Нелинейность тепломеханических нагрузок шнекового электротепломеханического преобразователя

Предложена физическая модель формирования тепломеханических нагрузок и рассмотрены условия возникновения автоколебаний в системе с вязким трением для шнекового электротепломеханического преобразователя....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2005
Автор:	Заблодский, Н.Н.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2005
Назва видання:	Електротехніка і електромеханіка
Теми:	Електричні машини та апарати
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142491
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Нелинейность тепломеханических нагрузок шнекового электротепломеханического преобразователя / Н.Н. Заблодский // Електротехніка і електромеханіка. — 2005. — № 1. — С. 41-43. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-142491
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1424912018-10-11T01:23:09Z Нелинейность тепломеханических нагрузок шнекового электротепломеханического преобразователя Заблодский, Н.Н. Електричні машини та апарати Предложена физическая модель формирования тепломеханических нагрузок и рассмотрены условия возникновения автоколебаний в системе с вязким трением для шнекового электротепломеханического преобразователя. Запропонована фізична модель формування тепломеханічних навантажень та розглянуті умови виникнення автоколивань у системі з в’язким тертям для шнекового електротепломеханічного перетворювача. A physical model of forming thermomechanical loading is introduced, and conditions of onset of auto oscillations in a system with viscous friction are considered for a screw electro- thermomechanical transformer. 2005 Article Нелинейность тепломеханических нагрузок шнекового электротепломеханического преобразователя / Н.Н. Заблодский // Електротехніка і електромеханіка. — 2005. — № 1. — С. 41-43. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 2074-272X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142491 621.313.33:621.318.123 ru Електротехніка і електромеханіка Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати
spellingShingle	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати Заблодский, Н.Н. Нелинейность тепломеханических нагрузок шнекового электротепломеханического преобразователя Електротехніка і електромеханіка
description	Предложена физическая модель формирования тепломеханических нагрузок и рассмотрены условия возникновения автоколебаний в системе с вязким трением для шнекового электротепломеханического преобразователя.
format	Article
author	Заблодский, Н.Н.
author_facet	Заблодский, Н.Н.
author_sort	Заблодский, Н.Н.
title	Нелинейность тепломеханических нагрузок шнекового электротепломеханического преобразователя
title_short	Нелинейность тепломеханических нагрузок шнекового электротепломеханического преобразователя
title_full	Нелинейность тепломеханических нагрузок шнекового электротепломеханического преобразователя
title_fullStr	Нелинейность тепломеханических нагрузок шнекового электротепломеханического преобразователя
title_full_unstemmed	Нелинейность тепломеханических нагрузок шнекового электротепломеханического преобразователя
title_sort	нелинейность тепломеханических нагрузок шнекового электротепломеханического преобразователя
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate	2005
topic_facet	Електричні машини та апарати
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142491
citation_txt	Нелинейность тепломеханических нагрузок шнекового электротепломеханического преобразователя / Н.Н. Заблодский // Електротехніка і електромеханіка. — 2005. — № 1. — С. 41-43. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series	Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv	AT zablodskijnn nelinejnostʹteplomehaničeskihnagruzokšnekovogoélektroteplomehaničeskogopreobrazovatelâ
first_indexed	2025-07-10T15:07:35Z
last_indexed	2025-07-10T15:07:35Z
_version_	1837272990657544192
fulltext	ISBN 966-593-254-3 Електротехніка і Електромеханіка. 2005. №1 41 УДК 621.313.33:621.318.123 НЕЛИНЕЙНОСТЬ ТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКИХ НАГРУЗОК ШНЕКОВОГО ЭЛЕК- ТРОТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Заблодский Н.Н., к.т.н., доц. Донбасский государственный технический университет Украина, 94204, Луганской обл., Алчевск, пр. Ленина 16, ДонГТУ, каф. "Электрические машины и аппараты" тел. (06442) 2-05-64, факс (06442) 2-68-87, E-mail: info@dgmi.edu.ua. Запропонована фізична модель формування тепломеханічних навантажень та розглянуті умови виникнення автоко- ливань у системі з в’язким тертям для шнекового електротепломеханічного перетворювача. Предложена физическая модель формирования тепломеханических нагрузок и рассмотрены условия возникновения автоколебаний в системе с вязким трением для шнекового электротепломеханического преобразователя. ВВЕДЕНИЕ Электротепломеханические преобразователи (ЭТМП) и системы на их основе, относящиеся к новому классу электромеханических преобразова- телей энергии, предназначены для осуществления целого ряда технологических процессов в различ- ных отраслях промышленности [1, 2]. Однако мо- делирование динамических режимов и создание инженерных методик расчета ЭТМП сдерживается отсутствием достоверных закономерностей и ха- рактеристик действующих на ЭТМП нагрузок. В настоящее время такие закономерности установле- ны лишь для ЭТМП, работающих в резервуарах с легкоплавким веществом [3]. Цель работы – уста- новление характера тепломеханических нагрузок, которые испытывает шнековый ЭТМП при работе с сыпучими и вязкими материалами. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКИХ НАГРУЗОК Принципы функционирования и формирования выходных характеристик модульного шнекового ЭТМП рассмотрены в [4], где рабочая среда (сыпу- чий материал) рассматривается как элемент элек- тротепломеханической системы. Физическая мо- дель формирования тепломеханических нагрузок в потоке транспортируемого материала представлена на рис. 1. Процесс движения сыпучего или вязкого мате- риала в рабочей зоне шнекового ЭТМП подчинен основным законам механики деформируемых сред. Изменение массы материала в любом объеме равно ее потоку через поверхность, окружающую этот объем ( ) ( ) ( ) 0= ∂ ρ∂ + ∂ ρυ∂ + ∂ ρ∂ + ∂ ρ∂ z w yx u t , (1) где ρ – плотность материала; ∂/∂х; ∂/∂у; ∂/∂z – проек- ции скорости материала в этой точке на оси координат. Связь локальных и конвективных изменений плотностей материала с изменениями скоростей при смещении от данной фиксированной точки ус- танавливается по следующему выражению: zyx xxx ∂ υ∂ + ∂ υ∂ + ∂ υ∂ =θ (2) Изменение количества движения материала в малом фиксированном объеме равняется потоку ко- личества движения через поверхность, окружающую этот объем, сложенному с массовыми и поверхност- ными силами, приложенными к этому объему µθ ∂ ∂ −⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ υ∂ + ∂ υ∂ µ ∂ ∂ + +⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ υ∂ + ∂ υ∂ µ ∂ ∂ +⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ υ∂ µ ∂ ∂ + ∂ ∂ −ρ= =⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ υ∂ υ+ ∂ υ∂ υ+ ∂ υ∂ υ+ ∂ υ∂ kmk m m xxtxkk pG yyxt p k kk k k z k y k x k 3 2 2 1 , (3) где k, l, m = x, y, z; µ - вязкость материала; Gk – проекция объемной силы на ось k. Изменение полной энергии, состоящей из критиче- ской и внутренней энергий, равно потоку кинетической и внутренней энергий в фиксированном малом объеме через поверхность, окружающую этот объем, и тепло- вому потоку через эту же поверхность, сложенному с работой напряжений над этим объемом: Ä z T zy T yx T xA p z E y E x E t Ep zyx + ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ λ ∂ ∂ +⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ λ ∂ ∂ +⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ λ ∂ ∂ + +θ−ε=⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ υ+ ∂ ∂ υ+ ∂ ∂ υ+ ∂ ∂ 1 , (4) где Е – внутренняя энергия единицы массы; λ - коэффи- циент теплопроводности материала; ε - приток тепла за единицу времени в единице объема вследствие причин, отличных от теплопроводности (например, конвектив- ный поток горячего воздуха, лучеиспускание); А – тер- мический эквивалент работы; Д - диссипативная функ- ция, представляющая собой тепловую энергию, выде- ленную при прохождении вихревых токов в массивном роторе и днище шнека (температура Т1 и Т2 на роторе, Т3 – на днище соответственно), а также механическую ра- боту сил вязкости, выделившуюся необратимо в виде тепла в единице объема материала за единицу времени. Общая задача энергетического анализа и определе- ния тепломеханических нагрузок при сушке и транспор- тировке материала сводится к совместному решению уравнений (1) – (4). Ввиду нелинейности дифференци- альных уравнений (3) и затруднений в поиске общего решения системы уравнений необходимо использовать приближенные методы решений. Существенно упро- стить решение возможно при рассмотрении не объем- ной, а плоской задачи. Сложность решения системы (1) – (4) заключается еще и в аномально-вязком поведении транспортируемого материала, объясняемое наличием структур, продолжительность жизни которых определя- ется термодинамическими условиями. 42 Електротехніка і Електромеханіка. 2005. №1 ISBN 966-593-254-4 Рис. 1. Физическая модель формирования тепломеханических нагрузок в потоке транспортируемого материала В нашем случае температура материала будет изменяться при движении в направлении Х. При этом изменение температуры на 10 – 15 оС влечет за собой заметное изменение вязкости в 1,3 – 1,4 раза. Однако последовательная цепь шнековых ЭТМП, обычно используемая в технологических процессах сушки и нагрева продукта, дает возмож- ность рассматривать процесс с разбиением на от- дельные участки, где можно решать изометриче- скую задачу. Специфичность материала (например, гетеро- генность угольных шламов) требует критического анализа традиционных допущений по условиям ламинарного потока движения материала и условий применения. Движение частиц материала в шнековом ЭТМП будет происходить, когда сила трения вы- званная действующей на частицу центробежной силой (P1 + G)υ2 y / gr, оказывается настолько боль- шой, что притормаживает частицу в совместном вращении с шнеком со скоростью ω по действием разностного электромагнитного момента ∆М12. При этом указанная сила заставляет проскальзывать частицу по шнеку, преодолевая силу трения о шнек µ(G + P1) cos(α + γ) и составляющую силы тяжести G и "силы положения" Р1. Сила положения учиты- вает стесненность движения и эффект подпора, вы- званный реакцией корпуса Nк, реакцией винтовой поверхности Nв и силой FR при обратном движении материала через пазы в винтовых лопатках. В при- веденных выражениях: (α + γ) – угол подъема час- тицы на радиусе r точки соприкосновения частицы с винтовой поверхностью. В зоне между винтовы- ми лопатками расположены осевые лопатки, соз- дающие дополнительный эффект перемешивания материала за счет силы FA и турбулентный эффект силы напорных струй воздуха Fv. При этом реак- тивная сила Fv суммируется по действию с элек- тромагнитным моментом ЭТМП. В качестве моделей дополнительного гидроди- намического воздействия, устанавливающих функ- циональную связь между силой указанного воздейст- вия напорных струй воздуха, конструктивными и ре- жимными параметрами принято семейство полино- минальных четырехмерных линейных и нелинейных моделей множественной регрессии 1…6 порядков ( ) ∑ = == k i GJI i2g iii pLdbpLdFy 0 ,, , (5) где F2g – сила гидродинамического воздействия воздуш- ной струи на транспортируемый материал; d – началь- ный диаметр струи; L – расстояние от отверстия до ма- териала; р – начальное давление струи; bi – коэффициен- ты уравнения множественной регрессии (I = 0, 1…k); Ii; Ji; Gi – показатели степени при независимых перемен- ных уравнения регрессии; k – число членов уравнения регрессии. Разработано семейство полиноминальных четы- рехмерных линейных и нелинейных моделей множест- венной регрессии управляемого технологического воз- действия, устанавливающее функциональную связь ме- жду значениями кинематического коэффициента трения материала по рабочим поверхностям шнеков и парамет- рами рабочей зоны ЭТМП: ( ) ∑ = == k i GJ f I aifa iii WpRbWPRFf 0 ,, , (6) где f – кинематический трения материала по рабочим поверхностям шнеков; Ra – параметр шероховатости рабочих поверхностей шнеков; pf - давление материала на рабочие поверхности шнеков; W – влажность транс- портируемого материала. Кинематическую схему механической части ЭТМП можно представить в следующих видах: - одномассовой системы на холостом ходу (рис. 2, а); - двухмассовой системы, работающей с переменной же- сткостью С12 и переменным моментом инерции J2 вязкой массы в режиме запоминания (рис. 2, б); - двухмассовой системы с постоянными С12 и J2 при ос- новном режиме работы (рис. 2, в); - двухмассовой системы с постоянными С12 и J2 в режи- ме освобождения шнека (рис. 2, г); - двухмассовой системы с стартовой жесткостью С12 = ∞, переходящей в систему с конкретным значением жестко- сти С12 и соответствует переходному режиму от скреп- ленной застывшей массой поверхности шнека и днища к очистке размолотой массы в шнеке (рис. 2, д). Коэффициент жесткости С12 содержит две состав- ляющие, связанные с соотношением нагрузки упругой связи и деформацией по вращательному и поступатель- ному перемещениям. ISBN 966-593-254-3 Електротехніка і Електромеханіка. 2005. №1 43 а б в г д Рис. 2. Кинематическая схема ЭТМП Характерной чертой физической модели движе- ния склонных к "связыванию" частиц материала в шнековом ЭТМП является эффект внутреннего "сры- ва".Последнее обстоятельство выражается в эффекте проскальзывания. В пределе явление конгломерации затухает и происходит устойчивое движение сыпуче- го материала подобно гайке на винту. Другой характерной особенностью физической модели является так называемый "стартовый" режим, когда начальное вращение шнека становится невоз- можным из-за скрепление застывшим застывшим ма- териалом всех элементов шнека. В этом случае элек- тропитание получает только ведущий силовой модуль ЭТМП, развивающий момент около 600 Н.*м. Дли- тельность этого процесса составляет 0,3 – 0,5 с. затем система автоматически обеспечивает подключение ведомого силового модуля и ЭТМП далее работает в нормальном режиме противовключения модулей с час- тотой вращения 80 об./мин. Обе указанные особенности выражаются слож- ной нелинейной механической характеристикой "па- дающий" участок, на котором увеличение скорости шнека сопровождается снижением момента нагрузки. Установлено, что в подобных системах возника- ют автоколебательные режимы [5]. В "стартовом" ре- жиме ЭТМП фрикционные автоколебания способст- вует разрушению связей застывшей массы материи с рабочими поверхностями шнека. Однако длительное (более 0,5 с) удерживание режима автоколебаний приводит к значительным механическим колебаниям всей системы и тем самым снижается её надежность. При положительном коэффициенте вязкого трения происходит демпфирование возникающих в механи- ческой системе ЭТМП упругих колебаний путем вы- ведения из нее колебательной энергии в виде тепло- вых потерь. Знакопеременность функции диссипации и является необходимым условием существования автоколебательного режима нелинейной системы. Ранее в [6] установлено образование высших гар- моник в воздушном зазоре ЭТМП из-за синусоидально- го изменения температуры ротора шнека и соответст- вующих пульсаций удельного активного сопротивления и магнитной проницаемости материала ротора. ВЫВОДЫ 1. Разработана физическая модель формирования тепломеханических нагрузок и кинематическая схема ЭТМП, учитывающая распределение сил положения, гидродинамических и управляемых технологических воздействий. 2. Установлено, что электромеханическая система ЭТМП является нелинейной системой в части меха- нических и тепловых нагрузок. 3. Нелинейность тепломеханических нагрузок ЭТМП и наличие "падающего" участка механической характеристики приводит к возникновению автоколе- бательных режимов, требующих синтеза соответст- вующих структур управления. ЛИТЕРАТУРА [1] Патент України № 39226, 7Н05В 6/10. Заглибний елект- ронагрівач //Заблодський М.М., Верімієнко В.І.-Бюл. № 5, част. 1.-2001. [2] Пристрій для видалення парафіну зі стінок нафтогазових свердловин // Заблодський М.М., Дорофєєв В.М., За- харченко П.І., Шинкаренко В.Ф., Плюгін В.Є. та ін. – Промислова власність. – Бюл. № 9, 2002. [3] Заблодмский Н.Н., Захарченко П.И., Плюгин В.Е. Мате- матическое моделирование процессов тепло- массообмена и гидродинамики вращающегося элек- тромеханического нагревателя // Вестник НТУ "ХПИ", Тем. вып. Проблемы усовершенствования электриче- ских машин и аппаратов. Теория и практика. – Харь- ков: НТУ "ХПИ". – 2001. - № 16. – С. 77 – 80. [4] Заблодский Н.Н. Формирование выходных характери- стик многомодульной электромеханической системы // Електротехніка і електромеханіка. – 2003. - № 4. – С. 32 – 35. [5] Клепиков В.Б., Осичев А.В. Определение границ устой- чивости электроприводов с вязким трением с учетом упругости кинематической цепи // Электричество. – 1989. - № 1. – С. 36 – 41. [6] Заблодский Н.Н. Формирование спектра высших гармо- ник в воздушном зазоре электромеханического преоб- разователя // Вестник НТУ "ХПИ". – 2002. - № 14. – С. 22-27. Поступила 30.08.2004

Нелинейность тепломеханических нагрузок шнекового электротепломеханического преобразователя

Репозитарії

Схожі ресурси