К компетенциям - через инноватику

Подождите немного. Документ загружается.

141

8. Сухов П. Машинам нужна власть // Энергия пром. роста. – 2006. –

№ 10. URL: http://www.epr-magazine.ru/business/otrasl_obzor/need_a_power

(дата обращения: 01.09.2009).

9. Жиганов В. И. Инновационные технологии для создания и обновле-

ния станков токарной группы // Ремонт, восстановление, модернизация. –

2007. – № 1.

П. И. Степанов, студент;

Ю. В. Гацкова, ст. преподаватель

Новоуральский государственный технологический институт

Электрохимическая очистка промышленных стоков

от тяжелых металлов

Быстрое развитие промышленного производства и сельского хо-

зяйства, а также постоянное повышение социально-культурного

уровня населения вызывают неотложную необходимость в решении

проблемы предотвращения отрицательного воздействия человече-

ской деятельности на окружающую среду, в том числе защиты водо-

емов от загрязнения сточными водами.

Основная масса загрязнений поступает в водоемы со сточными

водами от населенных пунктов и промышленных предприятий.

Одной из эффективных мер защиты водных источников является

предварительная очистка сточных вод на очистных сооружениях.

В основе очистки сточных вод лежат сложные физико-химические

и биохимические процессы. Значительны капитальные затраты на

строительство очистных установок, экономическая эффективность

которых в ряде случаев проявляется только при рассмотрении эколо-

гических задач в региональном или хозяйственном масштабах. По-

этому главными задачами являются разработка новых и совершенст-

вование существующих способов очистки, снижение капитальных

и эксплуатационных затрат на очистку воды, организация замкнутых

систем водоснабжения промышленных предприятий, широкое вне-

дрение автоматизации и механизации [2].

Разнообразие химического состава сточных вод, образующихся

в различных процессах и содержащих значительное количество вы-

сокотоксичных загрязнений, делает решение проблемы их очистки

достаточно сложной и ответственной задачей.

142

Для очистки сточных вод от различных растворимых и дисперги-

рованных примесей применяют процессы анодного окисления и ка-

тодного восстановления, электрокоагуляции, электрофлокуляции

и электродиализа. Все эти процессы протекают на электродах при

пропускании через сточную воду постоянного электрического тока.

Электрохимические методы позволяют извлекать из сточных вод

ценные продукты при относительно простой автоматизированной

технологической системе очистки, без использования химических

реагентов [1]. Основным недостатком этих методов является боль-

шой расход электроэнергии.

Цель исследований: установить возможность применения устрой-

ства для очистки воды с использованием малых величин тока и на-

пряжений, что позволит уменьшить расход электроэнергии.

Рис. 1. Схема электролизера: 1 – корпус; 2 – графитовый анод; 3 –

графитовый катод; 4 – водопроницаемые контейнеры с активированным

углем

Схема электролизера показана на рис. 1. Данное устройство пред-

назначено для очистки воды от тяжелых металлов без вреда для на-

ходящихся в ней флоры и фауны. Это возможно при использовании

малых сил тока и напряжений. Принцип действия устройства основан

на методе анодного окисления и катодного восстановления. Особен-

ностью разрабатываемого устройства являются электроды с развитой

поверхностью. Для увеличения площади поверхности используется

гранулированный активированный уголь, помещенный в водопрони-

цаемый контейнер.

С помощью данной установки были проведены следующие опыты.

•

Электролиз водного раствора медного купороса (CuSO

4 2 2 2 4

2CuSO 2H O 2Cu O 2H SO

+ → + ↑ +

143

В водный раствор медного купороса опустили графитовые элек-

троды, присоединенные к источнику постоянного тока напряжением

1,5 В. Спустя 1,5–2 часа анод стал приобретать красный цвет, что

свидетельствует о том, что на нем осаждается медь.

В результате было доказано, что электролиз медного купороса

может протекать и при малых токах. Значит, можно осуществлять

электрохимическую очистку воды от ионов меди с меньшими затра-

тами электроэнергии.

• Электролиз водного раствора перманганата калия (KMgO

4 2 2 2

4KMnO 2H O O 4MnO KOH

+ → ↑ + ↓ +

В водный раствор перманганата калия опустили графитовые элек-

троды, присоединенные к источнику переменного тока напряжением

1,5 В. Через некоторое время интенсивность окраски раствора

уменьшается, наблюдается образование бурого осадка.

В результате было доказано, что электролиз перманганата калия

может протекать и при малых токах.

Данная установка может использоваться в промышленных це-

лях. Для этого вода должна пропускаться через установку с малой

скоростью.

Также можно использовать в водохранилищах, в которых вода за-

грязнена сточными водами с содержанием тяжелых металлов. Для

этого должно быть создано сооружение, представленное на рис. 2.

Рис. 2. Схема разработанного сооружения: 1 – плот с оборудованием

и угольными контейнерами; 2 – источник питания; 3 – водоем; 4 – медно-

графитовый электрод

144

Направления дальнейшей работы:

1) создание опытной установки для проведения исследований на

пробах сточных вод предприятий;

2) получение количественных данных об эффективности предла-

гаемого способа.

Список литературы

1. Жуков А. И., Монгайт И. П., Родзиллер И. Д. Методы очистки произ-

водственных сточных вод. – М. : Стройиздат, 1977.

2. Родионов А. И., Клушин В. Н., Торочешников Н. С. Техника защиты ок-

ружающей среды. – М. : Химия, 1989.

О. В. Уржумова, магистрант

Ижевский государственный технический университет

Разработка и исследование макетной установки мехатронного

устройства рекуперации энергии на основе супермаховика

На сегодняшний день проблема энергосбережения и эффективно-

го использования топливных ресурсов – одна из важнейших научно-

технических проблем. Рекуперация энергии позволяет вернуть часть

энергии, расходуемой при проведении того или иного технологиче-

ского процесса, для ее повторного использования в том же процессе.

В результате получается экономия энергии и как следствие – эконо-

мия средств на эксплуатацию системы. Рекуператор также применя-

ют, если установить мощную систему невозможно (когда имеется

ограничение в возможном объеме потребляемой энергии). С другой

стороны, проходя через накопитель, энергия становится «экологич-

нее», безвреднее для окружающей среды, и двигатели машин рабо-

тают более равномерно, вредность их отработавших газов в несколь-

ко раз меньше, чем обычно.

Одним из вариантов решения этой проблемы может стать махо-

вичная накопительная система.

Супермаховики являются накопителями механической энергии.

Они могут собирать большое количество энергии на единицу своего

веса, так как их энергетические возможности определяются предель-

ной скоростью вращения (и, во вторую очередь, – массой), а скорость

зависит от прочности выбранного материала. Таким образом, суперма-

145

ховик способен накапливать огромную удельную энергию благодаря

высокой удельной прочности материала, из которого он изготовлен.

Объемы использования, применения маховиков возрастают с каж-

дым годом. Это объясняется тем, что супермаховики сочетают в себе

долговечность и умеренную цену, высокий КПД и безопасность при

разрушении (благодаря конструктивным особенностям). Их недостат-

ком является большой момент импульса, который будет препятство-

вать изменению направления оси вращения маховика.

Изобретатель супермаховика, проф. Н. В. Гулиа, в первую очередь

собирался применять его как накопитель энергии для автомобилей.

Однако последние успешные достижения относятся к другим облас-

тям. Компания Beacon Power, основанная в США в 1997 г., разрабо-

тала серию больших стационарных супермаховиков для применения

в промышленных энергосетях. Ее накопители представляют собой

цилиндрические емкости (рис. 1), внутри которых, на активных маг-

нитных подшипниках, и подвешены супермаховики. Выполнены они

из огромного числа слоев углеволоконного композита.

Рис. 1. Устройство супермаховичного накопителя Beacon Power Smart Energy

(иллюстрация Beacon Power)

Преобразование электрической энергии в механическую и наобо-

рот осуществляется посредством асинхронных или синхронных обра-

тимых машин.

На стальном валу маховика, там же – внутри герметичного сталь-

ного цилиндра, установлен ротор высокоэффективной обратимой

электрической машины – мотора-генератора (она выполнена на по-

146

стоянных магнитах), который и раскручивает маховик при приеме

энергии и вырабатывает ток – при подключении нагрузки. Beacon

Power сообщает, что потеря энергии, закачанной и позднее забранной

из этих накопителей, составляет 2 %.

Такие системы достаточно быстро реагируют на спады и пики на-

грузки (время реакции около 4 секунд), но в некоторых случаях тре-

буется более быстрый переход из одного режима в другой.

Проблемы рекуперации энергии и быстродействия всей системы свя-

заны с потерями энергии (потери энергии в опорах – подшипниках, вен-

тиляционные потери и т. п.), способом съема энергии с маховика, с ма-

териалом из которого он изготовлен, с конструктивными особенностями

системы, влияющими на скорость ее реакции на скачки нагрузки и т. д.

Используемые преобразователи имеют в своем составе мотор-

генератор на основе асинхронной машины. Параметры работы асин-

хронной машины зависят от частоты вращения, и высокая эффектив-

ность достигается в узком диапазоне частот, а в разрабатываемой

установке маховик должен работать в широких пределах.

Для создания макетной установки требуется проработка различ-

ных вариантов конструкций компоновки силовой части, которая

зависит от формы постоянных магнитов, индуктивной и частотной

характеристик электромагнитов и т. п., а также от взаимного распо-

ложения магнитов и катушек и от числа этих пар и т. д.

Для выбора оптимального решения можно воспользоваться мето-

дами моделирования либо провести серию натурных экспериментов.

В приведенной схеме макетной установки (рис. 2) раскручивание ма-

ховика осуществляется при помощи устройства, имеющего следующую

конструкцию: диск (диски) с равномерно распределенными по перимет-

ру постоянными магнитами (вращающаяся часть) и расположенная па-

раллельно этому диску обмотка катушек (неподвижная часть). На об-

мотку импульсно подается ток таким образом, чтобы с первым импуль-

сом магнитное поле катушки притягивало поле постоянного магнита,

а со вторым (подается ток противоположного направления) – отталкива-

ло. Диск должен быть выполнен из неферромагнетика.

Предлагаемая установка предназначена для решения следующих

вопросов: выбор постоянных магнитов с оптимальными характери-

стиками; определение величины зазора между диском и маховиком,

постоянными магнитами и обмоткой катушек; число пар магнитов

и катушек; подбор оптимального количества дисков и расстояния

между ними, а также ряда других вопросов, которые будут решаться

опытно-экспериментальным путем.

147

Рис. 2. Схема макетной установки: 1 – маховик; 2 – диск; 3 – постоянные

магниты; 4 – обмотка катушек

На основе данной установки предполагается решить следующие

задачи:

– выбор оптимальной компоновки электрической силовой части

опытно-экспериментальным путем;

– повышение обратимости и быстродействия подобных систем;

– улучшение эффективности работы в целом.

Список литературы

1. Накопители энергии : учеб. пособие для вузов / под. ред. Д. А. Бута. –

М. : Энергоатомиздат, 1991.

2. Гулиа Н. В. В поисках «энергетической капсулы». – М. : Дет. лит., 1984.

3. Википедия – свободная энциклопедия. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/

(дата обращения: 01.09.2009).

4. Электротехнический рынок: ежемес. реклам.-информ. журн. – 2006. –

Окт. – № 4. URL: http://market.elec.ru/nomer/04-october-2006.pdf (дата обраще-

ния: 01.09.2009).

148

Д. Н. Фёдоров, студент;

научный руководитель – д-р техн. наук, проф. А. В. Щенятский

Ижевский государственный технический университет

Проектирование автоматизированной установки

для накатывания резьбы на метизах

В данном проекте предлагается разработать комплекс для произ-

водства метизов. Главной отличительной чертой этого комплекса

должны являться его доступность и производственная гибкость.

Актуальность данного проекта состоит в том, что с бурным разви-

тием строительно-монтажных работ растет и потребность в крепеж-

ных изделиях, в их широкой номенклатуре. Данный проект предлага-

ет ответ на данный вопрос: разрабатывается мобильный, сравнитель-

но недорогой, модульный (что позволяет потребителю максимально

эффективно подобрать набор функций, решаемых установкой) авто-

матизированный комплекс для производства метизов.

Методом резьбообразования предлагается выбрать накатывание. На-

катывание резьбы следует применять в тех случаях, когда обрабатывае-

мый материал способен подвергаться пластическим деформациям.

Основные преимущества этого метода – большая производитель-

ность за счет высоких скоростей накатывания (30–90 м/мин) и отсут-

ствия свинчивания головки с изделия при обратном ходе, высокая

точность и низкая шероховатость поверхностей накатанной резьбы,

возможность образования резьбы на тонкостенных деталях без пред-

варительного снятия припуска и на некоторых труднообрабатывае-

мых материалах, что по сравнению с нарезанием увеличивает произ-

водительность в десятки раз.

Одно из основных направлений работ в области накатывания –

создание универсальных резьбонакатных головок применительно

к существующему универсальному оборудованию или к специаль-

ным станкам, применяемым в трубной промышленности.

В большинстве случаев создание и применение головок намного

эффективнее, чем создание специальных станков.

В настоящее время серийно изготовляют резьбонакатные голов-

ки следующих типов: ВНГН для накатывания метрических резьб

Ø 8–52 мм; ВНГН трап. для накатывания трапецеидальных резьб

Ø 16–42 мм; ВНГТ для накатывания резьб Ø ½–2

″

труб. на водога-

зопроводных тонкостенный трубах; РНГТ для накатывания резьб

149

Ø ½–3" как на водогазопроводных трубах, так и на сплошных изде-

лиях; ТНГС (тангенциальная) для накатывания резьб Ø 6–48 мм.

Для проекта предлагается выбрать резьбонакатную головку

ВНГН. Это обусловлено ее относительной простотой устройства,

широким диапазоном номенклатуры и возможностью производить

наиболее распространенный тип резьбы. Принцип работы головки

ВНГН представлен на рис. 1.

Рис. 1. Принцип работы резьбонакатной головки

Выбор стандартного изделия поможет снизить стоимость проекта,

так как отпадает необходимость проводить испытания для вновь раз-

работанного элемента конструкции (рис. 2).

Рис

. 2. Спроектированная резьбонакатная головка

150

Для расширения номенклатуры производимой продукции спроек-

тировано захватное цанговое приспособление. Общий вид его пред-

ставлен на рис. 3.

Рис. 3. Общий вид захватного устройства

Такая конструкция позволяет закреплять разные виды и размеры

заготовок (круглый и многогранный профиль) с заменой минималь-

ного количества сравнительно недорогих элементов – зажимных ку-

лачков.

Приводная часть комплекса разработана из простых по форме

крепежных элементов и относительно недорогих элементов. Двига-

тель для придания заготовке вращения используется асинхронный,

так как это самый дешевый тип двигателя. Недостатком использова-

ния этого двигателя является трудность его позиционирования. Но

этот параметр здесь не является определяющим, а частота вращения

(режим производства) задается контроллером широтно-импульсным

модулированием. Общий вид приводного блока установки показан на

рис. 4.

В итоге работы спроектирована автоматизированная резьбонакат-

ная установка, общий вид которой представлен на рис. 5.