Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,222

RESEARCH OF PHYSICO-MECHANICAL PROCESSES IN MAGNETIC LIQUEFIED LAYER OF FERROPARTICLES

Bezzubtseva M.M. 1 Volkov V.S. 1
1 St.-Peterburg agrarian university
В статье представлены результаты исследований эффективности работы аппаратов с магнитоожиженным слоем (электромагнитных механоактиваторов, электромагнитных приборов контроля загрязненности технологических сред металлосодержащими примесями, электромагнитных мешалок и т.д.). Рассмотрены физико-механические процессы в магнитоожиженном слое из феррочастиц сферической формы при формировании сцепляющего (или диспергирующего) усилия. В результате исследований движения ферромагнитных частиц сферической формы в постоянном электромагнитном поле при относительном смещении цилиндрических поверхностей рабочего объема аппаратов получена математическая модель, описывающая динамику рабочего процесса формирования сцепляющего (или диспергирующего) усилия. На основании анализа решений дифференциальных уравнений Лагранжа II рода, составленных с учетом физических аспектов создания силовых контактов в магнитоожиженном слое из ферротел, определены принципы конструктивного оформления аппаратов для электромагнитного измельчения, механической активации, перемешивания и контроля загрязненности технологических сред.
This article presents the results of researches detecting the effectiveness of work of apparatus with magnetic liquefied layer (electromagnetic mechanical activators, electromagnetic devices monitoring contamination by metal -containing impurities in technological environments, electromagnetic mixers etc.). There were considered physico – mechanical processes in magnetic liquefied layer containing metallic particles characterized by spherical form when forming concatenating (dispersing) force. We have researches concerning the motion of metallic particles characterized by spherical form within the permanent electromagnetic field when relative displacing of cylindrical surfaces of the apparatus working volume. As a result of aforecited researches is presented the mathematical model describing the dynamics of working process when forming concatenating (dispersing) force. The analysis of decisions Lagrange equations of the second kind (which were compiled based on the physical aspects of creation power contacts in magnetic liquefied layer containing of ferromagnetic solids) led to the defining principles of constructive design of devices electromagnetic grinding, mechanical activation, mixing, contamination control in technological environments.
magnetic liquefied layer
dispersing force
friction coefficient
angle of deformation
1. Bezzubceva M.M., Volkov V.S., Zubkov V.V. Issledovanie apparatov s magnitoozhizhennym sloem. Fundamental’nye issledovanija. 2013. no. 6–2. pp. 258–262.
2. Bezzubceva M.M. Jenergojeffektivnyj sposob jelektromagnitnoj mehanoaktivacii. Mezhdunarodnyj zhurnal jeksperimental’nogo obrazovanija. 2012. no. 5. pp. 92–93.
3. Bezzubceva M.M., Volkov V.S. Jelektromagnitnye meshalki. – Saarbrucken GmbH: Palmarium Academic Publishing, 2013. 141 р.
4. Bezzubceva M.M., Volkov V.S. Issledovanie jenergojeffektivnosti diskovogo jelektromagnitnogo mehanoaktivatora putem analiza kineticheskih i jenergeticheskih zakonomernostej. Fundamental’nye issledovanija. 2013. no. 10 (chast’ 9). pp. 1899–1903.
5. Bezzubceva M.M., Volkov V.S., Gubarev V.N. Sposob diagnostiki zagrjaznennosti tehnologicheskih sred ferroprimesjami. Mezhdunarodnyj zhurnal prikladnyh i fundamental’nyh issledovanij. 2014. no. 1. pp. 60–62.
6. Bezzubceva M.M., Volkov V.S. Aktivator dlja tonkogo izmel’chenija materialov. Innovacionnye tehnologii mehanizacii, avtomatizacii i tehnicheskogo obsluzhivanija v APK. Sbornik materialov Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj internet – konferencii. Orel: Orel GAU, 2008. pp. 122–126.
7. Bezzubceva M.M., Volkov V.S. Prikladnaja teorija sposoba jelektromagnitnoj mehanoaktivacii. Izvestija Mezhdunarodnoj akademii agrarnogo obrazovanija. 2013. no. 16. Tom 3. pp. 93–96.
8. Bezzubceva M.M., Mazin D.A., Zubkov V.V. Issledovanie kojefficienta obiemnogo zapolnenija ferromagnitnoj sostavljajushhej v apparatah s magnitoozhizhennym sloem. Izvestija Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2011. no. 23. Р. 371–376.
9. Bezzubceva M.M., Volkov V.S. Issledovanie rezhimov raboty jelektromagnitnyh mehanoaktivatorov. Uspehi sovremennogo estestvoznanija. 2012. no. 8. pp. 109–110.
10. Bezzubceva M.M., Volkov V.S. Teoreticheskie issledovanija jelektromagnitnogo sposoba mehanoaktivacii. Mezhdunarodnyj zhurnal prikladnyh i fundamental’nyh issledovanij. 2012. no. 5. Р. 72–74.

Сцепляющее (или диспергирующее) усилие в аппаратах с магнитоожиженным слоем ферротел (электромагнитных механоактиваторах, приборах контроля загрязненности технологических сред ферропримесями, электромагнитных мешалках и т.д.) [1, …, 6] создается с использованием двух потоков энергии: энергии постоянного по знаку и регулируемого по величине электромагнитного поля, а также энергии, поступающей от приводного электродвигателя. Использование двух потоков энергии позволяет осуществлять тонкое и надежное управление величиной силовых взаимодействий между ферромагнитными рабочими элементами в процессе их переориентации в структурных группах [7, 8, 9]. Множество факторов, которыми в магнитоожиженном слое ферротел можно воздействовать на продукт в нужном направлении, требует, прежде всего, знания физической сущности происходящих в рабочих объемах явлений и их основных закономерностей.

Цель работы ‒ исследование эффективности работы аппаратов с магнитоожиженным слоем на основании анализа динамики рабочего процесса деформации и разрушения структурной группы из ферромагнитных элементов сферической формы при формировании сцепляющего (или диспергирующего) усилия.

Материалs и методы исследований

Предметом исследований являются физико-механические процессы в магнитоожиженном слое феррочастиц сферической формы при формировании сцепляющего (или диспергирующего) усилия.

Результаты исследования и их обсуждение

При рассмотрении задачи о движении цепочки из металлических шаров в радиальном магнитном поле рабочих объемов аппаратов с магнитоожиженным слоем различного целевого назначения [1, …, 6] принимаем во внимание, что диаметр внутреннего вращающегося электрода R велик по сравнению с диаметром R0 размольных шаров. Эту задачу в первом приближении можно заменить задачей о движении структурной группы шаров в однородном поле (рис. 1). Ошибка от такой замены имеет порядок bezyb01.wmf.

Для описания движения цепочки шаров примем следующие обобщенные координаты: x – абсцисса центра 0-го шара; φ0 – угол поворота 0-го шара; νi – угол, который составляет линия, соединяющая центры i – 1 и i-го шаров с осью ординат; φi – угол поворота i – шара.

В задаче рассматривается n + 1 число шаров, причем, i-й и i + 1 (i = 0,…, n) касаются друг друга.

Условием разрыва цепочки шаров является достижение какого-либо угла ν значения ±νкр, которое определяется формулой [7, 9]

bezyb03.wmf (1)

где μ – магнитная проницаемость размольных шаров.

В этот момент сила давления между шарами обращается в ноль.

Момент инерции шара относительно оси, проходящей через его центр, равен:

bezyb04.wmf (2)

где m – масса шара.

pic_1.tif

Рис. 1. Схема движения структурных групп из ферромагнитных шаров в однородном магнитном поле

Из рис. 1 следует, что координаты к-го шара определяются уравнениями

bezyb05.wmf

bezyb06.wmf (3)

Скорость центра к-го шара νок с учетом уравнений (3) описывается следующим выражением:

bezyb07.wmf

или

bezyb08.wmf (4)

Таким образом, кинетическая энергия системы из к шаров определяется следующей рекурентной формулой:

bezyb09.wmf (5)

где ТК-1 – кинетическая энергия системы K – 1 шаров.

Для шара, расположенного в основании структурной группы, т.е. у поверхности стенки рабочего объема, кинетическая энергия Т0 равна:

bezyb10.wmf (6)

Для рассматриваемой системы выражение для элементарной работы δАК имеет вид:

bezyb11.wmf (7)

где δАК-1 – элементарная работа системы шаров к – 1; М(νк) и F(νк) – соответственно силы и момент сил взаимодействия однородного магнитного поля с системой шаров. Их значения определяются формулами 8 и 9 соответственно:

bezyb12.wmf (8)

bezyb13.wmf (9)

f – коэффициент трения 0-го шара о стенку рабочего объема;

bezyb14.wmf

Для составления уравнений движения структурной группы из феррошаров в рабочем объеме ЭММА воспользуемся уравнениями Лагранжа второго рода:

bezyb15.wmf (10)

где qi – обобщенные координаты; Qi – обобщенные силы.

Анализ уравнения Лагранжа второго рода для рассматриваемой задачи показывает, что уравнения распадаются на две группы. К первой группе относятся уравнения, в которые входят только переменные x, νi и их производные, а во вторую группу все остальные уравнения. Для решения поставленной задачи интерес представляют только уравнения первой группы. Эти уравнения можно получить, если в выражениях для кинетической энергии (5) и элементарной работы (6) и (7) положить все φi = 0.

Итак, рассмотрим цепочку, состоящую из двух шаров в однородном магнитном поле, и составим дифференциальные уравнения движения этой цепочки.

Для рассматриваемого случая из уравнений (5) и (7) получим:

bezyb16.wmf (11)

bezyb17.wmf (12)

где

bezyb18.wmf

bezyb19.wmf

Тогда уравнения Лагранжа второго рода примут следующий вид:

bezyb20.wmf

bezyb21.wmf

bezyb22.wmf

bezyb23.wmf

bezyb24.wmf

bezyb25.wmf

Отсюда дифференциальные уравнения движения цепочки определяются выражениями

bezyb26.wmf (13)

Исключая из уравнения (13) bezyb27.wmf, получим:

bezyb28.wmf (14)

Уравнение (14) можно представить в виде следующей системы:

bezyb29.wmf (15)

с начальными условиями v1(0) = 0 и v2(0) = 0.

Численное интегрирование системы (15) осуществлялось с использованием ПК с помощью метода Runge-cutt с постоянным выбором шага интегрирования. Из всего многообразия полученных данных для различных сочетаний входных параметров наибольший интерес представляют результаты, представленные на рис. 2.

Установлено, что решающее значение на процесс разрушения структурной комбинации из ферротел сферической формы оказывает параметр f = f0 (здесь f0 – коэффициент трения 0-го шара о стенку рабочей емкости).

При значениях f0 ˂ 0,8 линии, описывающие изменение угла деформации ν цепочки и критического угла ее наклона νкр, при котором сила взаимодействия между шарами равна 0, не пересекаются. То есть для данных условий деформации не достигается равенство ν = νкр, и цепочка из ферротел не подвергается разрушению. Визуальными наблюдениями на макетах аппаратов с магнитоожиженным слоем (с открытыми для наблюдений рабочими объемами) установлено, что «слой скольжения» в рассматриваемых случаях смещается в основания структурных построений и организуется между стенками рабочей емкости и смежными с ними шарами структуры.

pic_2.wmf

Рис. 2. Анализ деформации и разрушения структурной группы из ферромагнитных размольных элементов сферической формы в рабочем объеме аппаратов с магнитоожиженным слоем: 1 – f0 ˂ 0,8; 2 – f0 = 0,8; 3 – f0 > 0,8

Представленные на рис. 2 данные свидетельствуют, что при f ≥ 1 угол ν в процессе деформирования цепочки достигает своего критического значения ν = νкр, что обусловливает ее разрушение. Причем более динамичное разрушение осуществляется при больших значениях коэффициента трения между шарами, расположенными в основании структуры, со стенками рабочего объема исследуемых аппаратов с магнитоожиженным слоем.

Заключение

В результате исследований движения мелющих тел в постоянном по знаку электромагнитном поле при относительном смещении поверхностей рабочего объема получена математическая модель, описывающая динамику рабочего процесса формирования сцепляющего (или диспергирующего) усилия. На основании анализа решений дифференциальных уравнений Лагранжа II рода, составленных с учетом физических аспектов создания силовых контактов в слое ферротел, определены принципы конструктивного исполнения аппаратов. Из изложенного следует, что одним из основных условий эффективной работы аппаратов с магнитоожиженным слоем является создание устойчивых оснований структурных построений из феррочастиц. Это достигается за счет увеличения коэффициента трения f0 между внутренним электродом аппаратов и феррочастицами в основании структурных построений. Устройство ребер, рифлений и т.д. на смещающихся друг относительно друга поверхностях рабочего объема [2] обеспечивает жесткое сцепление оснований структурных групп с этими поверхностями и способствует организации «слоя скольжения» в средней части рабочего объема. Целенаправленная и регулируемая переориентация ферроэлементов в средней части магнитоожиженного слоя с образованием «слоя скольжения» обеспечивает заданные условиями производства силовые и энергетические условия проведения технологических процессов [3, 4, 9, 10].

Рецензенты:

Карпов В.Н., д.т.н., профессор Института технических систем, сервиса и энергетики, заслуженный деятель науки и образования России, г. Санкт-Петербург;

Ракутько С.А., д.т.н., профессор, заведующий лабораторией энергоэффективных электротехнологий, ГНУ СЗ НИИМЭСХ, г. Санкт-Петербург.

Работа поступила в редакцию 21.01.2014.