Планирование эксперимента для определения оптимальной мощности оборудования термического воздействия ЭНГЛ-1 24В

Международный научно-исследовательский журнал •№ 7(38)  Август

Зеньков С.А.1, Игнатьев К.А.2, Казимиренок А.А.3

1 Кандидат технических наук, доцент , 2аспирант, 3магистрант,

Братский Государственный Университет

ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭНГЛ-1 24В

Аннотация

В статье рассмотрены экспериментальные исследования теплового воздействия гибкого нагревательного элемента ЭНГЛ-1 24В с напряжением питания 24 В на адгезию грунтов к рабочим органам землеройных машин при отрицательной температуре. Представлены результаты экспериментальных исследований, определены рациональные параметры оборудования.

Ключевые слова: адгезия, гибкий нагревательный элемент, связный грунт, трение, производительность, землеройные машины, напряжение сдвига.

Zen’kov SA.1, Ignatiev К.А.2, Kazimirenok А.А. 3

1PhD in Engineering, Associate professor, postgraduate student, 3magister,

Bratsk State University

EXPERIMENT PLANNING TO DETERMINE THE OPTIMAL CAPACITY OF THE EQUIPMENT THERMAL

IMPACT ENGLE-1 24V

Abstract

The article deals with the experimental study of the thermal effects of a flexible heating element Engle-1 with 24V supply voltage 24 on the adhesion of soil to the working bodies of earth-moving machinery at low temperatures. The results of experimental studies identified rational parameters of the equipment.

Keywords: adhesion, flexible heating element, cohesive soil, friction performance, digging, shear stress.

Одной из основных причин уменьшения производительности землеройных машин при разработке и транспортировке влажных грунтов и материалов является увеличение адгезии и трения при копании, выгрузке, перемещении и планировке. Адгезионные явления вызывают резкое увеличение сил трения, которые составляют 30-60% тягового усилия. Известно, что одним их эффективных методов снижения адгезии грунтов является тепловой [1-7]. Данная работа, направлена на исследование возможности применения теплового воздействия для борьбы с адгезией грунтов к рабочим органам землеройных машин с помощью гибких ленточных электрических нагревателей (ЭНГЛ). Для поставленных задач экспериментальных исследований были использованы методы многофакторного планирования, что позволяет получить максимально полезную информацию об исследуемых процессах при минимальном количестве опытов. Это особенно важно, когда моделирование отдельных процессов (например, температурного режима) представляет определенные трудности. Недостаточная изученность исследуемых процессов вызвала необходимость использования аппарата математической теории планирования эксперимента для получения математических моделей процессов. Проведен эксперимент для определения оптимальной мощности оборудования термического воздействия ЭНГЛ-1 (24В). ЭНГЛ-1 (24В) - элемент нагревательный гибкий ленточный -электрическая нагревательная лента для защиты от замораживания. ЭНГЛ-1 (24В) - плетеная лента из стеклонити, в основе которой восемь нагревательных жил из нихрома. Снаружи нагреватели покрыты водонепроницаемой оболочкой из кремнийорганической резины. Изоляция из кремнийорганической резины особенно подходит для случаев применения, где необходима высокая гибкость ленты.

Ее технические характеристики: максимальная температура на поверхности ленты -180°С ; минимальная температура монтажа - 50°С; минимальный радиус изгиба 10 мм; ширина активной части 24мм; толщина активной части 3,3мм; электропитание 24 В; удельная мощность 50 Вт/м.

Эффект оценивался по температуре нагрева поверхности контакта грунта с имитатором, при температуре окружающей среды от -30°С до 20°С. Для эксперимента был использован грунт, дисперсность которого D = 0,05 мм, влажность 17,5%. Площадь соприкосновения грунта с имитатором составляла 0,123 м2, давление прижатия р = 30 кПа, время контакта t = 20мин. Контроль температуры поверхности и наружного воздуха осуществлялся с помощью мультиметра DT-838. Пределы измерения температуры которого равны от -20°С до 1370°С.

Для проведения активного эксперимента с целью получения математической модели вида (1), в соответствии с рекомендациями [1] и особенностями данных экспериментальных исследований выбираем план для двухфакторной модели 32 и общим числом точек N = 9.

Уровни и интервалы варьирования факторов определены на основе анализа априорной информации и представлены в табл. 1.

Матрица планирования экспериментальных исследований в кодированном виде и полученные результаты представлены в табл. 2.

Для исключения влияния систематических ошибок, опыты проводились в случайном порядке, т. е. экспериментальные исследования были рандомизированы. 45

45

Международный научно-исследовательский журнал •№ 7(38)  Август

Таблица 1 - Уровни факторов и интервалы варьирования

Факторы Уровни факторов Интервалы варьирования

-1 0 1

Xj - температура окружающей среды Т, °С -30 -5 20 25

Х2 - мощность ЭНГЛ N, Вт/м2 250 625 1000 375

Двухфакторное уравнение регрессии (алгебраический полином 2-й степени), включающее линейные члены, члены взаимодействия факторов и квадратичные члены:

2 1 2 1

- ' " ” ' ь ””

T

= b0 + bx + Ьх+ bx

Ь4 x2

Ь5 Х1Х2

Таблица 2 - Матрица планирования и результаты планирования эксперимента для определения оптимальной

мощности источника термического воздействия ЭНГЛ-1 24В

№ опыта Х1 (T) Х2 (N) Функции отклика

код °С код м Вт Вт/м2 н о о

1 - -30 - 0,6 30,7 250 11

2 + -5 - 0,6 30,7 250 30

3 0 20 - 0,6 30,7 250 67

4 - -30 + 2,5 123 1000 47

5 + -5 + 2,5 123 1000 65

6 0 20 + 2,5 123 1000 87

7 - -30 0 1,5 77 625 20

8 + -5 0 1,5 77 625 38

9 0 20 0 1,5 77 625 75

Обработка результатов экспериментальных исследований по программе “MNKLUX” позволила получить регрессионную модель, определяющую количественный и качественный характер изменения функции отклика от исследуемых факторов при реализации матрицы эксперимента (табл. 2):

- в кодированном виде:

Toe (х, Х ) = 71,7 + 9,2 • x +15,16 • x — 41,16 • xt2 + 6,8 • x2 — 0,25 • x • х2

- в натуральном виде:

T

пов V охр 5У5555 V/

Регрессионная модель, определяющая зависимость оптимальной удельной мощности от температуры окружающей среды:

N

Экспериментально определена удельная мощность источника термического воздействия ЭНГЛ-1 24В в зависимости от температуры окружающей среды.

Литература

1. Зеньков С.А., Диппель Р.А., Булаев К.В., Батуро А.А. Планирование эксперимента по исследованию влияния параметров теплового воздействия на сопротивление сдвигу грунта // Механики XXI веку. 2005. № 4. С. 52 -56.

2. Зеньков С.А., Игнатьев К.А., Филонов А.С., Балахонов Н.А. Определение рациональных параметров оборудования теплового действия к рабочим органам землеройных машин для разработки связных грунтов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2013. Т. 2. № 2с (71). С. 124-129.

3. Зеньков С.А., Жидовкин В.В., Ничаев А.Н., Курмашев Е.В. Применение оборудования теплового воздействия для снижения адгезии грунтов // Механики XXI веку. 2010. № 9. С. 129-132.

4. Зеньков С.А., Игнатьев К.А., Филонов А.С. Эффективность гибких нагревательных элементов для борьбы с адгезией грунтов к землеройным машинам // Труды Братского государственного университета. Серия: Естественные и инженерные науки. 2013. Т. 1. С. 134-137.

5. Зеньков С.А., Игнатьев К.А., Филонов А.С., Банщиков М.С. Исследование влияния теплового воздействия на адгезию грунтов к рабочим органам землеройных машин // Механики XXI веку. 2013. № 12. С. 228-232.

6. Зеньков С.А., Кожевников А.С., Кутимский Г.М. Использование электронагревательных гибких ленточных элементов для борьбы с намерзанием грунта к металлическим поверхностям рабочих органов землеройных машин // Механики XXI веку. 2014. № 13. С. 134-138.

7. Зеньков С.А., Батуро А.А., Булаев К.В. Теоретические предпосылки повышения производительности экскаваторов при устранении адгезии грунта к ковшу // Механики XXI веку. 2006. № 5. С. 79-81.

46

Международный научно-исследовательский журнал •№ 7(38)  Август

References

1. Zen'kov S.A., Dippel' R.A., Bulaev K.V., Baturo А.А. Planirovanie ehksperimenta po issledovaniyu vliyaniya parametrov teplovogo vozdejstviya na soprotivlenie sdvigu grunta // Mekhaniki XXI veku. 2005. № 4. S. 52-56.

2. Zen'kov S.A., Ignat'ev K.А., Filonov А.S., Balakhonov NA Opredelenie ratsional'nykh parametrov oborudovaniya teplovogo dejstviya k rabochim organam zemlerojnykh mashin dlya razrabotki svyaznykh gruntov // Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2013. T. 2. № 2c (71). S. 124-129.

3. Zen'kov SA., ZHidovkin V.V., Nichaev А.N., Kurmashev E.V. Primenenie oborudovaniya teplovogo vozdejstviya dlya snizheniya adgezii gruntov // Mekhaniki XXI veku. 2010. № 9. S. 129-132.

4. Zen'kov SA, Ignat'ev KA., Filonov A.S. EHffektivnost' gibkikh nagrevatel'nykh ehlementov dlya bor'by s adgeziej gruntov k zemlerojnym mashinam // Trudy Bratskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Estestvennye i inzhenernye nauki. 2013. T. 1. S. 134-137.

5. Zen'kov SA., Ignat'ev KA., Filonov AS., Banshhikov M.S. Issledovanie vliyaniya teplovogo vozdejstviya na adgeziyu gruntov k rabochim organam zemlerojnykh mashin // Mekhaniki XXI veku. 2013. № 12. S. 228-232.

6. Zen'kov SA, Kozhevnikov A.S., Kutimskij G.M. Ispol'zovanie ehlektronagrevatel'nykh gibkikh lentochnykh ehlementov dlya bor'by s namerzaniem grunta k metallicheskim poverkhnostyam rabochikh organov zemlerojnykh mashin // Mekhaniki XXI veku. 2014. № 13. S. 134-138.

7. Zen'kov SA, Baturo А.А., Bulaev K.V. Teoreticheskie predposylki povysheniya proizvoditel'nosti ehkskavatorov pri ustranenii adgezii grunta k kovshu // Mekhaniki XXI veku. 2006. № 5. S. 79-81.

Каганов В.И.

Доктор технических наук, профессор,

Московский государственный Университет Телекоммуникационных систем, радиотехники и электроники

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ КАК ЗАЩИТА ОТ ГОЛОЛЕДА

Аннотация

Предлагаются для защиты от гололеда два способа преобразования электромагнитной энергии в тепло: с помощью бегущей и стоячей волны. Приводятся результаты лабораторного эксперимента по проверке методов Ключевые слова: электромагнитные волны, гололед, тепло, резонатор.

Ksganov W.I.

Professor, PhD in Engineering,

Moscow State University of Information Technologies, Radio Engineering and Electronics (MIREA) ELECTROMAGNETIC WAVES AS PROTECTION ICING

Abstract

Two ways to convert electromagnetic energy into heat are analyzed: with the help of traveling and standing waves. The results of laboratory experiment to test methods given.

Keywords: electromagnetic wave, icing , thermal heating , resonator.

Отложение наледи на проводах происходит при резком перепаде значения температуры окружающего воздуха, когда влага замерзает на поверхности охлажденных предметов. При этом толщина льда на проводах ЛЭП может достигать 60 мм. В результате происходит обрыв проводов, их недопустимо близкое сближение и раскачивание. Можно привести много примеров серьезных аварий из-за гололеда в электросетях России, Канады и Европы.

Одной из серьезных причин нарушения нормального функционирования железнодорожного транспорта во всем мире является обледенение проводов контактной сети. В результате обледенения создаются дополнительные механические нагрузки на провода и возникают дуговые разряды с большими токами, обусловливающие обжигание проводов и повреждение дорогостоящих графитовых токоприемников. Подобные явления возникают даже при образовании на проводах тонкого ледяного слоя в виде инея.

В этой связи предлагается принципиально новый способу защиты электрических сетей от гололеда путем преобразования энергии СВЧ электромагнитных волн в тепло и нагрев проводов до температуры + (15-20)0 С , что должно предотвращать образование на них наледи. Таким образом, предлагается не очищать от гололеда провода, а защищать последние от образования на них наледи с помощью как бегущей, так и стоячей электромагнитной волны.

Способ бегущей электромагнитной волны В этом случае к линии электропередачи через высоковольтные конденсаторы подключается высокочастотный генератор частотой 81,36 Мгц, разрешенной к применению для промышленных целей. Для волны, распространяющейся вдоль бесконечно длинной линии на расстоянии x от ее начала, уравнение баланса мощностей имеет вид :

P

где Pr - мощность волны, подводимой к линии от внешнего высокочастотного генератора; PR - мощность волны, перешедшей в тепло в силу распределенного активного сопротивления длинной линии; PS - мощность излучения линии.

По причине скин-эффекта, т.е. вытеснения тока к внешней поверхности провода, его активное (омическое) сопротивление резко возрастает [1-2]. Для преобразования в тепло энергии излучения вдоль провода располагаются специальные резисторы - излучатели, греющие провода. Экспериментальная проверка нагрева двухпроводной

47