Помощь студентам в учебе
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ СЕПАРАТОРЫ НА ОСНОВЕ ЛИНЕЙНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ МАШИН ДЛЯ ОБРАБОТКИ МЕЛКИХ ФРАКЦИЙ ЛОМА ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1. ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ОБЪЕКТ И ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ 10
1.1. Технологические задачи, решаемые с помощью электродинамической сепарации 10
1.2. Варианты конструктивных исполнений сепараторов 17
1.3. Выводы по разделу 1 26
2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ МАШИН СО ВТОРИЧНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ МАЛЫХ РАЗМЕРОВ 27
2.1. Особенности рассматриваемых линейных индукционных машин 27
2.2. Выбор и совершенствование математических моделей ЛИМ с
ВЭ малых размеров 38
2.3. Расчет боковых электромагнитных усилий, действующих на се-парируемые частицы на краях активной зоны ЛИМ 50
2.4. Оценка боковых электромагнитных сил и сил отталкивания 61
2.5. Выводы по разделу 2 65
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО СЕПАРАТОРА КАК ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ 67
3.1. Трехзонная модель электродинамического сепаратора на основе
системы ЛИМ - наклонная плоскость 67
3.2. Пятизонная модель электродинамического сепаратора с учетом
дополнительных электромагнитных сил 75
3.3. Апробация методики расчета траекторий движения сепарируемых проводящих частиц 79
3.4. Выводы по разделу 3 84
4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СЕПАРАТОРОВ НА ОСНОВЕ ЛИНЕЙНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ МАШИН 86
4.1. Расчеты сепараторов для индукционной сортировки лома цветных металлов 86
4.1.1. Анализ факторов, влияющих на качество сортировки металлов 86
4.1.2. Повышение эффективности сепараторов для индукционной
сортировки лома цветных металлов 91
4.1.3. Оценка влияния на показатели сепаратора искажений формы и размеров ВЭ, а также ориентации их в бегущем магнитном поле 97
4.2. Оценка характеристик установок для сепарации электронного лома 99
4.3. Повышение эффективности сепарации за счет выбора рациональных параметров механической части установок 108
4.4. Выводы по разделу 4 114
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 116
5.1. Описание опытных установок электродинамической сепарации
и методик экспериментов 116
5.2. Результаты экспериментальных исследований электродинамических сепараторов 120
5.2.1. Измерение магнитных полей ЛИМ и оценка влияния неравномерности распределения поля на электромагнитные усилия.... 120
5.2.2. Влияние параметров наклонной плоскости сепаратора 123
5.2.3. Оценка влияния возможных искажений формы и размеров
сепарируемых частиц 125
5.3. Практическая реализация разработок 126
5.4. Выводы по разделу 5 133
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 134
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 138
ПРИЛОЖЕНИЕ 149
1. ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ОБЪЕКТ И ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ 10
1.1. Технологические задачи, решаемые с помощью электродинамической сепарации 10
1.2. Варианты конструктивных исполнений сепараторов 17
1.3. Выводы по разделу 1 26
2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ МАШИН СО ВТОРИЧНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ МАЛЫХ РАЗМЕРОВ 27
2.1. Особенности рассматриваемых линейных индукционных машин 27
2.2. Выбор и совершенствование математических моделей ЛИМ с
ВЭ малых размеров 38
2.3. Расчет боковых электромагнитных усилий, действующих на се-парируемые частицы на краях активной зоны ЛИМ 50
2.4. Оценка боковых электромагнитных сил и сил отталкивания 61
2.5. Выводы по разделу 2 65
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО СЕПАРАТОРА КАК ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ 67
3.1. Трехзонная модель электродинамического сепаратора на основе
системы ЛИМ - наклонная плоскость 67
3.2. Пятизонная модель электродинамического сепаратора с учетом
дополнительных электромагнитных сил 75
3.3. Апробация методики расчета траекторий движения сепарируемых проводящих частиц 79
3.4. Выводы по разделу 3 84
4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СЕПАРАТОРОВ НА ОСНОВЕ ЛИНЕЙНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ МАШИН 86
4.1. Расчеты сепараторов для индукционной сортировки лома цветных металлов 86
4.1.1. Анализ факторов, влияющих на качество сортировки металлов 86
4.1.2. Повышение эффективности сепараторов для индукционной
сортировки лома цветных металлов 91
4.1.3. Оценка влияния на показатели сепаратора искажений формы и размеров ВЭ, а также ориентации их в бегущем магнитном поле 97
4.2. Оценка характеристик установок для сепарации электронного лома 99
4.3. Повышение эффективности сепарации за счет выбора рациональных параметров механической части установок 108
4.4. Выводы по разделу 4 114
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 116
5.1. Описание опытных установок электродинамической сепарации
и методик экспериментов 116
5.2. Результаты экспериментальных исследований электродинамических сепараторов 120
5.2.1. Измерение магнитных полей ЛИМ и оценка влияния неравномерности распределения поля на электромагнитные усилия.... 120
5.2.2. Влияние параметров наклонной плоскости сепаратора 123
5.2.3. Оценка влияния возможных искажений формы и размеров
сепарируемых частиц 125
5.3. Практическая реализация разработок 126
5.4. Выводы по разделу 5 133
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 134
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 138
ПРИЛОЖЕНИЕ 149
Актуальность избранной темы. Одним из эффективных применений линейных индукционных машин (ЛИМ) является использование их в качестве основы электродинамических сепараторов, находящих применение при решении целого ряда технологических задач, связанных со сбором и обработкой вторичных цветных металлов. Как показано в [1-9], электродинамические сепараторы с бегущим магнитным полем успешно применяются для извлечения цветных металлов (прежде всего, алюминия и меди) из различных видов отходов производства и потребления (кабельный и автомобильный лом, отходы электро- и радиотехнической промышленности, отработанные формовочные пески литейного производства, твердые бытовые отходы и т.п.). При использовании такой сепарации решается сразу несколько эколого-экономических проблем: возвращаются в хозяйственный оборот цветные металлы и создаются условия для переработки отходов с целью получения товарных продуктов. В большинстве указанных случаев решается задача выделения металлических включений из многокомпонентных смесей материалов. При этом извлекаемые металлические тела играют роль вторичных элементов (ВЭ) линейной индукционной машины. Одной из особенностей такой машины является существенная зависимость развиваемых электромагнитных усилий извлечения от крупности металлических включений (от размеров ВЭ).
Степень разработанности темы исследования. Ранее в работах [1, 5, 7] отмечалось, что в электродинамических сепараторах на основе ЛИМ, работающих на частоте 50 Гц, основные потери металла приходятся на включения крупностью менее 40 мм. Поэтому исследование и разработка установок для электродинамической сепарации мелких фракций металлосодержащих отходов являются актуальными. Потребность в таких установках все более увеличивается в связи с необходимостью сортировки дробленого лома цветных металлов при подготовке его к металлургическому переделу, а также с созданием производств по переработке электронного лома. В последнем случае необходимость раскрытия отдельных материалов, содержащихся в электронных устройствах, требует измельчения электронного лома с последующим разделением его на фракции материалов. Для получения селективных концентратов цветных металлов при обработке электронного лома электродинамическая сепарация практически не имеет альтернативы.
К сожалению, задачам электродинамической сепарации дробленого и измельченного лома цветных металлов в литературе уделяется недостаточное внимание. Это и определило цель диссертационной работы: разработка электродинамических сепараторов на основе линейных индукционных машин для обработки мелких фракций лома и отходов цветных металлов. Задачами работы явились: разработка математических моделей и методик расчета как ЛИМ, так и электродинамического сепаратора в целом; выявление закономерностей протекания электромагнитных процессов в ЛИМ с малыми размерами ВЭ (менее 40 мм) и развитие теории таких машин; анализ факторов, влияющих на эффективность сепарации, при рассмотрении электродинамического сепаратора как электромеханической системы; разработка рекомендаций по проектированию и эксплуатации рассматриваемых сепараторов, а также апробация результатов исследований на опытных образцах. Работа выполнялась на кафедре «Электротехника и электротехнологические системы» Уральского федерального университета в рамках госбюджетной НИР № Н975 42Б 00312/2 «Разработка научных основ и моделирование энергосберегающих электротехнологических и специальных электромеханических систем», а также по заказам предприятий ЗАО «НПФ «Металл-Комплект»» (г. Каменск-Уральский) и ЗАО «Южно-Уральский специализированный центр утилизации» (г. Миасс).
Область исследования можно определить как специальные электрические машины и электромеханические устройства технологического назначения.
Объектами исследования являются линейные индукционные машины со вторичными элементами малых размеров и электродинамические сепараторы на основе таких ЛИМ с подачей материалов по наклонной плоскости.
Научная новизна результатов исследований состоит в следующем:
1. Разработаны алгоритмы и методики расчета электромагнитных сил, действующих на проводящие частицы в магнитном поле линейного индуктора, с учетом специфики физических процессов в ЛИМ с ВЭ малых размеров (менее 40 мм) на основе развития известных аналитических и численных методов расчета ЛИМ.
2. Разработаны математическая модель и методика расчета боковых электромагнитных сил, действующих на ВЭ малых размеров при входе их в магнитное поле ЛИМ и выходе из него.
3. Разработана математическая модель электродинамического сепаратора на основе ЛИМ с подачей материала по наклонной плоскости для расчета траекторий движения сепарируемых проводящих частиц с учетом совместного действия электромагнитных и механических сил.
4. Выявлены закономерности влияния на характеристики электродинамического сепаратора различных параметров ЛИМ и механической части сепараторов.
Теоретическая и практическая значимость работы:
- раскрыты особенности физических процессов в ЛИМ с ВЭ малых размеров и электродинамических сепараторах на их основе;
- разработаны методики и программы расчета тяговых и боковых электромагнитных сил с учетом специфики ЛИМ с ВЭ малых размеров;
- разработаны методика и программа расчета траекторий движения сепарируемых частиц в сепараторе на основе ЛИМ, предполагающие переход от решения нелинейных уравнений к решению линейных алгебраических уравнений за счет разбиения расчетных зон модели на участки малой длины, в пределах которых коэффициенты уравнений остаются постоянными;
- выявлены факторы, влияющие на эффективность сепарации;
- получены рекомендации по выбору параметров ЛИМ и механической части сепараторов;
- экспериментально подтверждены возможности индукционной сортировки сплавов цветных металлов и электронного лома;
- созданы опытные установки электродинамической сепарации, результаты исследований переданы предприятиям - партнерам.
Методы исследований
В теоретической части работы использованы известные методы теоретической электротехники и теории электрических машин. Математические модели для расчета тяговых и боковых электромагнитных сил построены на основе решения полевых задач в двухмерной постановке. Решение системы нелинейных уравнений, описывающих движение сепарируемых проводящих частиц в сепараторе с учетом электромагнитных и механических сил, предложено заменять решением системы линейных уравнений, получаемой за счет разбиения зоны сепарации на участки малой длины. Методики расчетов реализованы с помощью математических пакетов Mathcad и Elcut. Результаты расчетов проверены и дополнены данными экспериментальных исследований, полученных на опытных образцах сепараторов на основе ЛИМ.
Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением результатов расчетов, полученных по разным методикам; сопоставлением с данными экспериментов; соответствием результатов расчетов физическому смыслу процессов в ЛИМ и сепараторе в целом.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Алгоритмы и методики расчета электромагнитных сил, действующих на проводящие частицы в магнитном поле линейного индуктора, с учетом специфики физических процессов в ЛИМ с ВЭ малых размеров (менее 40 мм).
2. Математическая модель и методика расчета боковых электромагнитных сил, действующих на ВЭ малых размеров при входе их в магнитное поле ЛИМ и выходе из него.
3. Математическая модель электродинамического сепаратора на основе ЛИМ с подачей материала по наклонной плоскости и методика расчета траекторий движения сепарируемых проводящих частиц с учетом совместного действия электромагнитных и механических сил.
4. Рекомендации по выбору параметров ЛИМ (полюсного деления и частоты) и механической части сепараторов (размеры плоскости подачи, угол ее наклона, скорость подачи, коэффициенты трения).
5. Рекомендации по подготовке лома и отходов цветных металлов, а также электронного лома к сепарации, полученные на основе анализа влияния различных факторов на селективность сепарации.
6. Результаты экспериментальных исследований опытных установок электродинамической сепарации и апробации технологий индукционной сортировки сплавов цветных металлов и сепарации электронного лома.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях, семинарах, совещаниях. В том числе на II и III Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий» (Екатеринбург, 2011, 2014); X и XI Международных научно-технических конференциях «Проблемы и достижения в промышленной энергетике» (Екатеринбург, 2011, 2012); 2-й и 4-й Международных научно-технических конференциях «Эффективное и качественное снабжение и использование электроэнергии» (Екатеринбург, 2012, 2015); 7-й и 8-й Международных научно-технических конференциях «Система управления экологической безопасностью» (Екатеринбург, 2013, 2014); XI.IV Международной научно-технической конференции «Федоровские чтения» (Москва, 2014); Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2014); I Международной НТК «Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике» (Пермь, 2015).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 17 научных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Содержит 137 страниц основного текста, 71 рисунок и 11 таблиц, список литературы, включающий 109 наименований и приложения.
Степень разработанности темы исследования. Ранее в работах [1, 5, 7] отмечалось, что в электродинамических сепараторах на основе ЛИМ, работающих на частоте 50 Гц, основные потери металла приходятся на включения крупностью менее 40 мм. Поэтому исследование и разработка установок для электродинамической сепарации мелких фракций металлосодержащих отходов являются актуальными. Потребность в таких установках все более увеличивается в связи с необходимостью сортировки дробленого лома цветных металлов при подготовке его к металлургическому переделу, а также с созданием производств по переработке электронного лома. В последнем случае необходимость раскрытия отдельных материалов, содержащихся в электронных устройствах, требует измельчения электронного лома с последующим разделением его на фракции материалов. Для получения селективных концентратов цветных металлов при обработке электронного лома электродинамическая сепарация практически не имеет альтернативы.
К сожалению, задачам электродинамической сепарации дробленого и измельченного лома цветных металлов в литературе уделяется недостаточное внимание. Это и определило цель диссертационной работы: разработка электродинамических сепараторов на основе линейных индукционных машин для обработки мелких фракций лома и отходов цветных металлов. Задачами работы явились: разработка математических моделей и методик расчета как ЛИМ, так и электродинамического сепаратора в целом; выявление закономерностей протекания электромагнитных процессов в ЛИМ с малыми размерами ВЭ (менее 40 мм) и развитие теории таких машин; анализ факторов, влияющих на эффективность сепарации, при рассмотрении электродинамического сепаратора как электромеханической системы; разработка рекомендаций по проектированию и эксплуатации рассматриваемых сепараторов, а также апробация результатов исследований на опытных образцах. Работа выполнялась на кафедре «Электротехника и электротехнологические системы» Уральского федерального университета в рамках госбюджетной НИР № Н975 42Б 00312/2 «Разработка научных основ и моделирование энергосберегающих электротехнологических и специальных электромеханических систем», а также по заказам предприятий ЗАО «НПФ «Металл-Комплект»» (г. Каменск-Уральский) и ЗАО «Южно-Уральский специализированный центр утилизации» (г. Миасс).
Область исследования можно определить как специальные электрические машины и электромеханические устройства технологического назначения.
Объектами исследования являются линейные индукционные машины со вторичными элементами малых размеров и электродинамические сепараторы на основе таких ЛИМ с подачей материалов по наклонной плоскости.
Научная новизна результатов исследований состоит в следующем:
1. Разработаны алгоритмы и методики расчета электромагнитных сил, действующих на проводящие частицы в магнитном поле линейного индуктора, с учетом специфики физических процессов в ЛИМ с ВЭ малых размеров (менее 40 мм) на основе развития известных аналитических и численных методов расчета ЛИМ.
2. Разработаны математическая модель и методика расчета боковых электромагнитных сил, действующих на ВЭ малых размеров при входе их в магнитное поле ЛИМ и выходе из него.
3. Разработана математическая модель электродинамического сепаратора на основе ЛИМ с подачей материала по наклонной плоскости для расчета траекторий движения сепарируемых проводящих частиц с учетом совместного действия электромагнитных и механических сил.
4. Выявлены закономерности влияния на характеристики электродинамического сепаратора различных параметров ЛИМ и механической части сепараторов.
Теоретическая и практическая значимость работы:
- раскрыты особенности физических процессов в ЛИМ с ВЭ малых размеров и электродинамических сепараторах на их основе;
- разработаны методики и программы расчета тяговых и боковых электромагнитных сил с учетом специфики ЛИМ с ВЭ малых размеров;
- разработаны методика и программа расчета траекторий движения сепарируемых частиц в сепараторе на основе ЛИМ, предполагающие переход от решения нелинейных уравнений к решению линейных алгебраических уравнений за счет разбиения расчетных зон модели на участки малой длины, в пределах которых коэффициенты уравнений остаются постоянными;
- выявлены факторы, влияющие на эффективность сепарации;
- получены рекомендации по выбору параметров ЛИМ и механической части сепараторов;
- экспериментально подтверждены возможности индукционной сортировки сплавов цветных металлов и электронного лома;
- созданы опытные установки электродинамической сепарации, результаты исследований переданы предприятиям - партнерам.
Методы исследований
В теоретической части работы использованы известные методы теоретической электротехники и теории электрических машин. Математические модели для расчета тяговых и боковых электромагнитных сил построены на основе решения полевых задач в двухмерной постановке. Решение системы нелинейных уравнений, описывающих движение сепарируемых проводящих частиц в сепараторе с учетом электромагнитных и механических сил, предложено заменять решением системы линейных уравнений, получаемой за счет разбиения зоны сепарации на участки малой длины. Методики расчетов реализованы с помощью математических пакетов Mathcad и Elcut. Результаты расчетов проверены и дополнены данными экспериментальных исследований, полученных на опытных образцах сепараторов на основе ЛИМ.
Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением результатов расчетов, полученных по разным методикам; сопоставлением с данными экспериментов; соответствием результатов расчетов физическому смыслу процессов в ЛИМ и сепараторе в целом.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Алгоритмы и методики расчета электромагнитных сил, действующих на проводящие частицы в магнитном поле линейного индуктора, с учетом специфики физических процессов в ЛИМ с ВЭ малых размеров (менее 40 мм).
2. Математическая модель и методика расчета боковых электромагнитных сил, действующих на ВЭ малых размеров при входе их в магнитное поле ЛИМ и выходе из него.
3. Математическая модель электродинамического сепаратора на основе ЛИМ с подачей материала по наклонной плоскости и методика расчета траекторий движения сепарируемых проводящих частиц с учетом совместного действия электромагнитных и механических сил.
4. Рекомендации по выбору параметров ЛИМ (полюсного деления и частоты) и механической части сепараторов (размеры плоскости подачи, угол ее наклона, скорость подачи, коэффициенты трения).
5. Рекомендации по подготовке лома и отходов цветных металлов, а также электронного лома к сепарации, полученные на основе анализа влияния различных факторов на селективность сепарации.
6. Результаты экспериментальных исследований опытных установок электродинамической сепарации и апробации технологий индукционной сортировки сплавов цветных металлов и сепарации электронного лома.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях, семинарах, совещаниях. В том числе на II и III Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий» (Екатеринбург, 2011, 2014); X и XI Международных научно-технических конференциях «Проблемы и достижения в промышленной энергетике» (Екатеринбург, 2011, 2012); 2-й и 4-й Международных научно-технических конференциях «Эффективное и качественное снабжение и использование электроэнергии» (Екатеринбург, 2012, 2015); 7-й и 8-й Международных научно-технических конференциях «Система управления экологической безопасностью» (Екатеринбург, 2013, 2014); XI.IV Международной научно-технической конференции «Федоровские чтения» (Москва, 2014); Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2014); I Международной НТК «Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике» (Пермь, 2015).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 17 научных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Содержит 137 страниц основного текста, 71 рисунок и 11 таблиц, список литературы, включающий 109 наименований и приложения.
Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:
1. На основе обзора литературных источников показана актуальность применения электродинамических сепараторов с бегущим магнитным полем в технологиях сбора и обработки вторичных цветных металлов. Из круга техно-логических задач, решаемых с помощью электродинамической сепарации, вы-делены индукционная сортировка сплавов цветных металлов и обработка дробленого электронного лома. Исследования электродинамических сепараторов для указанных целей выполняются в УрФУ в интересах ряда предприятий Урала. Показано, что в рассматриваемых задачах сепарируемые металлические частицы, выполняющие роль вторичного элемента ЛИМ, имеют малые размеры (менее 40-50 мм). При этом определяющей характеристикой сепарации становится селективность разделения металлов и сплавов.
2. Выполнен обзор конструктивных решений, применяемых в указанных технологиях. Показано, что для индукционной сортировки лома и отходов цветных металлов (в том числе электронного лома) лучше всего подходит сепаратор на основе ЛИМ с двухсторонним индуктором при подаче сепарируемых материалов по наклонной плоскости. Достоинствами такого варианта являются более широкие возможности для формирования необходимых траекторий движения сепарируемых частиц.
3. Выявлены особенности физических процессов в ЛИМ с малыми размерами вторичного элемента (Ь < 0,5т) и сепараторов на их основе: преимущественно одноконтурное распределение вторичных токов, повышенная чувствительность к неравномерности распределения магнитного поля, рост влияния механических сил на результаты сепарации, необходимость учета боковых электромагнитных сил и т.д.
4. Разработаны алгоритмы и методики расчета ЛИМ с ВЭ малых размеров на основе аналитической и численной моделей, позволяющие учесть специфику физических процессов в рассматриваемых устройствах. Апробация таких методик подтвердила достоверность расчетов ЛИМ при размерах ВЭ, меньших 0,5т и показала нарастание погрешностей расчета при ВЭ больших размеров.
5. Разработаны математическая модель и методика расчета боковых электромагнитных сил, возникающих при входе сепарируемых проводящих частиц в магнитное поле ЛИМ и выходе из него. Достоверность методики подтверждена данными экспериментальных исследований. Оценка боковых электромагнитных сил и сил отталкивания показала, что их удельные значения сопоставимы с удельными значениями механических сил, действующих на сепарируемые частицы. Этим обусловлена необходимость учета таких сил при рас-чете траекторий движения частиц.
6. Разработаны математические модели сепаратора на основе ЛИМ с подачей материалов по наклонной плоскости как сложной электромеханической системы, предполагающие разбиение рабочей области сепарации на отдельные зоны, отличающиеся набором сил, действующих на проводящие частицы. Показано, что рассматриваемые силы и параметры движения частиц связаны системой нелинейных уравнений. Предложена методика расчета траекторий движения извлекаемых частиц и отклонений их от линии подачи, пред-полагающая переход от решения нелинейных уравнений к решению линейных алгебраических уравнений за счет разбиения расчетных зон модели на участки малой длины, в пределах которых коэффициенты уравнений остаются постоянными. Практически такой подход предполагает кусочно-линейную аппроксимацию реальной траектории движения частиц. Сравнение результатов расчетов с опытными данными подтвердило достоверность методики.
7. Выполнены теоретические исследования ЛИМ для индукционной сортировки сплавов цветных металлов и сепарации электронного лома. Введено понятие коэффициента селективности ксел, начальные значения которого определяются отношением показателей у/р (удельная электропроводность материала к его плотности) для различных металлов и сплавов. Обоснован выбор параметров ЛИМ по критериям энергоэффективности (отношение удельного электромагнитного усилия к потребляемой мощности) и селективности (коэффициент селективности). Доказано, что для сортировки сплавов целесообразна работа на частоте 50 Гц. Получены рекомендации по подготовке лома и отходов обрабатываемых цветных металлов: необходимость дробления их до крупности 40 мм и допустимость отклонения формы и размеров частиц в пределах 10-15%. Для задачи выделения алюминиевых сплавов из дробленого электронного лома, показано, что в выбранном диапазоне размеров 10-20 мм при работе на частоте 50 Гц изменения коэффициента селективности ксел от крупности частиц практически не наблюдается. При этом не требуется дополнительная подготовка лома.
8. На основании расчета траекторий сепарируемых частиц выполнена оценка влияния на их итоговые отклонения от линии подачи параметров механической части установок. Показано, что целесообразно выбирать размер плоскости до индуктора Ь0, угол наклона плоскости а и скорость подачи материала Гк минимальными из возможных, а выбор размера плоскости после индуктора /,и связан с поиском компромисса между дальностью отклонения частиц от линии подачи и габаритами установки. Показано неоднозначное влияние на характеристики сепаратора коэффициента трения, связанного с выбором материала плоскости и использованием воздушной подушки или вибрации. При больших удельных электромагнитных усилиях (Рт> 10 Н/кг) увеличение коэффициента трения приводит к росту дальности итоговых отклонений частиц. В то же время при малых значениях Рт влияние коэффициента трения неоднозначно, и его величина может являться предметом выбора.
9. Созданы лабораторные установки электродинамической сепарации на основе двухсторонних ЛИМ с подачей материалов по наклонной плоскости, на которых выполнялись экспериментальные исследования для проверки достоверности методик расчета, для подтверждения выявленных расчетным путем закономерностей изменения характеристик сепараторов на основе ЛИМ от различных факторов. На лабораторных сепараторах выполнена апробация технологий сортировки лома медных или алюминиевых сплавов и сепарации электронного лома по заданию предприятий. Полученные результаты позволили взять лабораторные сепараторы в качестве прототипов опытно-промышленных установок.
10. Результаты исследований и полученные рекомендации переданы предприятиям - партнерам ЗАО «НПФ «Металл-Комплект»» (г. Каменск- Уральский) и ЗАО «Южно-Уральский специализированный центр утилизации» (г. Миасс). Созданные лабораторные установки и методики расчета используются в учебном процессе кафедр «Электротехника и электротехнологические системы» и «Электрические машины» УрФУ для подготовки студентов по направлению «Электроэнергетика и электротехника».
11. Результаты исследований докладывались на 11 Международных и Всероссийских научных конференциях и опубликованы в 17 статьях и докладах, в том числе 4 статьях в журналах, входящих в список ВАКа.
1. На основе обзора литературных источников показана актуальность применения электродинамических сепараторов с бегущим магнитным полем в технологиях сбора и обработки вторичных цветных металлов. Из круга техно-логических задач, решаемых с помощью электродинамической сепарации, вы-делены индукционная сортировка сплавов цветных металлов и обработка дробленого электронного лома. Исследования электродинамических сепараторов для указанных целей выполняются в УрФУ в интересах ряда предприятий Урала. Показано, что в рассматриваемых задачах сепарируемые металлические частицы, выполняющие роль вторичного элемента ЛИМ, имеют малые размеры (менее 40-50 мм). При этом определяющей характеристикой сепарации становится селективность разделения металлов и сплавов.
2. Выполнен обзор конструктивных решений, применяемых в указанных технологиях. Показано, что для индукционной сортировки лома и отходов цветных металлов (в том числе электронного лома) лучше всего подходит сепаратор на основе ЛИМ с двухсторонним индуктором при подаче сепарируемых материалов по наклонной плоскости. Достоинствами такого варианта являются более широкие возможности для формирования необходимых траекторий движения сепарируемых частиц.
3. Выявлены особенности физических процессов в ЛИМ с малыми размерами вторичного элемента (Ь < 0,5т) и сепараторов на их основе: преимущественно одноконтурное распределение вторичных токов, повышенная чувствительность к неравномерности распределения магнитного поля, рост влияния механических сил на результаты сепарации, необходимость учета боковых электромагнитных сил и т.д.
4. Разработаны алгоритмы и методики расчета ЛИМ с ВЭ малых размеров на основе аналитической и численной моделей, позволяющие учесть специфику физических процессов в рассматриваемых устройствах. Апробация таких методик подтвердила достоверность расчетов ЛИМ при размерах ВЭ, меньших 0,5т и показала нарастание погрешностей расчета при ВЭ больших размеров.
5. Разработаны математическая модель и методика расчета боковых электромагнитных сил, возникающих при входе сепарируемых проводящих частиц в магнитное поле ЛИМ и выходе из него. Достоверность методики подтверждена данными экспериментальных исследований. Оценка боковых электромагнитных сил и сил отталкивания показала, что их удельные значения сопоставимы с удельными значениями механических сил, действующих на сепарируемые частицы. Этим обусловлена необходимость учета таких сил при рас-чете траекторий движения частиц.
6. Разработаны математические модели сепаратора на основе ЛИМ с подачей материалов по наклонной плоскости как сложной электромеханической системы, предполагающие разбиение рабочей области сепарации на отдельные зоны, отличающиеся набором сил, действующих на проводящие частицы. Показано, что рассматриваемые силы и параметры движения частиц связаны системой нелинейных уравнений. Предложена методика расчета траекторий движения извлекаемых частиц и отклонений их от линии подачи, пред-полагающая переход от решения нелинейных уравнений к решению линейных алгебраических уравнений за счет разбиения расчетных зон модели на участки малой длины, в пределах которых коэффициенты уравнений остаются постоянными. Практически такой подход предполагает кусочно-линейную аппроксимацию реальной траектории движения частиц. Сравнение результатов расчетов с опытными данными подтвердило достоверность методики.
7. Выполнены теоретические исследования ЛИМ для индукционной сортировки сплавов цветных металлов и сепарации электронного лома. Введено понятие коэффициента селективности ксел, начальные значения которого определяются отношением показателей у/р (удельная электропроводность материала к его плотности) для различных металлов и сплавов. Обоснован выбор параметров ЛИМ по критериям энергоэффективности (отношение удельного электромагнитного усилия к потребляемой мощности) и селективности (коэффициент селективности). Доказано, что для сортировки сплавов целесообразна работа на частоте 50 Гц. Получены рекомендации по подготовке лома и отходов обрабатываемых цветных металлов: необходимость дробления их до крупности 40 мм и допустимость отклонения формы и размеров частиц в пределах 10-15%. Для задачи выделения алюминиевых сплавов из дробленого электронного лома, показано, что в выбранном диапазоне размеров 10-20 мм при работе на частоте 50 Гц изменения коэффициента селективности ксел от крупности частиц практически не наблюдается. При этом не требуется дополнительная подготовка лома.
8. На основании расчета траекторий сепарируемых частиц выполнена оценка влияния на их итоговые отклонения от линии подачи параметров механической части установок. Показано, что целесообразно выбирать размер плоскости до индуктора Ь0, угол наклона плоскости а и скорость подачи материала Гк минимальными из возможных, а выбор размера плоскости после индуктора /,и связан с поиском компромисса между дальностью отклонения частиц от линии подачи и габаритами установки. Показано неоднозначное влияние на характеристики сепаратора коэффициента трения, связанного с выбором материала плоскости и использованием воздушной подушки или вибрации. При больших удельных электромагнитных усилиях (Рт> 10 Н/кг) увеличение коэффициента трения приводит к росту дальности итоговых отклонений частиц. В то же время при малых значениях Рт влияние коэффициента трения неоднозначно, и его величина может являться предметом выбора.
9. Созданы лабораторные установки электродинамической сепарации на основе двухсторонних ЛИМ с подачей материалов по наклонной плоскости, на которых выполнялись экспериментальные исследования для проверки достоверности методик расчета, для подтверждения выявленных расчетным путем закономерностей изменения характеристик сепараторов на основе ЛИМ от различных факторов. На лабораторных сепараторах выполнена апробация технологий сортировки лома медных или алюминиевых сплавов и сепарации электронного лома по заданию предприятий. Полученные результаты позволили взять лабораторные сепараторы в качестве прототипов опытно-промышленных установок.
10. Результаты исследований и полученные рекомендации переданы предприятиям - партнерам ЗАО «НПФ «Металл-Комплект»» (г. Каменск- Уральский) и ЗАО «Южно-Уральский специализированный центр утилизации» (г. Миасс). Созданные лабораторные установки и методики расчета используются в учебном процессе кафедр «Электротехника и электротехнологические системы» и «Электрические машины» УрФУ для подготовки студентов по направлению «Электроэнергетика и электротехника».
11. Результаты исследований докладывались на 11 Международных и Всероссийских научных конференциях и опубликованы в 17 статьях и докладах, в том числе 4 статьях в журналах, входящих в список ВАКа.
Подобные работы
- ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ СЕПАРАТОРЫ НА ОСНОВЕ ЛИНЕЙНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ МАШИН ДЛЯ ОБРАБОТКИ МЕЛКИХ ФРАКЦИЙ ЛОМА ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Диссертации (РГБ), электротехника. Язык работы: Русский. Цена: 4365 р. Год сдачи: 2016 - ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СЕПАРАТОРОВ С БЕГУЩИМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
Авторефераты (РГБ), электроэнергетика. Язык работы: Русский. Цена: 250 р. Год сдачи: 2011 - ЛИНЕЙНЫЕ ИНДУКЦИОННЫЕ МАШИНЫ СО ВСТРЕЧНО БЕГУЩИМИ МАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ
Авторефераты (РГБ), механика. Язык работы: Русский. Цена: 250 р. Год сдачи: 2020