613 - 0,0568 • 599,2 = -2,4779;

b33 = 0,0625 • 371,124 + 0,00689 -1177,613 - 0,0568 • 599,2 = -2,7255.

По формуле (3.12) определяем дисперсии, среднеквадратичные ошибки и ковариации. Вспомогательные константы с7, с8, с9, с10 находятся в таблице [78].

S2 = 0,16635 • 0,3937 = 0,0655; Sbo = 0,40786 • 0,6275 = 0,2559;

Sb; = 0,07322 • 0,3937 = 0,0288; Sh = 0,27059 • 0,6275 = 0,1698;

o2 _ o2 _ o2 o _ o _ o

^ = Sb2 = Sb3; Sb, = Sb2 = Sb3;

S2hi = 0,125• 0,3937 = 0,0492; S^ = 0,35355 • 0,6275 = 0,2219;

o2 _ o2 _ o2 o _ o _ o

= Sb22 = Sb33; % = Sb22 = Sb33

= 0,06939 • 0,3937 = 0,0273; S^ = 0,26342 • 0,6275 = 0,1653;

covbb =-0,0568 • 0,3937 = -0,0224;

b0bii

covbb = 0,00689 • 0,3937 = 0,0027.

biibjj

Рассчитываем доверительный интервал по формуле (3.14) для сравнения абсолютного значения, при этом í-критерий Стьюдента брали из таблиц [78] при степени свободы f = 5 и а = 0,05 .

Abo = 2,57 • 0,2559 = 0,6577; А^ = 2,57 • 0,1698 = 0,4364;

Abi = 2,57 • 0,1653 = 0,4248; А^ = 2,57 • 0,2219 = 0,5703.

Все коэффициенты, кроме b12, b13, b23, статистически значимые при 5%-м уровне.

В результате полиномиальная модель второго порядка будет выглядеть: Y = 32,789 + 6,003х1 + 2,759х2 + 0,933х3 +1,042X - 2,478х22 - 2,726х32. (4.1)

По формуле (3.17) проверяем адекватность полиномиальной модели (4.1). Дисперсию неадекватности определяем по формуле (3.18), т.к. опыты не дублировались. В таблице 4.7 находятся данные магнитной индукции. Так как полиномиальная модель (4.1) имеет семь коэффициентов, то по формуле f2 = N - к' -1 определяем число степеней свободы, к' - количество факторов.

S2 д = i52 = 0,126.

неад 12 '

Из таблицы [78; 120] выбираем табличное значение F - критерия, при этом число степеней свободы в знаменателе / = 5 и числителе ^ = 12 для уровня значимости а = 0,05 . Расчетное значение ^расч = 0,126/0,3937 = 0,32, что меньше табличного (^О^ = 4,68), это говорит об адекватности полученной полиномиальной модели.

Таблица 4.7 - Сопоставление экспериментальных и расчетных данных

Номер опыта и Уи эксп Уи расч Ы Лу 2

1 41,3 38,322 2,978 8,869

2 35,4 26,316 9,084 82,519

3 32,5 32,804 0,304 0,092

4 25,2 20,798 4,402 19,378

5 38,6 36,456 2,144 4,597

6 29,5 24,45 5,05 25,503

7 27,1 30,938 3,838 14,730

8 20,4 18,932 1,468 2,155

9 47,8 45,835 1,965 3,861

10 16,3 25,641 9,341 87,254

11 21,5 30,417 8,917 79,513

12 22,7 21,135 1,565 2,449

13 19,6 26,643 7,043 49,604

14 23,2 23,505 0,305 0,093

Переходим от кодированных значений к натуральным:

= и -100 = гл-1_ = а-л

Х = *2 = ~Г'; Х3 = 0,25'

Подставляя в уравнение (4.10) значения х}, х2, х3, которые определяются по выражению (4.1), получим значение магнитной индукции В, мТл, выраженную через параметры и, /1, а:

(4.2)

В = -5,921 + 0,002^ +12,671/1 +14,636^ + 0,00085^2 - 2,478/12 --10,904^2.

Чтобы построить поверхность отклика, используем программу БТАТОТКА.

На рисунках 4.14, 4.15, 4.16 представлены линии уровня В (х], х2), В (х], х3), В (Х2, Хз).

Рисунок 4.14 - Поверхность отклика, характеризующая значение магнитной индукции в зависимости от напряжения, подаваемого на катушки намагничивания, и размер ячейки концентратора

Анализ поверхности отклика при изменении магнитной индукции в зависимости от напряжения и размера ячейки показывает, что при повышении напряжения растет и магнитная индукция: при и = 60 В, В = 26 мТл, при и = 100 В, В = 45 мТл, при размере ячейки концентратора /1 = 2,0-3,0 мм соответственно (рисунок 4.14).

Рисунок 4.15 - Поверхность отклика, характеризующая значение магнитной индукции в зависимости от напряжения, подаваемого на катушки намагничивания, и диаметра проволоки концентратора

Анализ поверхности отклика изменения магнитной индукции в зависимости от напряжения и диаметра проволоки концентратора показывает, что при повышении напряжения растет магнитная индукция: при и = 60 В, В = 28 мТл, при и = = 100 В, В = 48 мТл и размера диаметра проволоки концентратора й = 1,0-1,2 мм (рисунок 4.15).

Анализ поверхности отклика показывает, что параметрами позволяющими получить максимальное значение магнитной индукции, являются следующие характеристики: размер диаметра проволоки концентратора й = 1,0-1,2 мм и размера ячейки концентратора 11 = 2,0-3,0 мм (рисунок 4.16).

Рисунок 4.16 - Поверхность отклика, характеризующая значение магнитной индукции в зависимости от размера ячейки и диаметра проволоки концентратора

В этих условиях можно получить максимальное значение индукции магнитного поля в рабочем канале сепаратора [149].

4.5 Результаты экспериментального определения загрязнения ТСОЖ

В условиях ООО «Курганский метизный завод» «СИБМАШ» были проведены экспериментальные исследования на автоматическом ленточном станке ЭоЛИ С-420КС [166] по выявлению типов и концентраций загрязнителей, влияющих на срок службы ТСОЖ [142].

Динамику изменения физико-химических параметров проводили на водо-смешивающей «10 %-й эмульсии Динол». В ходе выполнения эксперимента контролировали весь комплекс основных параметров ТСОЖ: внешний вид, запах, водородный показатель рН, плотность, температуру кристаллизации 1кр, содержание металлических примесей.

Обработку результатов осуществляли в ООО «Уральский региональный центр технической экспертизы и диагностики» (УРЦ ТЭ и Д г. Екатеринбург) (приложение Б).

Проанализируем результаты эксперимента: внешний вид - однородная жидкость желтого цвета; запах - не раздражающий; температура кристаллизации 1:кр = -4°С. Плотность и водородный показатель (рисунок 4.17, 4.18) с течением времени уменьшаются в пределах ГОСТ, а концентрация металлических примесей с увеличением времени работы ленточного станка возрастает (рисунок 4.19)

Рисунок 4.17 - Зависимость изменения плотности от времени выработки станка

рН 10

9,95

9.9

9,85

о 1 : з - 5

суг

Рисунок 4.18 - Зависимость изменения водородного показателя рН от времени выработки станка

%

0,167 0,158 0,148

0,134

0,114 0,102

0 1 2 3 4 5 сут

Рисунок 4.19 - Зависимость изменения концентрации металлических частиц от времени выработки станка

Результаты экспериментов показывают, что концентрация металлических частиц за 5 суток работы ленточного станка увеличилась с 0,102 % до 0,167 %. Значительное воздействие оказывают металлические частицы, влияющие на показатели качества обработки поверхности, а также на износ режущего инструмента.

Концентрация металлических примесей до и после прохождения ТСОЖ через магнитную систему определяется по методике, описанной в п. 3.8.3. Степень е очистки (в %) вычисляется по формуле (3.30).

Таблица 4.8 - Экспериментальные данные степени ^ очистки ТСОЖ

Наименование показателя До очистки После очистки Степень очистки, %

Массовая доля металлических частиц, г/л

Проба № 1 0,1580 0,0228 85,6

Проба № 2 0,1342 0,0367 72,7

Проба № 3 0,1680 0,0126 92,5

Согласно ГОСТ Р 50558-93 [28], концентрация металлических примесей для водосмешивающих ТСОЖ зависит от технологического процесса обработки детали. Предельно допустимые показатели частоты ТСОЖ приведены в таблице 3.4.

Анализ эксперимента показывает (таблица 4.8), что электромагнитный сепаратор обеспечивает эффективную степень очистки ТСОЖ от металлических частиц, эффективность очистки достигает 90 %.

4.6 Результаты исследования теплового режима катушек намагничивания электромагнитного сепаратора

В результате последовательного соединения катушек намагничивания и напряжения 220 В был выполнен расчет.

Для этого использовались параметры: геометрические размеры катушки (рисунок 3.12): Ьобм=123 мм; гвнеш=31 мм; гвнутр=13 мм; сопротивление катушки намагничивания при температуре 20 °С: Я20 = 238 Ом; температурный коэффициент сопротивления (для меди): а=

4 • 1Г 1/°С.

Таблица 4.9 - Результаты расчета теплового режима катушек намагничивания

Напряжение питания катушки намагничивания и, В В ыпрямленное напряжение И, В Vобм, см3 °С Ом и, Вт Р, Вт Роб, Вт/см3

220 198 306 25 242,76 49,5 10,1 0,033

Рисунок 4.20 - Изотермы стационарного теплового поля

Т,°С 50,2

49,8

49,4

49,0

48,6

48,2

47,8

0 20 40 60 80 100 120

11обм,ММ

Рисунок 4.21 - Распределение температуры на внешней поверхности обмотки

вдоль оси х1 (см. рисунок 3.22)

Г —*- —И- •-• — г*—

------ ______1...... ______|...... ------- — :

...... ------ ------;------ ______|...... ------;------ ______!...... ......

1

!

...... ------ ...... ------ ...... ...... ------ ...... ......?...... ......;...... ------- ------- ...... ------- ...... ......

. 1.1. ■ 1.1.1.1.1.1.1.

т,°с

51,30 51,26

51,22 51,18 51,14 51,10 51,06 51,02

0 20 40 60 80 100 120

Ьобм,ММ

Рисунок 4.22 - Распределение температуры на внутренней поверхности обмотки

вдоль оси х2 (см. рисунок 3.22)

т,°с

51,30 51,26 51,22 51,18 51,14 51,10 51,06 51,02

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

г, мм

Рисунок 4.23 - Распределение температуры по радиусу по центру катушки намагничивания

Таблица 4.10 - Максимальное значение температуры, °С

Вид соединения катушек намагничивания Напряжение питания и, В Выпрямленное напряжение и, В На внешней поверхности обмотки На внутренней поверхности обмотки Разность температур на катушки

Последовательное 220 198 50,2 51,17 0,97

Распределение температуры нагрева обмоточного провода показано на рисунке 4.20. Теплота, которая выделяется в обмоточном проводе, распространяется не только на активные элементы электромагнитного сепаратора, но и в окружающее пространство.

-

---

—-

. 1 . . 1 . . 1 . . 1 . .1.1.

Рисунки 4.21, 4.22 показывают изменение распределения температуры на внешней и внутренней поверхности катушки намагничивания при длительном режиме работы [34]. Если температура доходит до постоянного значения, сепаратор при этой температуре остается под нагрузкой длительное время. По центру длины (Ьобм) катушки располагается самая нагреваемая часть обмотки. Чем дальше от центра, тем меньше температура.

Рисунок 4.23 показывает изменение температуры по радиусу, направление идет от внутренней поверхности катушки к внешней.

В таблице 4.11 показаны результаты экспериментальных измерений катушки намагничивания.

Таблица 4.11 - Экспериментальные данные теплового режима катушки

намагничивания

Время ^ ч Тк, °С Л+ = Т - Т ^ хк хокр. ср., ^ Время ^ ч Тк, °С Л+ = Т - Т ^ хк хокр. ср., ^

0 20 0 2,75 44 24

0,25 23 3 3 45 25

0,5 25 5 3,25 46,5 26,5

0,75 28 8 3,5 48 28

1 30 10 3,75 49 29

1,25 33 13 4 50 30

1,5 36 16 4,25 50,5 30,5

1,75 38 18 4,5 51 31

2 39,5 19,5 4,75 51 31

2,25 41 21 5 51 31

2,5 42,5 22,5

С возрастанием температуры катушки увеличивается разность температур и происходит интенсивная отдача тепла в окружающее пространство. Значит, наступит момент, когда количество выделяемой и отдаваемой теплоты в пространство сравняются, тогда наступает постоянный режим, температура прекращает расти.

Кривые изменения повышения температуры катушки намагничивания показаны на рисунке 4.24. В начале эксперимента скорость нагрева катушки намагни-

чивания большая, поэтому кривая температуры резко идет вверх, после скорость замедляется, и спустя некоторое время рост температуры прекращается.

При сравнении полученных результатов расчета температурных полей видим, что для электромагнитного сепаратора данный вид соединение катушек намагничивания будет оптимальным с напряжением 220 В. Таким образом, изоляция катушки намагничивания при классе нагревостойкости Е Онагр = (120 °С) [70] выдерживает допустимую температуру нагрева в результате расчетных данных "^внутр = 51,17 °С, 1внеш = 50,2 °С , экспериментальное значение Тк = 51 °С.

Т,°С

2 ¿¿Г« л р' <У

!Г ~ С 1 <3 *

1 9 / 4 £> Л

0 2 3 5

1 - эксперимент; 2 - теоретическая (расчетная) Рисунок 4.24 - Сравнение результатов теплового расчета катушек намагничивания

Температура нагрева превысит допускаемую для изоляции температуру, если напряжение довести до 380 В и включить катушку намагничивания на длительное время.

В малогабаритном электромагнитном сепараторе катушки намагничивания не требуют особых охлаждающих устройств, отведение тепловых потоков происходит путем соприкосновения нагретых поверхностей катушек намагничивания с окружающим пространством и соответствуют требованиям нормативной документации.

1 Моделирование полупроводниковых преобразователей энергии электромагнитного сепаратора позволило определить требуемые параметры источника питания и его составляющих: мощность установки 0,140 кВт; номинальный ток: 0,2 А; средний прямой ток диодов: 3 А; максимальное обратное напряжение диодов: 500 В; сечение соединительных проводов: 0,4 мм.

2 Результаты расчета магнитной системы электромагнитного сепаратора показывают, что максимальное значение магнитной индукции возникает над полюсными наконечниками. При этом индукция магнитного поля над полюсным наконечником с катушкой и без катушки примерно одинаковая.

3 Разработано конструктивное новое техническое средство - сетчатый концентратор неоднородного магнитного поля, который обеспечивает повышение магнитной индукции в рабочем канале сепаратора на 57 %. Установленные оптимальные параметры концентратора (диаметр сетки 1 мм и размер ячейки 3 мм) обеспечивают максимальные значения магнитной индукции при величине подводимого напряжения 220 В.

4 Результаты экспериментов показывают, что концентрация металлических частиц за 5 суток работы ленточного станка увеличилась с 0,102 % до 0,167 %. Степень очистки металлических частиц электромагнитным сепаратором достигает 0,0126...0,0367 г/л.

5 Результат расчета температурных полей показывает, что для электромагнитного сепаратора предельно допустимое превышение температуры изоляции катушки намагничивания при классе нагревостойкости Е (1нагр = 120 °С) выдерживает температуру нагрева 1внутр=51,2 °С, которая соответствует полученному экспериментальному значению Тк=51 °С. Малогабаритный электромагнитный сепаратор не требует специальных охлаждающих устройств: отведение тепловых потоков происходит путем соприкосновения нагретых поверхностей катушек намагничивания с окружающим пространством и соответствует требованиям нормативной документации.

ГЛАВА 5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО СЕПАРАТОРА

5.1 Многопараметрическая оптимизация технологического процесса очистки ТСОЖ в циркуляционных системах станков

Метод функционально-стоимостного анализа (ФСА) [75] применяется для нахождения и обоснования оптимального решения технологии очистки ТСОЖ.

ФСА позволяет выбрать оптимальный вариант проектного решения исходя из критериев функциональной достаточности, экономической приемлемости, примененной и экологической безопасности [124], а также технологической реализуемости систем очистки ТСОЖ. В качестве основополагающего метода очистки рассматривается электромагнитная сепарация.

Метод ФСА объединяет в единый комплекс технику и экономику [75], оптимизируя соотношение цена - качество, он применяется с учетом времени функционирования объекта исследования на протяжении всего жизненного цикла (ЖЦ). ФСА используется как способ исследования объекта сепаратора, направленный на уменьшение стоимости на всех стадиях ЖЦ сепаратора при повышении его качества и полезности.

Предметом и задачами ФСА является исследование закономерностей формирования функционально необходимых затрат и использование этих закономерностей для необходимого уровня качества свойств объекта проектирования. С помощью ФСА решена задача достижения оптимального соотношения между потребительской стоимостью и затратами. Благодаря этому создаются предпосылки для снижения технологической себестоимости очистки ТСОЖ и качества очистки, снижение эксплуатационных расходов, трудоемкости и эргономичности процесса, а также повышается производительность очистки.

Построение функционально-стоимостной модели происходит путем соединения функциональной модели (ФМ) и структурной модели (СМ) объекта.

Оценка значимости функции осуществляется последовательно по ступеням ФМ (сверху вниз), начиная с головного. Для внешних функций объекта при оценке их ценности первоочередным является распределение условий потребителей (показателей качества, параметров, свойств) по ценности (важности).

Нормативным требованием для функции является следующее:

¿Т = 1 (5.1)

1=1

где Ту - ценность )ой функции, принадлежащей данной ¡й ступени ФМ (определяется консультационным путем);

) = 1,2,...,п;

п - число функций, расположенных на одной ступени ФМ и относящихся к общему объекту вышестоящего уровня.

Учитывая двухуровневую структуру функциональной модели, наряду с оценкой значимости функций находим относительную важность функций Я, которая определяет роль ¡-й функции)-го уровня в работе всей системы:

Щ = П-г), (5.2)

где О - количество уровней функциональной модели.

Определение качества исполнения функций базового варианта. Качество функционирования - величина относительная, основанная на сравнении совокупности количественно выраженных свойств изделия с соответствующими значениями, взятыми за базу.

Совокупный показатель качества исполнения функций определяется по формуле:

а,- р, (5.3)

где вп - относительная значимость п-го потребительского свойства;

Рпу - степень удовлетворения п-го свойства в у-м исполнении; т - количество свойств. Определение функционально необходимых затрат базового варианта. Одним из ведущих принципов ФСА является экономический подход, который предусматривает обязательный учет и минимизацию затрат на всех этапах ЖЦ объекта проектирования. Для того, чтобы решить эту задачу, необходимо:

- определить все виды затрат, которые возникают на каждой фазе ЖЦ изделия;

- выделить факторы, влияющие на эти затраты;

- установить состав функционально необходимых затрат и методы их обеспечения.

Каждая стадия ЖЦ изделия сопровождается дополнительными затратами, отдача от которых появляется значительно позже. На стадии проектирования и изготовления изделия возникают капитальные (единовременные) затраты и текущие расходы. На стадии использования изделия возникают эксплуатационные затраты, трудозатраты, энергозатраты и т.д.

Каждая стадия ЖЦ изделия вносит свой вклад в функциональные затраты изделия, для определения которых важно учитывать особенности функционирования различных элементов системы, а также особенности их функциональных возможностей и степени функционального износа.

Абсолютная цена реализации функций Бабс определяется по формуле:

^абс = $изг + $экспл + ^тр + ^эн + ^проч , (5.4)

где 8изг - затраты на приобретение материального носителя функции. В состав этих затрат входят затраты на проектирование, реконструкцию, пробно-пусковые работы, обучение технических работников; 8экспл - эксплуатационные затраты;

Бтр - затраты, связанные с трудоемкостью реализации функции;

8эн - энергозатраты на реализацию функции;

8проч - сопутствующие затраты на реализацию функции.

Относительная стоимость реализации функций 8отнР определяется по формуле:

где £8абс - суммарная абсолютная стоимость функционирования объекта, которая определяется путем суммирования значений абсолютных стоимостей реализации функций;

8абсру - абсолютная стоимость реализации)й функции ¡го уровня ФМ.

Практикой ФСА выработаны разнообразные методы и приемы определения стоимостных характеристик объекта. В данном случае использовался метод оценки себестоимости на основе математических моделей, которые предусматривают использование заранее установленных (путем математической обработки статистических данных) моделей зависимостей себестоимости от различных характеристик изделия. Затраты на изготовление нового изделия определяют подстановкой конкретных значений параметров нового изделия в формулу математической модели.

Обычно используются модели в виде корреляционных зависимостей. Корреляционную зависимость между себестоимостью и каким-либо параметром изделия можно выразить либо в виде линейного уравнения, либо в виде показательной функции (при криволинейной форме корреляционного поля):

где у - себестоимость;

х{ - учитываемый параметр;

а0, а - постоянные, отражающие влияние учитываемого параметра на себестоимость.

(5.5)

у = а0 + а -

7'

(5.6)

5.1.1 Построение модели базового варианта

В качестве базового варианта рассматривается установка для мокрой сепарации УМС-3М, предназначенная для удаления металломагнитных включений из жидких сред (рисунок 5.1).

Рисунок 5.1 - Структурная модель базового варианта

Формируем функциональную модель базового варианта очистки ТСОЖ (рисунок 5.2).

- обеспечение геометрической неизменяемости системы очистки; Б2 - формирование потока очищаемой среды; Б3 - создание объемного магнитного

поля; 131 - создание магнитного потока; 132 - создание ЭДС индукции; 133 - повышение напряженности электромагнитного поля; - регулирование угла наклона движения ТСОЖ; Б5 - создание неоднородного электромагнитного поля Рисунок 5.2 - Функциональная модель базового варианта очистки ТСОЖ

На основании структурной и функциональной моделей строим совместную модель базового варианта (таблица 5.1).

Таблица 5.1 - Функционально-стоимостная модель базового варианта УМС-3М

Индекс функции Наименование функции Материальный носитель функции Значимость функции, г Относительная важность функции, Я Качество исполнения функции, Q Абсолютная стоимость реализации функции, §абс Относительная стоимость реализации функции, 8отн