Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ СПОСОБА ФОРМИРОВАНИЯ ДИСПЕРГИРУЮЩИХ НАГРУЗОК В ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ МЕХАНОАКТИВАТОРАХ

Беззубцева М.М. 1 Волков В.С. 1 Обухов К.Н. 1 Котов А.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»
В статье представлены результаты теоретических исследований способа формирования силовых контактов в магнитоожиженном слое ферротел с оценкой энергетических затрат, необходимых для энергоэффективного диспергирования материала в электромагнитных механоактиваторах (ЭММА). Обосновано, что процесс измельчения осуществляется в результате взаимодействия намагничиваемых размольных элементов сферической формы в постоянном по знаку и регулируемом по величине электромагнитном поле. При этом разрушение частиц продукта происходит за счет их сдавливания и истирания между шарами, а также в результате ударного воздействия шаров в процессе работы устройства. Множество факторов, которыми в слое ферромагнитных размольных элементов можно воздействовать на продукт в нужном направлении, требует прежде всего знания физической сущности происходящих в рабочих объемах ЭММА явлений и основных их закономерностей. Сложные физико-механические процессы, имеющие место в слое ферромагнитных размольных элементов, недостаточно изучены, хотя способ уже нашел применение в различных отраслях промышленности. В статье обобщены результаты, полученные в области исследований энергетических закономерностей формирования ударно-истирающих нагрузок в рабочих объемах аппаратов с магнитоожиженным слоем размольных ферромагнитных элементов.
магнитоожиженный слой
диспергирующее усилие
энергетика процесса
магнитное поле
размольные элементы
1. Беззубцева М.М. Исследование процесса измельчения какао бобов в электромагнитных механоактиваторах // Успехи современного естествознания. – 2014. – № 3. – С. 171.
2. Беззубцева М.М. Исследование процесса диспергирования продуктов шоколадного производства с использованием электромагнитного способа механоактивации // Международный журнал экспериментального образования. – 2014. – № 5–2. – С. 78–79.
3. Беззубцева М.М., Волков В.С. Обеспечение условий управления процессом измельчения продуктов в электромагнитных механоактиваторах (ЭММА) // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2012. – № 7. – С. 93–94.
4. Беззубцева М.М., Волков В.С. Рекомендации по проектированию электромагнитных механоактиваторов // Международный журнал экспериментального образования. – 2014. – № 5–2. – С. 128–129.
5. Беззубцева М.М., Волков В.С. К вопросу расчета энергетики рабочего процесса в электромагнитных механоактиваторах (ЭММА) // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2012. – № 7. – С. 129–130.
6. Беззубцева М.М., Волков В.С. Исследование физико-механических процессов в магнитоожиженном слое феррочастиц // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 1–1. – С. 13–17.
7. Беззубцева М.М., Волков В.С. Исследование физико-механических процессов в дисковом электромагнитном механоактиваторе (ЭДМА) // Международный журнал экспериментального образования. – 2012. – № 12–1. – С. 116.
8. Беззубцева М.М., Волков В.С. Механоактиваторы агропромышленного комплекса. Анализ, инновации, изобретения // Успехи современного естествознания. – 2014. – № 5–1. – С. 182.
9. Беззубцева М.М., Волков В.С., Прибытков П.С. Энергетика электромеханических процессов переработки сельскохозяйственной продукции // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. – 2007. – № 5. – С. 183–184.
10. Беззубцева М.М., Волков В.С., Котов А.В., Обухов К.Н. Определение сил и моментов, действующих на систему ферромагнитных размольных элементов цилиндрической формы в магнитоожиженном слое рабочего объема электромагнитных механоактиваторов // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 11–3. – С. 504–508.
11. Беззубцева М.М., Ружьев В.А., Волков В.С. Теоретические исследования деформированного магнитного поля в рабочем объеме электромагнитных механоактиваторов с магнитоожиженным слоем размольных элементов цилиндрической формы // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 6–4. – С. 689–693.
12. Беззубцева М.М., Ружьев В.А., Загаевски Н.Н. Формирование диспергирующих нагрузок в магнитоожиженном слое электромагнитных механоактиваторов // Современные наукоёмкие технологии. – 2014. – № 10. – С. 78–80.
13. Пуговкин П.Р., Беззубцева М.М. Модель образования сцепляющего усилия в ЭПМ // Известия высших учебных заведений // Электромеханика. – 1987. – № 10. – С. 91.
14. Bezzubceva M.M., Ruzhyev V.A., Yuldashev R.Z. Electromagnetic mechanoactivation of dry construction mixes. International Journal оf Applied And Fundamental Research. – 2013. – № 2 – URL: www.science-sd.com/455-24165 (16.11.2013).

Диспергирующее усилие в электромагнитных механоактиваторах (ЭММА) формируется при силовом взаимодействии рабочих органов аппарата в магнитоожиженном слое, создаваемом в объеме обработкb материала под действием электромагнитных и механических сил
[6, 10, 11, 13, 14]. При прохождении через элементы ЭММА магнитного потока размольные тела организуются в различные структурные построения и создают магнитоожиженный слой, сцепляющий поверхности, ограничивающие объем обработки продукта [7, 9, 12]. При относительном смещении поверхностей структурные построения разрушаются. При этом мелющим телам сообщается кинетическая энергия движения в рабочем объеме аппарата. Процесс целенаправленной переориентации размольных элементов в структурных группах сопровождается созданием многоточечных контактных взаимодействий между ферроэлементами и частицами обрабатываемого продукта. Силовое воздействие проявляется как в виде усилий сжатия, так и ударно-истирающих нагрузок [1, 2, 3, 8]. Физико-математическое моделирование процесса формирования диспергирующих ударно-истирающих нагрузок между размольными ферроэлементами через прослойку перерабатываемого материала и анализ моделей априори способствует проектированию энергоэффективных ЭММА различного целевого назначения [4, 5].

Целью данной работы является теоретическое обоснование способа формирования ударно-истирающих нагрузок в магнитоожиженном слое ферротел ЭММА с разработкой физико-математической модели расчета энергетических затрат на ударное разрушение и статическое сжатие частиц обрабатываемого продукта.

Материалы и методы исследований

Предметом исследований является энергетика рабочего процесса формирования ударно-истирающих нагрузок в магнитоожиженном слое сферических размольных элементов ЭММА.

Результаты исследования
и их обсуждение

Фундаментальная теория, положенная в основу математического моделирования величины силовых контактов между ферромагнитными элементами в фазах рабочего процесса (формирование, разрушение структурных групп из ферроэлементов, образование «слоя скольжения»), построена на развитии дипольной модели Максвелла [5, 7, 12, 14]. Исследовав и установив количественные параметры энергетического процесса, происходящего с одной структурной группой из феррошаров, и умножив полученный результат на количество структурных групп в объеме обработки продукта, можно определить энергетику всего рабочего процесса формирования диспергирующих нагрузок в ЭММА. При расчетах число цепочек из ферромагнитных размольных элементов определяем по формуле bezzub02.wmf (здесь NШ – количество размольных элементов сферической формы в рабочем объеме ЭММА; d – диаметр размольного элемента; h0 – расстояние от статора до ротора). При разработке линейной теории были сделаны следующие предположения: силы Fr и моменты Mv, действующие на намагничиваемый размольный элемент в рабочем объеме ЭММА, определены на основании развития дипольной модели Максвелла; диаметры размольных элементов много меньше ширины рабочего объема (d << h0) и много больше частиц обрабатываемого материала (d ˃˃ rч); cтруктурные группы из размольных элементов до момента их разрушения при достижении критического угла наклона структурной группы из феррошаров νкр при переходе в фазу образования «слоя скольжения» не взаимодействуют между собой.

С учетом исходного размера частиц rч силы Fr и моменты Mv, действующие на размольные элементы радиусом R0 в магнитном поле с напряженностью Н в рабочем объеме ЭММА, определены равенствами [1, 2, 5]:

bezzub03.wmf (1)

bezzub04.wmf (2)

Численное интегрирование дает следующие искомые выражения:

bezzub05.wmf (3)

bezzub06.wmf (4)

В формулах (3) и (4) сохранены только линейные относительно
rч/Ro члены [1]. Критический угол νкр, при котором притяжение шаров сменяется их отталкиванием, определен
по формуле

bezzub07.wmf (5)

Половина всех размольных элементов сжимается в структурной группе с силой Frmax. Работа, которую совершает эта сила, вычислена по формуле

bezzub08.wmf (6)

 

pic_1.wmf

Рис. 1. Деформация структурной группы из размольных элементов в ЭММА.
Неравновесная структурная группа

Как это следует из рис. 2, на горизонтальных участках СА, ВД, ЕГ и т.д. сила сжатия максимальна. Формула для ее определения при νкр = 0 имеет вид

bezzub09.wmf. (7)

Интегрирование формулы (3) с учетом равенства (7) дает

bezzub10.wmf (8)

 

pic_2.wmf

Рис. 2. Деформация структурной группы из размольных элементов в ЭММА.
Равновесная структурная группа

На участках АБ, ДЕ и т.д. угол наклона изменяется от 0 до νкр. Поэтому на этих участках сила притяжения шаров также меняется. Для простоты учета работы силы сжатия на этих участках принимаем некоторую среднюю силу, действующую на этих участках и соответствующую значению угла νкр:

bezzub11.wmf (9)

Соответствующая этой силе работа определена формулой

bezzub12.wmf (10)

Таким образом, работа, затрачиваемая на измельчение продукта от исходного размера зерна rч1 до конечного размера rч2 статическим сжатием между шарами, равна: Асж = А1 + А2. При разрушении структурной группы из феррошаров вся затраченная работа на изменение угла ν переходит в кинетическую энергию, которая расходуется на ударное разрушение продукта. Вращение объектов АВ, ДЕ и т.д. осуществляется за счет приложенного к ним момента Mν, который вычисляется по формуле (4). В этой формуле можно пренебречь отношением rч­/R0 по сравнению с единицей:

M(ν) = F(ν)2R0 sin ν – Mν(ν). (11)

Работа, затраченная на поворот Nоб­/2 объектов типа АВ на угол от 0 до π/6, определена равенством

bezzub13.wmf (12)

Окончательная формула для вычисления работы ударного разрушения продукта имеет следующий вид:

bezzub14.wmf (13)

Заключение

Физико-математическое моделирование процесса формирования диспергирующих ударно-истирающих нагрузок между размольными ферроэлементами в структурных группах через прослойку перерабатываемого материала и анализ моделей способствует повышению энергоэффективности проектируемых ЭММА различного целевого назначения.

Рецензенты:

Салова Т.Ю., д.т.н., профессор кафед­ры «Энергообеспечение предприятий» ИТССЭ, руководитель ведущей научной и научно-педагогической школы СПб «Системы, узлы и агрегаты двигателей»,
г. Санкт-Петербург;

Карпов В.Н., д.т.н., профессор кафедры «Энергообеспечение предприятий и электротехнологии» СПбГАУ, руководитель ведущей научной и научно-педагогической школы СПб «Эффективное использование энергии», г. Санкт-Петербург.

Работа поступила в редакцию 19.12.2014.


Библиографическая ссылка

Беззубцева М.М., Волков В.С., Обухов К.Н., Котов А.В. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ СПОСОБА ФОРМИРОВАНИЯ ДИСПЕРГИРУЮЩИХ НАГРУЗОК В ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ МЕХАНОАКТИВАТОРАХ // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 12-6. – С. 1157-1161;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=36292 (дата обращения: 22.01.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074