ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Букреєв Віктор Володимирович

УДК 621.318

ВДОСКОНАЛЕННЯ СИСТЕМ З ПОСТІЙНИМИ МАГНІТАМИ ЗАЛІЗОВІДДІЛЬНИКІВ БАРАБАННОГО ТИПУ

Спеціальність 05.09.01 - Електричні машини і апарати

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк - 2000

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Східноукраїнському державному університеті Міністерства освіти і науки України, м. Луганськ

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Яковенко Валерій Володимирович, завідувач кафедри “Приладобудування і електротехніка” Східноукраїнського державного університету

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Загірняк Михайло Васильович, завідувач кафедри “Електромеханіка” Східноукраїнського державного університету

кандидат технічних наук, доцент

Есауленко Володимир Олександрович, доцент кафедри “Електромеханіка і теоретичні основи електротехніки” Донецького державного технічного університету

Провідна установа:

Харківський державний політехнічний університет, кафедра “Електричні апарати” Міністерства освіти і науки України, м. Харків

Захист відбудеться 2 листопада 2000 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К11.052.02 в Донецькому державному технічному університеті за адресою: Україна, 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 1 учбовий корпус, к. 201

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці ДонДТУ за адресою:

Україна, 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, корпус 2

Автореферат розісланий 30 вересня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

К11.052.02, к.т.н. Ларін А.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Застосування в магнітних системах залізовіддільників барабанного типу (ЗБТ) постійних магнітів спрощує конструкцію, підвищує надійність, зменшує енергоспоживання. Такі ЗБТ використовуються для сепарації матеріалів з конвейєрів невеликої продуктивності з невеликою товщиною шара матеріалів, що сепаруються. Виробництво ЗБТ з постійними магнітами в цей час не є серійним, оскільки специфіка сьогоднішнього стану економіки полягає в тому, що споживачеві потрібно ЗБТ “на замовлення”, на задану продуктивність і тип матеріалу, що сепарується. У залежності від того, який вигляд феромагнітних часток витягується з суміші і яка потрібна продуктивність ЗБТ, змінюються параметри магнітної системи і, відповідно, об'єм постійних магнітів, вартість яких визначає ціну всього ЗБТ. При зменшенні необхідної продуктивності можна при однакових геометричних розмірах барабана і всій конструкції ЗБТ коректувати об'єм постійних магнітів, що зменшує вартість виробу і навпаки, нарощуючи об'єм постійних магнітів можна збільшити продуктивність ЗБТ. Тому актуальним стає питання оперативного аналізу магнітних систем ЗБТ і оптимального вибору їх параметрів за критерієм мінімального об'єму постійних магнітів.

У той час, як для розрахунку і оптимального проектування залізовіддільників з електромагнітними джерелами поля проведений ряд теоретичних і експериментальних досліджень, магнітні системи з постійними магнітами розраховуються по вельми наближених напівемпіричних формулах, що не забезпечує їх ефективності.

Зараз відсутні методики раціонального розміщення постійних магнітів у поверхні барабана, що обертається, і оптимального вибору їх геометричних параметрів. Відсутність теоретичних і експериментальних досліджень в області аналізу і оптимізації ЗБТ призводить до перевитрати постійних магнітів, збільшує матеріалоємність магнітних систем. Якщо врахувати ту обставину, що постійно з'являються нові конструкції ЗБТ з постійними магнітами, питання створення методів аналізу магнітних систем з метою їх параметричної оптимізації є актуальною науково-технічною задачею, рішенню якої присвячена ця робота.

Мета досліджень. Метою даної роботи є вдосконалення магнітних систем ЗБТ з постійними магнітами на основі аналізу магнітних полів в робочій області, що дозволяє вибрати оптимальні параметри магнітних систем.

Ідея роботи заснована на здійсненні розробки такої методики вибору параметрів магнітної системи ЗБТ, яка забезпечила б мінімальний об'єм постійних магнітів при заданій продуктивності апарату.

Основні задачі досліджень:

1.

2.

3.

4.

5.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в Східноукраїнському державному університеті в рамках таких державних тем: “Дослідження магнітосепаруючих апаратів і контрольних систем металургійного виробництва” (ГН-22-97), “Магнітні прилади фазового аналізу сплавів заліза” (ГН-37-98), “Синтез електромагнітних систем електричних апаратів” (ГН-104-95).

Наукова новизна отриманих результатів полягає:

1. У розробці математичної моделі магнітного поля в магнітній системі залізовіддільника, яка на відміну від існуючих, являє собою поєднання інтегральних рівнянь і аналітичної залежності, що дозволяє розрахувати пондеромоторну силу в робочому зазорі ЗБТ з необхідної для оптимізації системи точністю.

2. У розробці методу чисельного рішення нелінійного векторного інтегрального рівняння ітераційним способом, шляхом почергового визначення поля в кожному елементарному об'ємі по внутрішньому і зовнішньому циклах, який на відміну від існуючих знижує вимоги до оперативної пам'яті ЕОМ, підвищує стійкість і точність рішення.

3. В отриманні спрощеної аналітичної залежності для пондеромоторної сили в робочому зазорі залізовіддільника як функції геометричних розмірів постійних магнітів і способу їх розміщення, які засновані на чисельному розрахунку поля і на відміну від існуючих враховують параметри петлі гістерезиса і дають можливість виконати оптимізацію магнітної системи з найменшими витратами машинного часу.

4.

5. У розробці і створенні експериментальної установки, яка на відміну від відомих дозволяє по всьому робочому об'єму залізовіддільника в одній і тій же точці виміряти пондеромоторну силу і складові магнітної індукції, що істотно поліпшує метрологічні характеристики вимірювальної установки і підвищує її продуктивність до рівня можливості її застосування при випробуванні промислових зразків залізовіддільників.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені методики, реалізовані у вигляді пакетів програм для оптимізації параметрів магнітних систем ЗБТ з постійними магнітами, що дозволяють оптимально вибирати кількість магнітних полюсів і їх геометричні розміри відповідно до заданої продуктивності ЗБТ. Розроблені методики і програми також дозволяють виконати розрахунок пондеромоторної сили, діючої на частки, що витягуються з суміші, що дає можливість проектувати магнітні системи ЗБТ з новими конструктивними рішеннями.

Обгрунтованість і вірогідність наукових висновків і рекомендацій. Достовірність результатів роботи забезпечується застосуванням теоретично обгрунтованих і перевірених практикою чисельних експериментів, методів розрахунку магнітного поля і пондеромоторної сили в робочій області ЗБТ, результатами експериментальних досліджень, виконаних за допомогою точної магнітометричної і тензометричної апаратури, порівнянням результатів розрахунків з науковими даними, отриманими іншими дослідниками.

Реалізація результатів роботи. Методика, запропонована в дисертаційній роботі, була використана при проектуванні дослідного зразка ЗБТ для сепарації сухого піску з металовключеннями лабораторією “Технічна електродинаміка” Східноукраїнського державного університету. Дослідний зразок ЗБТ пройшов випробування, показав експлуатаційну надійність і рекомендований для реалізації промисловим підприємствам Луганської області.

Запропоновані в роботі методи зниження материалоємності ЗБТ прийняті до включення в методику проектування і конструкторської розробки залізовіддільників ЗАТ “Луганський машинобудівний завод ім.А.Я. Пархоменка”.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи докладалися на міжнародній конференції “Неруйнуючий контроль в промисловості”, Білорусія 1999 р.; на симпозіумі “Наука Луганщини в контексті розвитку регіону”, м. Луганськ, 1999 р.; на 5-й міжнародній науково-технічній

конференції “Університет і регіон”, м. Луганськ, 1999 р.; на 6-й міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні технології, економіка і екологія в промисловості, на транспорті і в сільському господарстві”, м. Алушта, 1999 р.

Публікації. По темі дисертації опубліковані 11 друкарських робіт в провідних наукових журналах України.

Структура і об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, використаних джерел, додатків. Повний

зміст роботи викладений на 160 сторінках машинописного тексту, з них 51 ілюстрації 17 таблиць займають 24 сторінки, список використаних джерел в кількості 94 найменувань - 8 сторінок, 2 додатки - 22 сторінок.

Особистий внесок здобувача. Особисто автором поставлена задача наукових досліджень і сформульована задача створення розрахункових моделей для розрахунку пондеромоторної сили в робочій області магнітних систем ЗБТ, запропонована методика оптимізації геометричних параметрів полюсів, розроблена методика експеримента і підібрана необхідна апаратура експериментальної установки.

Спільно з співробітниками лабораторії “Технічна електродинаміка” СУДУ виконані роботи по проектуванню і розробці дослідного зразка ЗБТ з поліпшеними параметрами і проведені його дослідження.

Значно вплинув на вибір напряму досліджень к.т.н. Карташян В.О., якому автор вдячний за цінні ради при виконанні роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність роботи, сформульована мета і задачі досліджень і розробок, наведені наукова новизна і практичне значення отриманих результатів. Наведена загальна структура роботи.

У першому розділі наведено аналітичний огляд магнітних систем ЗБТ

з постійними магнітами (ПМ). Конструкція такого залізовіддільника схематично зображена на рис. 1. Принцип дії полягає в тому, що з вільно падаючої суміші 4, що сепарується витягуються феромагнітні частки, які під дією магнітної сили притягуються до барабана, що обертається 3 і утримуються на його поверхні до моменту відриву в зоні скидання, де вони попадають на лоток 5, і, рухаючись по ньому поступають в приймальний бункер. Магнітна система апарату складається з кронштейна 1, на якому закріплені постійні магніти 2. В розділі розглянуті магнітні системи і технічні характеристики як вітчизняних, так і зарубіжних ЗБТ. Встановлено, що як джерела магнітного поля в основному використаються

Рис. 1 Спрощена конструкція барабанного залізовіддільника.

1- кронштейн, 2-ПМ, 3-барабан, 4-сепаруєма суміш, 5-лоток

постійні магніти з високо орієнтованої ферріт-барієвої кераміки. Діаметри шківів ЗБТ знаходяться в діапазоні 160-500 мм. Аналіз світових тенденцій розвитку ЗБТ показує, що роботи по створенню і вдосконаленню цих апаратів направлені на підвищення ефективності витягання, зниження матеріалоємності за рахунок параметричної оптимізації магнітних систем. Початкові чинники різних виробництв не дозволяють уніфікувати застосування різних типів ЗБТ, що примушує виробників створювати обширні типорозмірні ряди сепараторів різних конструкцій і займатися новими розробками в цій галузі для мінімізації витрат споживача на придбання цих пристроїв.

Приведений огляд існуючих методів аналізу магнітних систем ЗБТ показує, що для їх аналізу в цей час існують напівемпіричні залежності, які отримані зі ступенем ідеалізації, що не дозволяє врахувати магнітні характеристики реальних постійних магнітів, не дають можливості оцінити топографію силового поля в робочому об'ємі магнітних систем і зробити їх параметричну оптимізацію. Всі математичні моделі поля в магнітних системах розроблені для плоскопаралельного поля, що робить їх непридатними для аналізу перехресно-полюсних магнітних систем.

Критичний огляд і аналіз чисельних методів розрахунку магнітних статичних полів, джерелом яких є постійні магніти, дає основу вважати, що в цей час розроблена достатня кількість методик і чисельних методів розрахунку полів, які з малим ступенем ідеалізації дозволяють не тільки отримати дані про характеристики силового поля в робочій області ЗБТ, але й зробити на їх основі параметричну оптимізацію.

Показано, що, оскільки магнітна система ЗБТ відноситься до відкритих систем, найбільш прийнятним є розрахунок поля шляхом рішення просторових і поверхневих інтегральних рівнянь.

Проаналізовані варіанти конструкцій магнітних систем, для яких доцільно розробити методику розрахунку і оптимізації, сформульовані задачі досліджень.

Другий розділ присвячений розробці математичних моделей і алгоритмів розрахунку, силового впливу на феромагнітну частку в робочій області ЗБТ. Вплив оцінюється приведеним значенням пондеромоторної сили

(1)

де Н модуль напруженості магнітного поля;

- магнітна сприйнятливість;

V - об'єм часток.

У відповідності з (1) розраховується модуль напруженості магнітного поля Н в робочій області магнітної системи ЗБТ.

Математична модель вектора намагніченості в об'ємі постійного магніта засновується на нелінійному векторному інтегральному рівнянні, яке зведене до наступної системи алгебраїчних рівнянь

(2)

где орти прямокутної системи координат, вектор намагніченості в j-ом елементарному об'ємі, i точка спостереження; ;

(3)

тут

.

Весь об'єм постійного магніта розбивається на N елементарних об'ємів, що являють собою паралелепіпеди.

До системи (2) додається співвідношення, яке зв'язує намагніченість і напруженість поля у другому квадранті петлі гістерезиса, яке апроксимується кусково-лінійною функцією. Система рівнянь (2) вирішується в припущенні про те, що в ізотропном магніті переважає одна складова намагніченості, направлена перпендикулярно верхній площині полюса.

Результат рішення дозволяє визначити нормальну складову на поверхні полюса і визначити її середнє значення. Відношення середнього значення намагніченісті до максимального її значення є метою розрахунку.

Оскільки постійний магніт знаходиться на основі з магнітного матеріалу, задача по розрахунку поля вирішується методом дзеркальних зображень.

Система рівнянь (2) вирішується ітераційним методом за наступним алгоритмом

, (4)

де величина коефіцієнта підбирається дослідним шляхом (=0,31,8), k номер ітерації, напруженість розмагнічуючого поля, вектор, співпадаючий у напрямі з , а його величина визначається по спинці петлі гістерезиса постійного магніта.

При розрахунку пондеромоторної сили в магнітній системі з перехресно-полюсним розташуванням постійних магнітів замість рівняння (2) вирішується система інтегральних рівнянь.

Після визначення намагніченості постійних магнітів, розраховується пондеромоторна сила для аксиально-полюсної системи в двовимірному просторі, для перехресно-полюсної - в тривимірному.

Математичні моделі приведеної пондеромоторної сили в тривимірному просторі являють собою аналітичну залежність вигляду

,

тут Mn середнє значення намагніченості постійних магнітів на їх звернених до барабана площинах, x, y, z аналітична залежність, яка для однієї координати представлена так

де

Для двовимірного простору

(6)

У кожній n-ій точці спостереження пондеромоторна сила підсумовується по шести площинах (рис. 2) k-го постійного магніта, а потім підсумовування проводиться по k полюсах, тобто радіальна складова приведеної сили в n-ій точці спостереження дорівнює

(7)

Рис. 2 Розташування площин k-го ПМ і його дзеркального зображення.

Для розрахунку магнітного поля в робочій області ЗБТ при наявності полюсів з магнітом’яких матеріалів, в припущенні того, що матеріал полюсів не насичується, пропонується модель, що являє собою лінійне інтегральне рівняння

(8)

тут P, Q точки джерел і спостереження,

напруженість магнітного поля, що створюється постійними магнітами.

Контур магнітної системи розбивається на N елементарних дільниць і інтегральне рівняння (8) зводиться до системи лінійних рівнянь

(9)

Рішення системи рівнянь (9) дає значення нормальної складової напруженості магнітного поля в центрі кожного елементарного відрізка.

У другому розділі також запропонована математична модель і алгоритм оптимізації параметрів магнітних систем.

Нехтуючи інерційністю феромагнітних часток, можна записати, що для того, щоб частка притягувалася до поверхні барабана через шар матеріалу, що сепарується товщиною h, необхідно, щоб середнє значення радіальної складової приведеної пондеромоторної сили задовільняло умові

(10)

де = 90150 1/с (в залежності від вигляду суміші, що сепарується);

Vg - швидкість рушення частки;

- щільність матеріалу частки;

- магнітна сприйнятливість матеріалу частки;

S довжина шляху прольоту феромагнітної частки у поверхні барабана.

Задачею оптимізації є визначення параметрів магнітної системи 2l, G, K (ширина, висота полюса і кількість полюсів) при яких виконана умова (10) і об'єм постійних магнітів тут L довжина полюса.

Як метод оптимізації вибраний алгоритм покоординатного спуску.

У третьому розділі наведені результати чисельних експериментів. Чисельні експерименти здійснювалися для наведених геометричних параметрів магнітної системи. Як нормуюча величина вибраний радіус R1 кола, на якому розташовуються основи постійних магнітів (див. рис. 2). Ширина полюса 2l визначалася за формулою

де коефіцієнт (0< 1), k кут між полюсами магнітної системи.

Величина середнього значення радіальної складової пондеромоторної сили в робочому секторі 0 визначалася за формулою

(11)

Для оцінки нерівномірності поля по колу барабана в робочому секторі 0 вводилося середньоквадратичне відхилення сили від середнього значення:

(12)

Розрахунки показують, що перехресно-полюсна система розташування магнітів має більш велику намагніченість на поверхні полюсів, що є перевагою таких систем. Крім того, ця система має підвищений градієнт модуля напруженості поля.

На рис. 3 показаний розподіл радіальної складової сили по колу барабана на відстані h від його поверхні. Графіки, наведені на рисунку, вказують на те, що радіальна сила розподілена нерівномірно. Шляхом чисельних експериментів встановлено, що нерівномірність зростає із зменшенням числа полюсів в робочому секторі 0=901100. При k=3 виходить найбільш рівномірний розподіл магнітної сили, але її максимальне значення в 3-3,5 рази менше ніж при k=2.

Залежність середнього значення пондеромоторної сили від h показана на рис. 4. З графіків, показаних на цьому рисунку, видно, що при малих значеннях h (h<0,12) середнє значення сили має найбільше значення при k=3. Із збільшенням h вважаючи за краще треба віддати магнітній системі з k=1; 2. Шляхом розрахунків також встановлено, що із збільшенням висоти полюса середнє значення Tср дещо зростає. Тут позначається два протилежно діючих чинника: з одного боку, при збільшенні G збільшується намагніченість полюса, що веде до збільшення напруженості поля, з іншого боку, збільшується повітряний зазор між полюсами, що знижує інтенсивність поля. Зі збільшенням ширини полюса (параметр ) середнє значення пондеромоторної сили росте приблизно лінійно, параметрично залежачи від G і h; характер цієї залежності встановлений шляхом чисельних експериментів.

Встановлено, що доцільно чергувати полярність магнітних полюсів по довжині утворюючій циліндра (перехресно-полюсна система) оскільки середнє значення магнітної сили по всій площі барабана зростає в 1,2 - 1,24 рази.

Амплітудне значення сили в місцях стиків постійних магнітів збільшується в 1,6-1,7 рази.

Рис. 3. Характер розподілу пондеромоторної сили

по колу над барабаном.

Рис. 4. Залежність середнього значення пондеромоторної сили від параметра h при k=1, 2, 3.

Шляхом планування експерименту отримана аналітична залежність наведеного значення середньої сили від параметрів h, , G в інтервалі варіювання. Наприклад, для k=2.

тут

Розрахунки показують, що введення додаткового полюса з магнітом’якого матеріалу знижує середнє значення магнітної сили в 1,6-1,7 рази, в порівнянні з магнітною системою, повністю виконаною з постійних магнітів. Тому введення полюсів, виконаних з магнітом’яких матеріалів, доцільне тільки при малих значеннях h і (h < 0,05; < 100), оскільки при цьому зберігається рівень силового поля і меншає об'єм постійних магнітів.

Теоретичні дослідження ефективності введення в магнітну систему виступу на поверхні полюса (величина R, див. рис. 2) показав, що збільшення середнього значення пондеромоторної сили (6-7 %) відбувається за рахунок наближення поверхні полюса до поверхні барабана, а не за рахунок збільшення неоднородності поля. Однак ускладнення технології виготовлення полюсів з нерівною поверхнею не виправдовується деяким збільшенням пондеромоторної сили.

Оптимізація магнітної системи здійснюється методом Хука-Джівса. Критерієм оптимальності є мінімальний об'єм постійних магнітів при наступних обмеженнях: ТRср > ТRср min; 01; G = 0,5R1, величина h визначає радіус кола R1, на якому розміщуються полюси, k приймає фіксовані значення .

На основі наведених теоретичних досліджень розроблена методика проектування магнітних систем ЗБТ. По заданим споживачем значенням продуктивності А і фізичним властивостям середовища, що сепарується (, ) знаходяться конструктивні параметри системи і оптимальне значення об'єму постійних магнітів.

Результати теоретичних розрахунків величини середнього значення пондеромоторної сили порівнювалися для різних величин h і k з результатами, отриманими по формулах, запропонованих Деркачем В.Г. Дані для порівняння, наведені в таблиці 2, в якій також показані результати експеримента.

З даних, наведених в таблиці 2 видно, що якісно є хороший збіг результатів теоретичних розрахунків і розрахунків по полуемпіричним формулам, запропонованих Деркачем В.Г. Але при порівнянні з експериментальними даними видно, що похибка розрахунку, проведеного автором дисертаційної роботи, менша. Дані, отримані теоретичним шляхом при оптимізації параметрів магнітної системи також не суперечать результатам попередніх досліджень, однак, в порівнянні з відомими, нові результати менш ідеалізовані, оскільки враховують геометричні параметри постійних магнітів і їх реальні магнітні характеристики, на основі чого зроблений розрахунок напруженості поля в робочій області ЗБТ і пондеромоторної сили, діючій на феромагнітні частки, що витягуються.

Таблиця 2.

Наведене значення середньої сили

як функція відстані до поверхні полюса

h | 0,05 | 0,1 | 0,15 | 02 | 0,25

Тпр. . По формулі Деркача В.Г.

k = 3 | 13,84 | 7,26 | 4,04 | 2,25 | 1,25

Тпр. Розрахункове
k = 3 | 12,8 | 5,78 | 3,61 | 1,8 | 0,95

Експеримент | 12,1 | 5,46 | 3,88 | 1,91 | 1,06

Тпр. По формулі Деркача В.Г.
k = 2 | 10,37 | 7,1 | 4,85 | 3,32 | 2,27

Тпр. Розрахункове
k = 2 | 14,8 | 7,8 | 3,87 | 2,9 | 1,76

Експеримент | 14,28 | 7,67 | 4,04 | 3,10 | 1,85

Четвертий розділ присвячений експериментальним дослідженням магнітних систем. Експериментальна установка являла собою макет магнітної системи ЗБТ, забезпечений механічним пристроєм для переміщення вимірювальних перетворювачів, а також вимірювальної апаратури. Один вимірювальний канал мав як вимірювальний перетворювач давач Холу і служив для вимірювання напруженості магнітного поля. Другий канал призначався для безпосереднього вимірювання пондеромоторної сили, діючої на феромагнітну частку шаровидної форми. Ця частка вміщувалася в чашечку, яка, в свою чергу, кріпилася на пружний елемент з наклеєним на нього тензорезистором. Основна погрішність вимірювання пондеромоторної сили оцінювалася величиною 2,8-3,8 %. Конструкція експериментальної установки дозволяла вимірювати пондеромоторну силу у всьому діапазоні кута 0. Погрішність вимірювання магнітного поля оцінювалася величиною 4,4 %.

Розходження теоретично і експериментально отриманих результатів не перевищує 6,8 %. Розходження експериментальних даних з даними, отриманими теоретичним шляхом, пояснюється передусім кінцевими розмірами феромагнітної кульки (діаметр 8 мм), яка вимірювала силу не в точці, а в деякому об'ємі.

Експериментально отримані залежність середнього значення пондеромоторної сили від параметрів k, h, G и . Ця залежність апроксимована багаточленами.

На основі теоретичних розробок і експериментальних досліджень в лабораторії “Технічна електродинаміка” Східноукраїнського державного університету був спроектований і виготовлений ЗБТ з наступними параметрами R1 = 0,2м, G = 0,08м, k = 3, 2l = 0,11м, L = 0,5м, h = 0,03м, швидкість обертання барабана 175 об/хв, швидкість рушення суміші, що сепарується 3,8 м/с, = 100 1/с.

Працездатність залізовіддільника перевірялася пропущенням через робочу камеру сухого піску з різною концентрацією металовключень в ньому. Геометричні розміри феромагнітних часток, що витягуються знаходилися в межах 0,1-5 мм. Випробування показали, що дослідний зразок ЗБТ, розрахований за розробленою методикою, витягує 90,75-95,5 % феромагнітний часток з матеріалу, що сепарується.

У додатку наведені програми розрахунку і оптимізації магнітних систем ЗБТ.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ ПО ДИСЕРТАЦІЇ

Відповідно до основних тенденцій в сучасній економіці виконання виробів на замовлення споживача одиничними примірниками або малими партіями розроблена ідеологія і реалізована у вигляді методик розрахунку і оптимізації параметрів магнітних систем з постійними магнітами залізовіддільників барабанного типу, за критерієм мінімального об'єму магнітів при заданих продуктивності апарату і фізичних властивостях середовища, що сепарується.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11. Букреев В.В., Быбко Е.И., Криеренко А.Г. Математическая модель системы с магнитами из редкоземельных материалов // Вісник Східноукраїнського державного університету. 1999. №3. С.63-66.

Особистий внесок автора в публікації: в [1] розроблена схема вимірювального пристрою і методика вимірювання постійних магнітних полів в області, кордоном яким є феромагнітний матеріал; в [2] розроблена математична модель магнітного поля на основі інтегрального рівняння; в [3] розроблена методика вимірювання магнітного поля в робочій області дослідження; в [4] розроблена математична модель магнітного поля постійних магнітів; в [6] запропонований первинний вимірювальний перетворювач магнітного поля і зроблена оцінка хибки експеримента; в [7] зроблений чисельний розрахунок магнітного поля в сепараторові; в [8] виконана оптимізація параметрів магнітної системи; в [9] зроблений розрахунок магнітного поля постійних магнітів; в [10] створений метод вибору оптимальних розмірів постійних магнітів; в [11] запропонована математична модель і виконано розрахунок магнітного поля у відкритій області системи.

АНОТАЦІЯ

Букреєв В.В. – Удосконалення систем з постійними магнітами залізовідділювачив барабанного типу. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 – електричні машини та апарати. – Донецький державний технічний університет, Донецьк, 2000.

Дисертація присвячена питанням оптимізації магнітних систем залізовіддільників барабанного типу з постійними магнітами за критерієм мінімального об’єму магнітів при завданих значеннях продуктивності апаратів та магнітних параметрах використаних магнітів. Розроблені математичні моделі пондеромоторної сили в робочому об’ємі систем, які уявляють собою аналітичні залежності, засновані на числовому рахунку магнітного поля в об’ємі постійних магнітів за допомогою нелінійних векторних інтегральних рівнянь. Запропонований метод числового рішення інтегральних рівнянь, який дозволяє скоротити об’єм оперативної пам’яті, зменшити час рахунку, підвищити стійкість і точність рішення. Оптимізація магнітних систем здійснюється методом покоординатного спуску при використанні аналітичних залежностей для середнього значення пондеромоторної сили в робочому об’ємі апаратів. Коректність результатів теоретичних досліджень підтверджена експериментальними дослідженнями, які були проведені на розробленой з цією метою установці. Виготовлений дослідний макет залізовіддільника дав можливість провести випробування процесу сепарації, які підтвердили працездатність апарату при мінімальному об’ємі постійних магнітів.

Ключеві слова: залізовіддільник, сепарація, магнітна система, постійний магніт, пондеромоторна сила, модель поля, оптимізація.

АННОТАЦИЯ

Букреев В.В. Совершенствование систем с постоянными магнитами железоотделителей барабанного типа - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 – электрические машины и аппараты. – Донецкий государственный технический университет. Донецк, 2000.

Диссертация посвящена совершенствованию железоотделителей барабанного типа на основе оптимизации их магнитных систем по критерию минимального объема постоянных магнитов при заданном потоке сепарируемого материала.

Решение этой задачи осуществляется путем разработки комплексной математической модели магнитного поля в рабочем зазоре магнитной системы позволяющей с учетом всех геометрических параметров системы и характеристик магнитов произвести расчет пондеромоторной силы с более высокой точностью, чем точность расчетов, выполненных по известным методикам. Малая погрешность расчета обеспечивает возможность при оптимизации геометрических параметров магнитных полюсов уменьшить их объем на относительную величину в 2 – 3 раза превышающую погрешность расчета.

Математическая модель магнитного поля в рабочем зазоре железоотделителей представляет собой аналитические зависимости, полученные на основе расчета поля вектора напряженности при заданной плотности распределения магнитных зарядов на поверхности магнитных полюсов. Плотность распределения простого слоя магнитного заряда определяется путем решения нелинейных векторных интегрированных управлений для односвязной и многосвязной областей в трехмерном пространстве. Предложен метод решения нелинейных интегральных уравнений, который представляет собой определение вектора намагниченности в каждом элементарном объеме, на которые разбивается область решения, итерационным способом. Определение вектора намагниченности производится по внутреннему и внешнему циклам. От известных предложенный метод отличается тем, что расчеты по внутреннему и внешнему циклу выполняется по одной и той же методике, что уменьшает объем оперативной памяти машины, сокращает время расчета, повышает устойчивость и точность решения.

В результате численных экспериментов определенно распределение пондеромоторной силы по окружности барабана, а также среднее значение силы в секторе расположения полюсов. Найдены параметры магнитной системы, оказывающие определяющее влияние на величину среднего значения силы, которые являются управляемыми при оптимизации.

Определено влияние на среднее значение силы дополнительных полюсов, выполненных из магнитомягкого материала, расположенных между активными полюсами.

Анализ распределения радиальной составляющей пондеромоторной силы произведен как для аксиальной, так и для перекрестно-полюсной системы.

Результаты моделирования магнитного поля позволяют рассчитать радиальную составляющую пондеромоторной силы в рабочем зазоре и произвести оптимизацию магнитной системы. Оптимизация производится методом покоординатного спуска, управляемыми параметрами являются геометрические размеры магнитных полюсов. В результате оптимизации минимизируется объем постоянных магнитов при заданном среднем значении пондеромоторной силы в рабочем зазоре, что является граничным условием. Граничными условиями являются также параметры петли гистерезиса постоянного магнита и радиус барабана железоотделителя.

Результаты оптимизации сведены в таблицу, позволяющую выбрать оптимальные размеры магнитных полюсов при различных значениях средней пондеромоторной силы.

Для проведения экспериментальных исследований разработана экспериментальная установка, дающая возможность измерить в одной точке одновременно составляющие напряженности магнитного поля и радиальную составляющую пондеромоторной силы. Результаты эксперимента подтверждают корректность математических моделей, а также тот факт, что результаты эксперимента имеют меньшее расхождение с данными, полученными теоретическим путем в диссертационной работе, чем с данными расчетов, выполненных по ранее существующим методикам.

Макет промышленного образца железоотделителя, спроектированного по результатам оптимизации магнитной системы при испытаниях показал необходимое качество сепарации.

Ключевые слова: железоотделитель, сепарация, магнитная система, постоянный магнит, пондеромоторная сила, модель поля, оптимизация.

ABSTRACT

Bukreyev V.V. The perfection in systems with constant magnets of drum type iron-separator. – Manuscript.

Thesis for a candidate’s of technical science degree by specialty 05.09.01 – electrical machines and apparatus. – The Donetsk State technical University, Donetsk, 2000.

Dissertation is devoted to questions of optimization of magnetic systems of drum type iron-separators with constant magnets according to the criterion of minimum volume of magnets in sizes set productivity apparatus and magnetic parameters of magnet usage. The mathematical models of magnetic force in working volume of systems are developed out. The mathematical models represented analytic dependence based on numerical calculation of magnetic field in volume of constant magnets by means of unlinear vector integral equations. The algorithm of numeric solution of

integral equations permitted to diminish the volume of operative memory and to cut down the calculation time. As offered the optimization of magnetic system is made by mean of coordinate lowering method with usage of analytical dependence for mean quantity of magnetic force in working apparatus volume. The correctness of theoretical research results is confirmed by experimental investigations made in the laboratory plant worked out for this purpose.

Experimental model of iron-separator has given an opportunity to conduct the test of separation process, which has confirmed the apparatus efficiency with minimum volume of constant magnets.

Key words: iron-separator, separation, magnetic system, the constant magnet, magnetic force, the model of the field, optimization.