ЭЛЕКТРОТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ И РЕЗИСТОРОВ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ

Системно-аналитический обзор существующих ингредиентов сложных резистивных композиционных материалов позволил обоснованно выбрать несколько разновидностей связки на основе силикатов и полимеров, электропроводных наполнителей, в основном из переходных форм углерода, и диэлектрических компонентов с повышенными теплофизическими характеристиками (таблица 2).

Таблица 2 – Примеры сложных составов резистивных композиционных материалов

Наименование компонентов	Соотношение компонентов в массовых долях, %
	Бетэл	РКМ 1	РКМ 2	РКМ 3
Цемент	23 - 24	-	-	-
Кварцевый песок	4 - 34	0,1	0,01 - 18	0,01 - 38,88
Углеродистый тонкомолотый порошок или технический углерод	6 - 29	4,5 - 10	3 - 15	0,01 - 50
Вода	5 - 30	5 - 20	5 - 20	-
Баритовый концентрат	8 - 9	-	-	0,01 - 8,84
Гексахлор – n-ксилол	-	-	-	0,26 - 0,4
Доменный или феррошлак	-	60 - 75	50 - 70	-
Молотый силикат натрия	-	-	5 - 25	-
Оксид кальция	-	-	0,01 - 8	-
Гипс	-	-	0,01 - 8	-
Натриевое жидкое стекло	-	15 - 24	-	-
Оксид цинка	-	-	-	1,48 - 4
Бутилкаучук	-	-	-	30 - 50
Хлоропреновый каучук	-	-	-	2,6 - 2,65
Фенолформальдегидная смола	-	-	-	4,5 - 5,7
Дисперсный селен	-	-	-	0,01 - 10
Периклаз	6 - 38	-	-	-
Дисперсный теллур	-	-	0,01 - 5,5	-

Особенностью РКМ является изотропность по электрической проводимости, которая оказывает влияние на физико-механически ехарактеристики, температуропроводность и другие параметры материалов и изделий из них.

Нами получен анизатропный материал при введении дисперсного магнетита Таштагольского месторождения Кемеровской области в композиции с силикатными и полимерными связками [14, 16, 21].

Разработанные методики подбора составов и прогноза характеристик РКМ показали удовлетворительную сходимость расчётных и экспериментальных параметров. Полученные эмпирические зависимости явились основой разработанных технологических правил производства электронагревателей и резисторов из РКМ с силикатными и полимерными связками по разработанным схемам технологических процессов. Это позволило в производственных условиях обеспечить опытно-промышленный выпуск изделий [13,16].

В четвертой главе даётся обоснование промышленной технологии, предусматривающей очистку и пропитку поверхности резистивных колонок, собранных из РКМ цилиндрического типа, с помощью ультразвука [9, 13, 54]. Ультразвуковые колебания высокой интенсивности обеспечивают многократное ускорение процессов, протекающих на границе контакта материалов и гидравлической среды (очистка и пропитка), снижая наружную пористость обрабатываемых изделий, увеличивая электрическое напряжение перекрытия по их поверхности и в приповерхностном слое [13,16, 56, 59].

Для обработки поверхности резистивных колонок применяют электроизоляционные масл, кремнийорганические лаки и эмали, пропиточные и заливочные компаунды. При этом в ультразвуковом поле происходит процесс кавитации, приводящий к уменьшению вязкости гидравлической среды, и проникновение жидкости в микротрещины и капилляры. Эффективность применения ультразвука связана в основном с двумя его характерными особенностями: лучевым распространением и большой плотностью энергии. Из-за малой длины волны распространение ультразвуковых волн сопровождается сопутствующими эффектами: отражением, фокусировкой, образованием теней [53-55].

При выводе волнового уравнения, в том числе с учётом особенностей ультразвуковых систем, рассматривается задача, когда физическое тело (резистивная колонка) помещается в основание трёхмерного сосуда (a • b • h) с ультразвуковыми излучателями. Сосуд заполнен до некоторого уровня h активной жидкостью.

Можно считать, что ультразвуковая установка работает с постоянной мощностью P. Это наиболее благоприятный режим, обеспечивающий стабильный технологический процесс. Тогда количество израсходованной энергии W определяется из соотношения

(30)

Следовательно, минимизация по времени эквивалентна минимизации потребляемой энергии. Рассмотрим волновое уравнение вида

(31)

где f – искомая функция; x – координата, по которой распространяется плоская волна; p – давление внутри жидкости вдоль этой координаты; 0 – плотность жидкости в состоянии равновесия.

Как видно из (31), динамика волнового процесса определяется дифференциальными уравнениями второго порядка в частных производных. Из термодинамики известно, что есть функция плотности и температуры жидкости. Температура, в свою очередь, изменяется при сжатии и растяжении. Теплопроводность жидкостей, в отличие от твёрдых веществ, очень мала, поэтому в первом приближении можно считать, что процесс распространения переменного давления происходит адиабатически, то есть без заметного теплообмена между соседними частями. Тогда давление превращается в однозначную функцию от плотности р = f(р0) [55].

Обозначим

р = р0 = р ; = 0 = (32)

где р и – соответственно, изменения давления и плотности при нарушении равновесия.

Принимая неизменность давления при равновесии (p0 /dx = 0) и подставляя (32) в (31), получим

(33)

Обозначив = f /dt, можно записать

0 + = f (0 + ) = f (0 ) + f '(0 ) + f "(0 ) ()2 +…. (34)

Выражение (34) есть разложение нелинейной функции f в ряд Маклорена. Поскольку f (0 ) = 0, то

= f '(0) + f "(0 ) ()2 +…. (35)

При незначительных изменениях давления, сводящихся к малым приращениям, ряд (35) ограничивается первым членом. В ходе динамических деформаций исходный объём V0 превращается в V(t)

V(t) = V0 [1 + (t)]. (36)

C другой стороны, произведение плотности на объём, равное массе вещества, не меняется (37)

Подставляя (36) в (37) получим (0 + )(1 + ) = 0, из которого

. (38)

Пренебрегая степенями высшей малости, получаем

(39)

(40)

Отсюда исходное волновое уравнение приобретает вид

(41)

где (42)

Выражение (41) содержит символ u, физический смысл которой соответствует скорости распространения упруговязкой волны в гидросреде. Исходя из (42), скорость распространения u пропорциональна квадратному корню из производной давления по плотности. Введём понятие модуля упругости = f’(), или =E, при E = f’() = .

Тогда волновое уравнение приобретает вид

(43)

откуда , (44)

где Е – взвешенный модуль упругости.

Из (44) запишем. (45)

Удельное акустическое сопротивление определяется

(46)

Тогда средняя плотность потока энергии в синусоидальной волне

(47)

где – соответственно, амплитуды скорости и давления.

Выражение (47) имеет прямую аналогию с электрическими цепями. Если выразить в виде U действующее значение электрического напряжения, а R – активное сопротивление цепи, то мощность P определяется выражением

(48)

где – амплитудное значение напряжения.

Численные значения описываемых величин приведены в таблице 3 [6].

Таблица 3 – Результаты расчётов параметров веществ

Вещество	, rсм-3	U, м/с	= u
Железо	7,7	5470	398104
Кварц	2,65	5710	153104
Вода	4	1494	149103
Масло	0,9	1450	135103
Воздух	1,2910-3	331	42,9

Из таблицы следует, что акустические параметры различных веществ резко различаются в зависимости от их агрегатного состояния. Для металлов удельное акустическое сопротивление минимум на один порядок выше, чем для жидкостей, а параметры для разных типов жидкостей соизмеримы. При акустическом сопротивлении воздуха намного ниже, чем жидкости, следует, что на границе двух сред (жидкость – воздух) условия распространения волны резко изменяются. Это значит, что волна претерпевает полное внутреннее отражение, независимо от среды её возникновения. Поэтому можно считать, что потерь энергии и её рассеяния в воздух практически не происходит. Следовательно, в ограниченном объёме жидкости необходимо рассматривать взаимодействие двух волновых процессов с практически одинаковой интенсивностью: излучаемой и отражаемой от поверхностей и стенок волн.

В любой точке трёхмерного пространства результирующее излучение соответствует векторной сумме трёх составляющих примерно равной интенсивности. С учётом того, что указанные векторы имеют периодическую амплитуду, общая картина взаимодействия волн имеет достаточно сложный характер, который даёт структуру внутреннего трёхмерного силового (гидравлического) поля в активной зоне. Она зависит, прежде всего, от размеров ванны (активной зоны), высоты столба жидкости, объёмов и конфигурации погружаемых деталей.

Поэтому была разработана модульная схема ультразвуковой системы учитывающая, что резонансные частоты f и сопротивления Z при выборе структурной схемы различны даже для отдельных излучателей одного типа. Подбор излучателей по f и Z технологически очень труден и практически невозможен в условиях серийного производства [55].

Равномерность загрузки по мощности излучателей в мозаичной системе ввиду различных частот и сопротивлений может быть достигнута только в модульных системах, когда каждый излучатель питается от отдельного модульного генератора, охваченного цепями автоподстройки по частоте.

В свою очередь, модульный генератор должен состоять из функциональных субмодулей, что значительно улучшает ремонтопригодность и обеспечивает возможность его дальнейшей модернизации. Были разработаны рекомендации по эффективному размещению излучателей в технологической ёмкости для очистки и пропитки ультразвуком изделий из РКМ, различных деталей машин и механизмов сельскохозяйственного назначения.

В пятой главе исследуются способы совершенствования электротехнических изделий из РКМ. В резисторах и ЭНУ наиболее слабым местом является контактный узел. Нами установлено, что для композиционных резисторов на основе силикатов положительные результаты получены с контактами при шоопировании поверхности алюминием, цинком, кадмием и другими металлами [4, 14, 16]. Экспериментальные данные свидетельствуют, что электрическое перекрытие образцов начинается с возникновением искрения и частичной дужки в месте контактирования электродов резистора. При этом качественно оценивались процессы, происходящие в испытуемом образце и определялись концентраторы напряжений, находящиеся на кромках контактной поверхности резистора. Последнее послужило основанием для разработки конструкций контактных поверхностей резистора с применением специальных клеящих паст, изменением характера «кромки» поверхности
и т.д. [13-14, 16].

Применение системных методов при селективном комплектовании мощных резисторов и электронагревателей из РКМ предусматривает жёсткие требования к предельной энергии рассеяния и допустимому градиенту напряжения вдоль поверхности изделия. Для повышения разрядного напряжения резисторов с электропроводными наполнителями предлагаются следующие пути:

- повышение однородности резистивных композиционных материалов;

- улучшение адгезии металлических электродов с резистивными композиционными материалами;

- устранение краевых эффектов;

- кратковременный обжиг (тепловой удар) поверхностного слоя резистора;

- покрытие поверхности резистора кремнийорганическими эмалями;

- улучшение теплоотдачи и теплоотвода.

Всё вышеуказанное позволило разработать рекомендации по регулированию комплекса электрофизических, тепло- и физико-механических параметров РКМ технологическими способами (таблица 4) [13, 48, 56].

Основные технологические приёмы изготовления электротехнических устройств из РКМ представлены на рисунке 13 [14-17].

Таблица 4 – Системный подход к технологическим способам регулирования параметров резистивных композиционных материалов	Улучшаемый параметр	Удельное сопротивление, электрическая прочность, энергоёмкость, нелинейность	Пористость, водопоглощение, разрушающее напряжение при сжатии, стабильность удельного сопротивления, температурный коэффициент сопротивления	Теплопроводность, электрическая прочность, энергоёмкость, разрушающее напряжение при сжатии, температурный коэффициент сопротивления	Удельное сопротивление, энергоёмкость, электрическая прочность, разрушающее напряжение при сжатии, пористость, нелинейность, температурный коэффициент сопротивления	Удельное сопротивление, разрушающее напряжение при сжатии, пористость, нелинейность, температурный коэффициент сопротивления	Электрическая прочность, энергоёмкость, пористость, водопоглощение	Удельное сопротивление, разрушающее напряжение при сжатии, энергоёмкость, нелинейность, пористость, температурный коэффициент сопротивления	Удельное сопротивление, энергоёмкость, электрическая прочность, водопоглощение, разрушающее напряжение при сжатии, нелинейность, температурный коэффициент сопротивления
	Ингредиенты композиции и особенности технологии	Концентрация проводника, дисперсность проводниковых частиц и их тип проводника	Тип цемента, жидкое стекло и растворы щелочей, силикат глыба типы каучуков и других полимеров	Кварцевый песок, оксид магния (периклаз), оксиды металлов, дисперсные металлы или полупроводники	Вибрирование, динамическое или статическое прессование, экструдирование	Сырая смесь, готовое изделие	Пропитка электроизоляционными жидкостями, кратковременный обжиг	Воздушносухая, в среде насыщенного пара, вулканизация	Поливинилацетатная эмульсия (ПBA), и эмульгатор, латекс с эмульгаторами
	Технологический способ	Изменение проводящей фазы	Изменение типа связки	Введение наполнителей	Формование смеси	Формование при действии постоянного или переменного напряжения:	Обработка поверхности изделия	Изменение режима гидротермальной обработки	Введение поверхностно-активных веществ и латексов