gototopgototop

УДК 678.065

Разработка и исследование двухдискового ножа для разрезания утилизируемых шин в окружном направлении

Вещев Александр Александрович – доктор технических наук, профессор кафедры Технологических машин и оборудования Ярославского государственного технического университета. (ЯГТУ, г.Ярославль)

Соколов Алексей Евгеньевич – аспирант кафедры Технологических машин и оборудования Ярославского государственного технического университета. (ЯГТУ, г.Ярославль)

Степанов Антон Сергеевич – студент кафедры Технологических машин и оборудования Ярославского государственного технического университета. (ЯГТУ, г.Ярославль)

Аннотация: В статье описана эффективная резательная машина для разрезания утилизируемых шин в окружном направлении на три части. Представлена методика расчета энергосиловых характеристик и результаты теоретического и экспериментального исследования процесса разрезания утилизируемых шин.

Ключевые слова: утилизация, шина, дисковый нож, натяжной ролик, кордная нить, усилие резания, расчет.

Ранее [1] было показано, что для повышения эффективности отечественных предприятий, занятых переработкой изношенных шин, крайне необходимо организовать планомерную и всестороннюю научную проработку всех аспектов этого производства, в том числе технологии и оборудования на каждом производственном участке. Поэтому вновь создаваемые технологические решения должны быть не только эффективными, экологичными и безопасными сами по себе на отдельном участке, но и создавать предпосылки для совершенствования технологии, оборудования и экономической эффективности смежных технологических участков, а в идеале – всей технологической цепочки.

В связи с этим в настоящей работе в качестве примера приводятся результаты экспериментальных и теоретических исследований, направленных на разработку эффективной резательной машины, которая позволяет создать новые и совершенствовать существующие способы и оборудование и на других участках технологической цепочки. Машина представляет собой двухдисковое резательное устройство, способное разрезать утилизируемую шину в экваториальном направлении на три части: каркасно-брекерно-протекторный браслет (КБПБ) и две боковины с бортовыми кольцами. Известно, что КБПБ и боковины любой шины имеют совершенно разную степень армирования: КБПБ современных радиальных шин как правило содержат от двух до пяти слоев обрезиненного металлокорда, в то время как боковины армированы либо текстильным кордом (легковые, легкогрузовые и некоторые другие шины), либо также содержат металлокорд, но не более одного слоя. Кроме того рецептурный состав резины в КБПБ и боковинах как правило существенно различается, обусловливая и разную их ценность. Поэтому предварительное разделение шины на КБПБ и боковины позволяет в дальнейшем перерабатывать их в различных потоках, и не смешивать продукты их переработки.

Предварительное разрезание шины на КБПБ и две боковины с бортовыми кольцами обеспечивает также:
- резкое увеличение производительности процесса отделения бортовых колец от целой стопы боковин благодаря использованию для этих целей кольцевых цилиндрических лезвий, которыми можно оснастить подходящий по энергосиловым и геометрическим параметрам пресс [2];
- повышение эффективности отделения резинотекстильного массива от металлокорда кольцеобразного КБПБ за счет его непрерывной прокатки между консольными валками прокатывающей машины [3];
- резкое снижение вредных газообразных выбросов в окружающую среду при заключительных операциях отделения остатков (после прокатки и сепарации) резинотекстильной составляющей от металлокорда (а не всей ее массы), например, при высокотемпературном пиролизе. При этом можно ожидать также снижения капитальных затрат на оборудование и энергозатрат при получении тонны очищенного от примесей металла;
- снижение износа рабочих органов измельчающих машин при первоначальном отделении металлокорда от резинотекстильной массы методом прокатки, а не дроблением с одновременным разрушением металлической арматуры шин.

Рассматриваемая ниже резательная машина представляет собой экспериментальный образец двухножевого режущего устройства и прошла всесторонние лабораторные испытания по разрезанию легковых покрышек с посадочным диаметром 13…15”, в результате которых отрабатывались конструкции рабочих органов (дисковых ножей и опорных роликов), а также вспомогательных узлов, повышающих эффективность ее работы.

На рисунке 1 показаны внешний вид машины, ее режущее и центрирующее устройства, а также фрагменты разрезанной покрышки.

Главными рабочими органами машины (см. рис. 2) являются два приводных опорных ролика 1 с кольцевыми проточками, два дисковых ножа 2 и натяжной ролик 3, установленный на одном валу вместе с ножами. Вал ножей и натяжного ролика имеет возможность отодвигаться от опорных роликов перед надеванием на них покрышки и приближаться к ним вплотную с целью погружения ножей через стенку беговой части покрышки в кольцевые проточки опорных роликов.

Рисунок 1. Внешний вид резательной машины и фрагментов разрезанной покрышки: 1 – режущее устройство; 2 – центрирующий узел; 3 – фрагменты разрезанной покрышки.

Дисковые ножи 2 имеют одностороннюю заточку и своими плоскими боковыми поверхностями обращены навстречу одна другой, что исключает прогиб КБПБ покрышки наружу от центра вала опорных роликов 1 при внедрении ножей в тело покрышки. Натяжной ролик 3 при внедрении ножей в проточки опорных роликов прогибает беговую часть КБПБ внутрь между опорными роликами, оттягивая кромки отрезаемого КБПБ от боковых поверхностей ножей. Благодаря этому устраняются силы трения кромок КБПБ о внутренние боковые поверхности ножей, а покрышка дополнительно центрируется на опорных роликах. В результате разрезание покрышки происходит симметрично и без перекосов. Данное техническое решение защищено патентами РФ [4, 5].

Рисунок 2. Принципиальная схема режущего устройства (а) и расчетная схема к определению межцентрового расстояния (б): 1 – опорный ролик; 2 – нож; 3 – натяжной ролик; 4 – покрышка.

В зависимости от типоразмера разрезаемой покрышки дисковые лезвия и, соответственно, опорные ролики могут сближаться между собой в осевом направлении, или раздвигаться с таким расчетом, чтобы расстояние между режущими кромками дисковых лезвий было чуть больше (примерно на 5 мм с каждой стороны) ширины КБПБ. Это как раз и обеспечивает возможность при разрезании покрышки получать отдельные кольцеобразные фрагменты: КБПБ и две боковины и перерабатывать их в дальнейшем в раздельных потоках.

Принципиальная схема режущего устройства показана на рисунке 2. Принятые обозначения: А – межцентровое расстояние между осями опорных роликов и ножей; RН и RР – наружные радиусы ножей и опорных роликов соответственно; ВН – толщина ножа; βН – угол заточки ножа; hН – глубина погружения режущей кромки ножа в кольцевую проточку опорного ролика; hР – глубина проточки ролика; b – ширина кольцевой проточки опорного ролика.

Для обоснованного проектирования промышленных образцов подобных резательных машин необходимо иметь методику расчета их энергосиловых характеристик: распорного усилия между ножами и опорными роликами, крутящего момента на приводном валу и потребляемой мощности. В самой общей постановке эта задача была ранее решена в работе [6]. Поскольку предлагаемая в настоящей работе резательная машина имеет ряд конструктивных особенностей, обусловленных ее назначением (вырезать центральную беговую часть покрышки – КБПБ), то упомянутая выше задача расчета энергосиловых характеристик процесса резания требует ее конкретизации применительно к разделению утилизируемых шин на три кольцеобразных фрагмента: КБПБ и две боковины с бортовыми кольцами.

Расчетная схема процесса отрезания боковин от КБПБ покрышки представлена на рисунке 3. Из геометрических построений имеем (см. рис. 2 и 3):
(1)
а согласно рисунку 3 можем также записать
(2)
(3)
Характерной особенностью процесса отрезания боковин от КБПБ с помощью двухдискового ножа является то, что в зоне резания, т.е. по кольцевым линиям реза, находятся чисто резиновые слои (протектор с минибоковинами и гермослой) и один или несколько слоев обрезиненного текстильного корда (покрышки с каркасом из текстильного корда), либо резиновые слои и один слой обрезиненного металлокорда (см. рис. 3), если разрезаются покрышки типа ЦМК. При этом в любом случае многослойный, армированный металлокордом КБПБ, находится вне зоны резания, т.е. между режущими кромками дисковых лезвий и не оказывает большого сопротивления при отрезании от него боковин. Другой особенностью является то, что в боковинах нити кордных слоев располагаются либо строго по меридиану покрышки (угол закроя каркасных слоев αк =0°), либо под небольшим углом к меридиану (αк =±3°), что необходимо учесть в математической модели процесса отрезания боковин.

Рисунок 3. Расчетная схема процесса отрезания боковин: 1 – дисковый нож; 2 – опорный ролик; 3 – гермослой; 4 – выделенный слой корда; 5 – протектор с минибоковиной.

Для получения необходимых расчетных соотношений воспользуемся уравнениями (2) и (3), описывающими суть процесса резания армированного вулканизата, и соответствующей расчетной схемой (рис. 3), где h – суммарная толщина слоев разрезаемого материала между опорной поверхностью ролика и нижней поверхностью выделенного слоя; hi – толщина i-го выделенного резинокордного слоя; RН – радиус ножа; RР – радиус ролика; φiн– угловая координата начала линии реза выделенного слоя; φiк – угловая координата конца линии реза выделенного слоя; А – межцентровое расстояние ножа и ролика; xiн, xiк – абсциссы начальной и конечной точек линии резания выделенного слоя.

Решая совместно оба уравнения каждой системы (2) и (3) и делая необходимые преобразования, получим выражения для расчета угловых координат φiн и φiк
(4)
(5)
Решение уравнений (4) и (5) позволяет рассчитать все величины, необходимые для энергосилового расчета процесса резания боковин:

-  угловые координаты начала φiн и конца φiк линии реза любого из выделенных слоев разрезаемого материала в зоне резания, а также длину liCD этой линии реза
(6)
- угловую координату средней точки Е линии реза выделенного слоя
(7)
- абсциссу точки Е
(8)
- момент сопротивления резанию i-го выделенного слоя
(9)
где Qi – усилие резания i-го выделенного слоя.
Для расчета усилий резания Qi выделенных слоев можно воспользоваться рекомендациями [6]:
- для чисто резиновых слоев
(10)
где qiуд– удельная сила резания i-го резинового слоя;
- для армированных кордными нитями слоев известно уравнение, позволяющее рассчитывать Qi при их разрезании в меридиональном направлении дисковым лезвием с двухсторонней заточкой [6]
(11)
где ik – плотность распределения нитей корда в k-том единичном слое i-го выделенного комбинированного, но однородного по типу армирующего материала (например, металлокорда) слое; k – номер единичного слоя в i-том выделенном комбинированном слое; m – число единичных слоев в i – том выделенном комбинированном слое; N1k – разрывное усилие нити корда; αk – угол наклона нити корда k-того единичного слоя к меридиану (берется из ККТ на разрезаемую покрышку); βk – угол перегиба k-того слоя армированного материала при прорезании его ножом. Значение βk зависит от многих факторов, в том числе от способа заточки лезвия ножа [7]. Предсказать точное его значение достаточно сложно, однако ясно, что оно находится в пределах βн≤βk≤180º. Поскольку при энергосиловых расчетах необходимо знать возможные наибольшие значения нагрузок, то целесообразно принять для рассматриваемого случая (рис. 4) β1k = β2k = βH.

Рисунок 4. К выбору угла перегиба нитей корда в резинокордном слое: 1 – опорный ролик; 2 – нож; 3 – резиновый слой; 4 – кордная нить.

Поскольку в рассматриваемом случае разрезание покрышки производится не в меридиональном, а в окружном направлении, и ножами не с двухсторонней, а с односторонней заточкой, то уравнение (11) следует записать в виде
(11’)
После расчета Mi для каждого выделенного слоя можно рассчитать суммарный момент сопротивления резанию всех слоев
(12)
где n – общее число выделенных i-тых слоев в разрезаемой боковине.
Мощность, затрачиваемая на разрезание двух боковин (технологическая мощность) будет равна
(13)
где ωн – угловая скорость вращения ножа.
С учетом того, что усилия резания Qi действуют не только на дисковые ножи, но и на опорные ролики, суммарная технологическая мощность составит
(14)
а с учетом КПД привода получим значение потребляемой мощности
(15)
где ωр – угловая скорость опорных роликов; ηпр – КПД привода резательной машины.

Следует отметить, что предложенный теоретический метод расчета потребляемой мощности не учитывает дополнительное сопротивление от воздействия натяжного ролика на разрезаемую покрышку. Поэтому целесообразно оценить влияние натяжного ролика путем сравнения полной потребляемой мощности, замеренной с помощью прибора «Меркурий-230», с расчетным ее значением. Для большого количества разрезаемых легковых покрышек с полиэфирным кордом в каркасе полная замеренная потребляемая мощность составила от 1,72 до 2,2 кВт, а мощность холостого хода машины (т.е. без воздействия на покрышку ножей и натяжного ролика) колебалась в пределах от 0,52 до 0,57 кВт. Таким образом, затраты потребляемой мощности на преодоление сопротивления натяжного ролика Nр можно ориентировочно оценить как разницу между измеренным значением потребляемой мощности и ее расчетным значением (см. ниже пример расчета)

Примеры графиков полной потребляемой мощности при разрезании покрышек и мощности холостого хода представлены на рисунке 5.

Рис. 5. Графики полной потребляемой мощности резания Nизм. и мощности холостого хода машины NХХ, измеренных счетчиком электрической энергии: 1 – Nизм.; 2 – NХХ

Пример расчета

Рассчитать распорное усилие, крутящий момент и технологическую мощность отрезания двух боковин от покрышки 175/70 R13, если известно: радиусы ножа и опорного ролика соответственно равны: RН = 127,5 мм; RР = 160 мм; ширина кольцевой проточки опорного ролика b = 2 мм (I вариант) и b = 4 мм (II вариант), угол односторонней заточки ножа βн = 30°. Характеристика выделенных слоев в зонах резания боковин приведена в таблице 1.

Решение

1.    Максимальная глубина погружения режущей кромки ножа с односторонней заточкой в кольцевую проточку опорного ролика (см. рисунок 2,б)

Таблица 1. Характеристика выделенных слоев боковин покрышки 175/70 R13.

Выделенный слой

Материал выделенного слоя

αK, град. (из ККТ)

hi, мм в

i,

нитей/м

N1K, Н

qуд, кН/м

m

Гермослой

Резина

1,4

50 а

1

Слой каркаса

Текстильный корд 13АТЛДУ

3 в

1,15

898 б

130

1

Протектор с минибоковиной

Резина

8,5

75 а

1

а Данные по результатам лабораторных исследований.
б Частота нитей в сформированном каркасе.
в Данные [8].

2.    Межцентровое расстояние между осями вращения ножа и ролика будет

3.    На основании ККТ выбранной покрышки схема распределения материалов в зоне резания боковины имеет вид, показанный на рисунке 3.
4.    Для рассматриваемого случая в уравнении (11’) имеем 90º– αk = 90º– 3º= 87º. Кроме того примем β1k = β2k = βH = 30º.
5.    Результаты расчетов по формулам (4)…(14) представлены в таблицах 2, 3.

Таблица 2. Угловые координаты границ выделенных слоев в зоне резания

Межцентровое расстояние А, мм

Угловые координаты, радиан

φB

φС

φD

φA

284,036

0,3639

0,2298

0,2060

0,1735

280,572

0,4031

0,2904

0,2717

0,2470


Таблица 3. К расчету Qi и Miкр

Выделенный слой

l iCD, м

φiЕ, о

X iЕ, м

Qi, кН

M iкр, кН·м

I вариант, b = 2 мм; A = 284,036 мм

Гермослой

Слой корда каркаса

Протектор с минибоковиной

4,1438·10-3

3,0345·10-3

 

17,0977·10-3

10,89

12,51

 

17,01

24,09·10-3

27,62·10-3

 

37,29·10-3

0,207

0,610

 

1,280

0,00499

0,01685

 

0,04773

 

 

ΣQi = 2,1

ΣM iкр = 0,0696

II вариант, b = 4 мм; A = 280,572 мм

Гермослой

Слой корда каркаса

Протектор с минибоковиной

3,149·10-3

2,384·10-3

 

14,369·10-3

14,861

16,103

 

19,868

32,702·10-3

35,364·10-3

 

43,331·10-3

0,1574

0,4807

 

1,078

0,00515

0,0170

 

0,0467

 

 

ΣQi = 1,7161

ΣM iкр = 0,06885


При фактической частоте вращения ножа экспериментальной резательной машины nн = 25,072 об/мин и при межцентровом расстоянии между осями ножей и опорных роликов А=280,572 мм имеем

Анализ уравнений (11) и (11’) показывает, что общее усилие резания слоев боковины, армированных нитями корда, существенно зависит от количества таких слоев, а также от величины разрывного усилия N1K одной кордной нити. Расчет этого усилия для боковины с армирующими нитями из полиэстера с разрывной прочностью N1K = 200 Н, при прочих равных условиях, дал результат для Qki = 0,9414 кН против Qki = 0,610 кН для случая анидных армирующих нитей из кордной ткани 13АТЛДУ (см. таблицы 1 и 3).

Естественно, это приводит к увеличению суммарного момента сопротивления M∑ и суммарной технологической мощности NТ∑ резания: M∑=0,0787 кН•м; NТ∑=0,743 кВт против M∑=0,0696 кН•м; NТ∑=0,657кВт соответственно.

С учетом мощности холостого хода NХХ общая расчетная потребляемая мощность резания будет определяться выражением Nр.общ. =NТ∑+NХХ. В качестве примера на рисунке 5 представлены графики полной потребляемой мощности резания (Nизм.) и мощности холостого хода резательной машины (NХХ), измеренных прибором. С помощью кривой 1 на рисунке 5 можно рассчитать потребляемую электроэнергию W на разрезание одной покрышки согласно формуле W = Nизм.∙ tрез.

Известно, что энергия численно равна площади, ограниченной осью абсцисс (в данном случае это ось времени резания tрез) и кривой 1, с учетом масштабных факторов mt и mw. Результаты обработки указанных графиков для ряда разрезанных покрышек представлены в таблице 4.

Таблица 4. Экспериментально-расчетные данные энергозатрат на разрезание покрышек

Типоразмер покрышки

Время реза

tр

Полная потребляемая энергия

W, кВт·ч

Энергия холостого хода

WХХ, кВт·ч

Энергия, затраченная на разрезание Wрез, кВт·ч

175/70 R13, мод. Кама Euro-129

7

0,002757

0,000465

0,002292

175/70 R13, мод. RosavaBC-11

7

0,002579

 

0,002115

175/70 R13, мод.

Michelin

7

0,00204

0,001575

175/70 R13, мод.

Rosava SQ 201

7

0,002473

0,002008

175/70 R13, мод.

Partner M230

7

0,001938

0,001473

175/70 R13, мод.

Barum Brillants

7

0,002834

0,002369


Заключение

Создан экспериментальный образец машины для резания утилизируемых покрышек на три части: КБПБ и две боковины с бортовыми частями.

Проведена опытная проверка работоспособности созданной машины, показавшая хорошие результаты как по качеству реза, так и по стабильности процесса разрезания.

Экспериментальным и расчетным путем определены энергосиловые характеристики процесса резания покрышек: распорное усилие между дисковыми ножами и опорными роликами; крутящие моменты на валах ножей и опорных роликов; потребляемая мощность при резании и расход электроэнергии на разрезание одной покрышки.

Полученные данные могут быть использованы при создании промышленных образцов резательных машин для предприятий, утилизирующих изношенные шины.

Список литературы:

1. Вещев А.А., Захаров А.Ю. Совершенствование технологии переработки изношенных автомобильных шин // Экология и промышленность России. 2010. №8.
2. Вещев А.А., Соколов А.Е. Разработка и исследование способа и устройства для отрезания бортовых колец утилизируемых шин // Промышленное производство и использование эластомеров. Информационный сборник. 2011. №3. с. 42-47.
3. Вещев А.А., Соколов А.Е., Панкратовский А.О. Экспериментальное исследование процесса отделения металлокорда от фрагментов утилизируемых шин методом непрерывной прокатки // Известия вузов. Химия и химическая технология. 2012, том 55, вып. 12. с. 101-105.
4. Патент РФ № 2416519. Устройство для одновременного разрезания по двум или несколькими линиям реза покрышки. 2010.
5. Патент РФ № 2441753. Устройство для одновременного разрезания по двум или несколькими линиям реза покрышки. 2012.
6. Вещев А.А., Плотников Р.С. Энергосиловой расчет дисковых измельчителей для изношенных шин // Каучук и резина. 2006. №4. с. 20-25.
7. Вещев А.А., Проворов А.В., Плотников Р.С. Исследование процесса резания изношенных металлокордных покрышек // Каучук и резина. 2005. №5. с. 38-41.
8. Вещев А.А. Технология, оборудование и основы проектирования производства пневматических шин: Учеб. пособие – Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2007. – 242 с.

Интересная статья? Поделись ей с другими:

Внимание, откроется в новом окне. PDFПечатьE-mail

Отправить статью

...

Форма оплаты

Номер статьи, присвоенный редакцией
Количество страниц в статье
Количество экземпляров журнала
Доставка: РФСНГ
Скидка (%)
Заказать свидетельство о публикации
1. Стоимость публикации каждой страницы статьи составляет 200 рублей.
2. Стоимость каждого экземпляра журнала, включая его печать и доставку, составляет 350 рублей для России и 420 рублей для стран СНГ.
3. Стоимость свидетельства о публикации составляет 120 рублей

Реквизиты для оплаты через банк