Технічні науки / 3. Галузеве машинобудування

Д.т.н. Сілін Р.І., к.т.н. Гордєєв А.І., к.т.н. Сілін Р.С.

Хмельницький національний  університет

 

МЕТОДИКА  РОЗРАХУНКІВ ПАРАМЕТРІВ ВІБРАЦІЙНОЇ МАШИНИ З ЕЛЕКТРОМАГНІТНИМ ПРИВОДОМ ДЛЯ ЗМІНИ ВЛАСТИВОСТЕЙ ВОДИ ТА ЗНЕЗАРАЖЕННЯ

 

На даний час для знезаражування стоків використається рідкий хлор, озон й ультрафіолет. Як правило, для цього необхідні проміжні контактні резервуари великої місткості, щоб забезпечити тривалість контакту не менше ніж 0,5 години. Знезаражуюча дія кавітації заснована на ефектах, які виникають у турбулентних потоках рідини. Так при  гідродинамічних коливаннях рідини виникають і зникають кавітаційні пухирці, при цьому стимулюються фазові переходи, підвищуються локальні температури й тиск. Крім того, у моменти утворення й зникнення кавітаційних пухирців у газонаповненій порожнини  створюються умови для появи електричних зарядів, електричних і магнітних полів. У такий спосіб рідина, оброблювана кавітацією, піддається термобаричній й електромагнітній дії.

Особливістю кавітаційного методу полягає в тому, що високий ступінь знезаражування води від яєць і личинок паразитів досягається за рахунок їхнього механічного розриву ударними хвилями. Для руйнування бактерій і вірусів  термобаричний вплив підсилюється  локальною електромагнітною  дією,  коли наведені електричні потенціали пробивають їхні мембрани й оболонки. Розроблено ряд вібраційних машин на основі дії гідрокавітації [1,2,3,4], запропонована методика та інженерні розрахунки основних параметрів обладнання.

Під час проектування вібромашини з електромагнітним приводом, перш за все необхідно вияснити і обґрунтувати структуру проектованого віброприводу,  для досягнення певних конструктивних параметрів.

Недоліки двомасового віброприводу можуть бути усунуті введенням в конструкцію третьої коливної маси , яка буде виконувати функцію вузькочастотного динамічного демпфера, що гасить коливання проміжної маси  (рис.1). Відмітимо, що тримасова конструкція з динамічним демпфером виконується так, щоб збурення коливань маси  відбувалось кінематично.

Вихідні данні: Амплітуда коливань.= 0,25 мм;   = 628 рад/с.          

Для проектування вібраційних установок  впливу на властивості рідини необхідно мати годинну продуктивність обладнання, хімічний склад рідини.

Рис. 1 – Схема тримасової вібраційної машини з електромагнітним приводом

Розрахунок конструктивних параметрів. З годинного об’єму рідини, яка оброблюється та попередньо прийнятої кутової швидкості можна   визначити  орієнтовний діаметр пульсаційної камери  за формулою:

=(1)

де    –  годинний об’єм рідини яка оброблюється;

– співвідношення ходу мембрани до діаметра пульсаційної камери,    = 0,02...0,033; – амплітуда коливань;  –  кутова швидкість

Для малих амплітуд (до 0,4 мм) та частот 50-100 Гц діаметр насадка можливо визначити за залежністю:

,                                  (2)

          де  Апр – амплітуда коливань приводу;  Астр – амплітуда коливань струменя   Астр = 100-150 мм.

          Форма внутрішньої поверхні осьосиметричного насадка приймається з гострими крайками на вході та виході для забезпечення кавітаційного процесу. Довжина насадка вибирається із залежності:

                                      (3)

Встановивши діаметр насадка, підбираємо декілька значень діаметра пульсаційної камери в межах:

                                   (4)

Максимальну силу  тиску у камері гідропульсатора приймаємо   Р = 0,02-0,04 МПа (експериментальні данні).

Визначаємо тягове зусилля.

Fтяг = Fст+Fдін,=421Н ,            де          

  ,      Fдін=0,05Fст=20Н

При використанні насадків із більш ніж одним отвором дійсне значення сили гідродинамічного тиску менше за розрахункове в 1,4 рази, цей коефіцієнт слід враховувати при виборі сили гідродинамічного тиску.

Співвідношення  діаметра насадка до діаметра ємності лежить у межах:        ,    де  –  діаметр насадка;    – діаметр ємності.

 Висота ємності приймається:       .

          Діаметр дисків рухомої мембрани береться меншим  від 5 мм до 10 мм  внутрішнього діаметра пульсаційної камери .

          Маса проміжної плити приймається із урахуванням маси штока та маси дисків рухомої мембрани.

Розрахунок необхідного статичного зусилля електромагнітного віброзбудника. Задаємося величинами  та . Для визначення величини реактивної коливальної маси , застосовуючи умову  та враховуючи знак (+), щоб отримати додатні числа при (при ), застосуємо формулу [7]:

.              (5)

          Таким чином, задавшись параметром  для розрахунку тримасової вібраційної машини в яких присутній ефект «нульової жорсткості», необхідно користуватися виразами (5), (6). 

Електромагнітний віброзбудник підбирається під конкретну механіч­ну коливну систему, що описується таки­ми основними параметрами - приведеною масою ; - амплітудою відносних коливань; - коловою частотою вимушених коливань; - резонансним налагоджуванням; - динамічним коефіцієнтом. В такому випадку для електромагнітних віброзбудників вимушуюча сила (статичне зусилля) визначається за формулою:

,                                              (6)

де - приведена маса механічної коливної системи. Для тримасової конструкції  = 0,235 кг; - амплітуда відносних коливань; - резонансне налагодження механічної коливної системи. Величина   приймається в межах ;

 - динамічний коефіцієнт,

 показник опору   для стальної пружної системи без конструкційного гістерезису 

Необхідна потужність електромагнітного віброприводу визначається за формулою:  Вт.   (7)

Дослідження [5,6], проведені на експериментальній установці, показали, що після остаточної обробки стічних вод, знизилася біологічна потреба в кисні у 2,2 рази й підвищилася окисна здатність води на 70%, а знезаражування води показало на зразках зниження кількості колоній   від 63 шт. до 3 шт.

Запропоновані  підходи дозволили створити узагальнену методологію для розрахунку раціональних конструктивних і технологічних параметрів вібраційних машин з електромагнітним приводом для впливу на властивості води та її знезаражування.

Література:

1. Пат. на винахід 48400 України, МПК C02F1/46. Пристрій для очистки стічної води / Р.І.Сілін, А.І.Гордєєв, В.О. Павлик (Україна); Технологічний ун-тет Поділля.  – u2001064234; Заяв. 19.06.2001; Опубл.15.08.2002,  Бюл. № 8. – 3с.  

2. Пат. на корисну модель 10347 України, МПК В01F5/00. Устаткування для обробки води /Р.І. Сілін, А.І. Гордєєв, В.В. Третько, І.І. Сорока  (Україна); Хмельницький нац. ун-тет.  – u 200503620; Заяв. 18.04.2005; Опубл.15.11.2005,  Бюл. № 11. – 3с.

         3. Пат.  на корисну модель 25775 України, МПК В01F 5/00. Кавітаційний пристрій для обробки води / Р.І. Сілін, А.І. Гордєєв, О.А. Гордєєв,  В.В. Третько, Є.А. Урбанюк (Україна); Хмельницький нац. ун-тет. – u200702555; Заяв. 12.03.2006; Опубл.27.08.2007,  Бюл. №13. – 3с.

4. Пат. на корисну модель 25811 України, МПК В01F 5/00. Вібраційний кавітатор  для зміни властивостей  води /Р.І. Сілін, А.І. Гордєєв, О.А. Гордєєв,  В.В. Третько, Є.А. Урбанюк (Україна); Хмельницький нац. ун-тет. –  u200703370; Заяв. 28.03.2007; Опубл.27.08.2007,  Бюл. № 13. – 3с

5.  Вивчення механізму вібраційної гідрокавітації та її вплив на склад води / А.І. Гордєєв,  І.І. Сорока,  В.В. Третько, О.О. Нікітін. // Вісник ТУП. Технічні науки. –   2003. –  № 4, Ч.2. –  С. 269– 273.

6. Сілін Р.І. Науково – технічні основи розроблення вібромашин для впливу на властивості води/ Р.І. Сілін, А.І. Гордєєв // Вібрації в техніці та технологіях. – 2009. –  № 4(56)  – С. 141 – 148.

7. Ланець О.С. Експериментальне підтвердження положень теорії синфазних коливань у тримасових механічних системах з електромагнітним приводом // Ж.: Вібрації в техніці та технологіях. – 2006. - №1   ( 43 ). - С.  64 -68.