水射流技術回收子午線輪胎的正交試驗

劉　萍　張　軻

安徽理工大學,淮南,232001

?

水射流技術回收子午線輪胎的正交試驗

劉萍張軻

安徽理工大學,淮南,232001

為了避免傳統方法粉碎廢舊輪胎時出現的易污染、能耗高、設備復雜等問題,設計了一種基于水射流技術回收廢舊子午線輪胎的實驗裝置,并用正交表L25(53)安排實驗,對射流的驅動壓力、靶距和移動速度這三個因素各進行了5個水平的考察。實驗結果顯示,最精細膠粉的最優射流工作參數為A3B3C3,影響膠粉顆粒度大小的主次因素如下:移動速度的影響最大,其次是射流的驅動壓力，影響最小的是靶距。

高壓水射流；子午線輪胎;回收;膠粉顆粒度;正交試驗

0　引言

隨著汽車工業的迅速發展,子午線輪胎應用越來越廣泛,而子午線輪胎長期不能自行降解,是一種嚴重的“黑色污染”。廢舊子午線輪胎的回收成為了一個重要課題[1-4]。目前廢舊輪胎的處理方法主要有三類[5]:整體利用(如翻新)、材料回收(如生產膠粉)和能源利用(如熱解)[6-7]。輪胎結構的基本材料有橡膠、纖維和鋼絲[8],在回收廢舊輪胎時,首先必須去除其中的鋼絲、簾布,然后通過機械、化學、冷凍粉碎等方法加工處理[9]。國內外常用的回收廢舊子午線輪胎得到膠粉的方法有常溫機械粉碎法[10]、低溫破碎法[9]和炸藥爆炸法[11]等。常溫機械粉碎法所用設備占地面積大，所得膠粉顆粒較粗;低溫破碎法加工過程中制冷成本高,經濟效益差;炸藥爆炸法需消耗大量的炸藥,且會排出有毒有害氣體，污染環境。

高壓水射流技術清潔、環保,它可用于對任何金屬材料或非金屬材料的切割、鉆孔、清洗、除銹以及煤巖破碎與掘進[12-13]、噴射鉆進等加工，是一項以“柔”克剛的冷加工技術[14]。本文采用高壓水射流技術回收廢舊子午線輪胎，無需對輪胎進行初步拆解，利用經高壓泵和增壓器加壓的高壓水射流沖擊輪胎胎冠和胎側面，將輪胎的橡膠層粉碎成較精細的橡膠粉。

本文采用正交試驗法對影響橡膠粉顆粒度的3個水射流工作參數(射流驅動壓力、靶距和噴頭移動速度)各進行了5個水平的考察，分析得出了最精細膠粉顆粒度的條件以及對其影響的最大因素，并通過實驗觀測其有效性。

1　實驗部分

1.1實驗裝置

廢舊輪胎粉碎裝置[15]如圖1所示,該裝置無需預先對廢舊輪胎進行初步拆解,可方便地對整條輪胎進行安裝、粉碎和拆卸。在合適的射流壓力工作范圍內，水射流不會破壞廢舊輪胎上的鋼絲網，同時能將廢舊輪胎表面的橡膠層徹底粉碎成精細膠粉。該裝置采用一個動力系統，可實現對廢舊輪胎的夾持、回轉和各噴頭的移動。水射流加工技術清潔環保，而且水可回收并進一步循環利用。輪胎回收裝置效果如圖2所示。

(a)整體結構圖

(b)輪胎夾持機構1.頂蓋　2.方形導軌　3.上噴頭　4.上噴頭架　5.弧形滑桿　6.把手　7.連桿一　8.連桿二　9.曲柄　10.側軸一　11.側導軌　12.側噴頭架　13.側噴頭　14.圓柱凸輪　15.粉碎室　16.下噴頭　17.盤形凸輪　18.推桿　19.下噴頭架　20.滑動槽　21.下料斗　22.機架　23.帶　24.從動帶輪　25.電機　26.調速器　27.蝸輪蝸桿減速器　28.主軸　29.圓螺母　30.主動帶輪　31.出口　32.側軸二　33.輪胎　34.夾持架　35.弧形凹槽　36.弧形導軌　37.伸縮桿　38.水平導向桿　39.絲桿　40.小錐齒輪　41.大錐齒輪　42.橡膠圈　43.軸套　44.電磁吸盤　45.鍵圖1　廢舊輪胎粉碎裝置結構示意圖

1.2實驗方法

(a)內部結構

(b)外部結構圖2　輪胎回收裝置

實驗采用三相交流異步電動機驅動,實驗中主機額定功率為22 kW,設備最高工作壓力為380 MPa,最大輸出流量為3.4 L/min。采用進口寶石噴嘴,寶石噴嘴直徑為0.3 mm,出口噴嘴直徑為1.0 mm,所用輪胎為米其林Energy XM1系列,型號為195/65R15(91H)。由高壓純水射流所回收的橡膠粉使用DZF-6020型真空干燥箱烘干水分后,再加入無水乙醇作為分散介質,放置在CT-420 A、100 W型數控超聲波恒速電動攪拌器中攪拌均勻,采用島津 SALD-7101型激光粒度分析儀檢測膠粉的顆粒度大小,圖3為高壓純水射流粉碎廢舊子午線輪胎的工作圖,粉碎輪胎表面橡膠層的區域面積為50 mm×40 mm=2000 mm2。圖4為實驗后的輪胎局部圖，圖5所示為回收所得的橡膠粉，橡膠粉顆粒度的大小取決于高壓水射流的各工作參數。

圖3　高壓水射流粉碎輪胎工作圖

圖4　實驗后的輪胎局部圖

圖5　回收所得的橡膠粉

采用正交表L25(53)安排實驗,實驗選取影響膠粉顆粒度的3個主要因素：射流驅動壓力、靶距和噴頭移動速度,對每個因素各進行了5個水平的實驗,見表1。

表1　3個影響因素及相應的水平

根據正交試驗的相關原理,試驗條件、試驗次數和膠粉顆粒度大小見表2。

表2　正交試驗方案

2　膠粉顆粒度的影響規律分析

從表3可以看出,最優實驗條件是A3B3C3,其中,A、B、C分別代表射流的驅動壓力、靶距和噴頭的移動速度,下標的數字代表第幾水平;還可看出,因素C噴頭移動速度對膠粉顆粒度的極差最大,即可知噴頭移動速度對膠粉顆粒度的影響最大。該因素在取第三水平(1 m/min)時膠粉顆粒度最精細。其次是因素A射流的驅動壓力,取第三水平(190 MPa)時膠粉顆粒度最精細。膠粉顆粒度影響最小的是因素B靶距，最優靶距為B3(100 mm)。

表3　膠粉顆粒度的試驗結果分析

注：Ti表示對應影響因素為第i水平時所有膠粉顆粒度的總和。

2.1射流驅動壓力對膠粉顆粒度的影響

為了更清楚地考察各因素對膠粉顆粒度的影響規律,將膠粉顆粒度的平均值(t1、t2、t3、t4、t5)隨各因素各水平的變換情況用圖6～圖8表示出來。從圖6可看出,當壓力從110 MPa增大到190 MPa時,射流壓力越大,膠粉越精細。當壓力從190 MPa增大到270 MPa時,膠粉顆粒度先升高再下降,變化幅度不大?？山忉屓缦?射流驅動壓力從110 MPa增大到190 MPa時,射流壓力越大,單位時間內作用在橡膠上的能量就越大,沖擊力就越大,對橡膠粉的粉碎就越充分,所得膠粉越精細。但隨著射流壓力的增大,雖然射流沖擊能增大，但是水射流在橡膠面上沖擊區范圍內存在水墊,壓力越大,流量也越大,水墊所增加的阻力也隨之增大,對橡膠粉的粉碎越不利,所以最佳射流驅動壓力為190 MPa。

圖6　射流驅動壓力對膠粉顆粒度的影響

圖7　靶距對膠粉顆粒度的影響

圖8　移動速度對膠粉顆粒度的影響

另采用單因素試驗法來驗證,以下參數保持不變:移動速度取最優水平1 m/min,靶距取最優水平100 mm,噴嘴直徑取1.0 mm,射流驅動壓力分別取190 MPa、230 MPa、270 MPa時,通過實驗研究膠粉顆粒度大小隨著射流驅動壓力變化的規律。試驗結果見表4,射流驅動壓力從190 MPa增大到270 MPa時,膠粉顆粒度變化不大,和正交試驗法的結論基本吻合。所以射流驅動壓力為190 MPa時,膠粉顆粒最精細。

表4　驅動壓力對膠粉顆粒度影響的單因素表

2.2靶距對膠粉顆粒度的影響

從圖7可看出，當靶距從20 mm增大到100 mm時,隨著靶距的增大,膠粉的顆粒度越來越小。靶距為100 mm時,膠粉顆粒最精細。靶距從100 mm增大到180 mm,膠粉顆粒度略有變化,原因如下:圓形射流有一定的擴散角,隨著靶距的增大,會使射流對橡膠層的作用面積增大,單位區域內橡膠被射流作用的次數就越多,從而有效減小膠粉顆粒度的大小。若靶距過大，射流擴散程度增加,射流的沖擊動能會減小，射流對輪胎表面橡膠層的沖擊力會減小。所以綜合考慮，最優靶距為B3(100 mm)。

采用單因素試驗法來驗證，射流驅動壓力取最優水平190 MPa,噴頭移動速度取最優水平1 m/min,靶距分別取100 mm、120 mm、140 mm、160 mm、180 mm、200 mm,所得實驗結果見表5,靶距從100 mm增大到200 mm時，膠粉顆粒度變化不大。實驗結論基本與正交法的結論吻合,所以最優靶距為100 mm。

表5　靶距對膠粉顆粒度影響的單因素表

2.3噴頭移動速度對膠粉顆粒度的影響

從圖8可看出,噴頭移動速度從0.2 m/min增大到1.0 m/min時,膠粉顆粒度逐漸減小；當移動速度從1.0 m/min增大到1.4 m/min時,膠粉顆粒度逐漸變大；當噴頭移動速度從1.4 m/min增大到1.8 m/min時,膠粉顆粒度變化不大。取最優噴頭移動速度為C3(1 m/min)時,膠粉顆粒最精細。原因如下:噴頭移動速度越小,射流在輪胎橡膠層某一區域停留的時間就越長，射流的粉碎威力就越大，但當橫移速度過小時，噴射到輪胎表面的射流還未及時流出，高壓水射流在橡膠層粉碎區內的水墊阻力就越大，對粉碎越不利，反而影響了膠粉顆粒度的精細情況，所以最優橫移速度為C3(1 m/min)。

采用單因素實驗法來驗證，壓力取最優水平190 MPa，靶距取最優水平為100 mm，噴嘴直徑為1.0 mm時，噴頭移動速度分別取0.2 m/min、0.6 m/min、1.0 m/min、1.4 m/min、1.8 m/min、2.2 m/min,實驗結果見表6,實驗結果和正交試驗法結果完全吻合,噴頭移動速度為C3(1.0 m/min)時,膠粉顆粒度最精細。

表6　噴頭移動速度對膠粉顆粒度影響的單因素表

為得到最精細的橡膠粉,本實驗的最優射流工作參數為A3B3C3,但由于該方案不在已做過的正交實驗列表中,所以按此方案進行了實驗,結果顯示：采用該方案時膠粉的顆粒度為76.58 μm，比前文已做的任意一組實驗的膠粉顆粒都精細，說明該方案是最優方案。

3　結果及討論

利用水射流技術粉碎廢舊子午線輪胎無需對輪胎進行初步拆卸，操作簡單、節能環保，所得產物是純凈的橡膠粉和鋼絲。實驗證明:用正交試驗法決定最優射流工作參數是可行的，實驗確定得到最精細膠粉的最優射流工作參數如下：射流的驅動壓力為190 MPa、靶距為100 mm、噴頭移動速度為1.0 m/min，實驗得到了影響膠粉顆粒度大小的主次因素。本次實驗的不足在于僅對米其林Energy XM1系列輪胎進行了分析，而水射流技術對其他類型輪胎的影響機理還需進一步的研究。

[1]五年后國內乘用車輪胎子午化率達100%[N].中國證券報,2010-10-12.

[2]岳現杰,許冠英.廢舊輪胎回收利用現狀及污染防治對策研究[J].工業安全與環保,2010,36(1):37-39.

Yue Xianjie,Xu Guangying.Research on the Recovery and Utilization Status of Scrap and Used Tyres and Its Pollution Control Countermeasures[J].Industrial Safety and Environmental,2010,36(1):37-39.

[3]Fukumori K,Matsushita M,Okamoto H.Recycling Technology of Tire Rubber[J].JSAE Review,2002,23(2):259-264.

[4]于清溪.世界廢舊輪胎的回收與再利用(一)[J].世界橡膠工業,2010,37(2):50-54.

Yu Qingxi.Recycle and Reuse of Waste Tyre in the World(1)[J].World Rubber Industry,2010,37(2):50-54.

[5]宋守許,田光濤,余德橋.超高壓水射流破碎子午線輪胎機理研究[J].機械工程學報,2014,50(12):36-43.

Song Shouxu,Tian Guangtao,Yu Deqiao.Fracture Mechanism of Radial Tyre Rubber under Ultra-high Pressure Water Jet Impact[J].Journal of Mechanical Engineering,2014,50(12):36-43.

[6]Sunthonpagasit N,Duffey M R.Scrap Tires to Crumb Rubber:Feasibility Analysis for Processing Facilities[J].Resources,Conservation and Recycling,2004,40(4):281-299.

[7]Ramos G, Alguacil F J ,López F A.The Recycling of End-of-life Tyres.Technological Review[J].Revista de Metalurgia,2010,47(3):273-284.

[8]石琴,陳無畏,谷葉水,等.基于非線性有限元理論的子午線輪胎側偏特性研究[J].農業機械學報,2005,36(11):1-4.

Shi Qin,Chen Wuwei,Gu Yeshui,et al.Study on Side Deflection of Radial Tie by Nonlinear FE Theory[J].Journal of Agricultural Machinery,2005,36(11):1-4.

[9]程源.廢舊輪胎低溫粉碎和精細研磨新技術的開發[J].中國橡膠,2003,19(15):11-12.

Cheng Yuan.Ryogenic Grinding and Fine Grinding Exploitation of Waste Tires[J].China Rubber,2003,19(15):11-12.

[10]隋建波，向東，牟鵬，等.廢舊輪胎橡膠的常溫粉碎及性能研究[J].橡膠工業,2012,59(1):33-37.

Sui Jianbo,Xiang Dong,Mou Peng,et al.Pulverization of Waste Tire Rubber at Ambient Temperature and Its Characerization[J]. Rubber Industry,2012,59(1):33-37.

[11]周敬宣,陳進.爆炸法處理廢舊輪胎制造橡膠粉末技術及關鍵機理研究[J].環境工程,2003，21(3)：51-54.

Zhou Jingxuan,Chen Jin.Study of the Application of Explosive Method to Disintegrating Used Tires into Granulas and Some of Its Key Mechanisms[J]. Environmental Engineering, 2003，21(3)：51-54.

[12]王曉川，盧義玉，康勇，等.磨料水射流切割煤巖體實驗研究[J].中國礦業大學學報，2011,40(2):246-251.

Wang Xiaochuan,Lu Yiyu,Kang Yong,et al.Experimental Study of Abrasive Waterjet Cutting Coal-roal Mass[J].Journal of China University of Mining & Technology,2011,40(2):246-251.

[13]李根生，廖華林，黃中偉，等．超高壓水射流作用下巖石損傷破碎機理[J].機械工程學報，2009，4(10)：274-293.

Li Gensheng,Liao Hualin,Huang Zhongwei.Rock Damage Mechanisms under Ultra-high Pressure Water Jet Impact[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2009,54(10): 284-293.

[14]李曉紅，盧義玉，向文英，等.水射流理論及在礦業工程中的應用[M]. 重慶:重慶大學出版社，2007.

[15]劉萍,陳少彬,張東速,等.水射流回收廢舊子午線輪胎的粉碎機:中國,201210080974.6[P].2012-07-18.

(編輯陳勇)

Orthogonal Experiments on Recycling Radial Tires Using High Pressure Water Jet Techniques

Liu PingZhang Ke

Anhui University of Science &Technology,Huainan,Anhui,232001

Air pollution,high energy consuming,complex equipment,etc. occured when waste tires were pulverized with traditional methods.To solve these problems,an equipment of recycling waste radial tires was designed by the high pressure water jet.Moreover,this paper introduced some experiments of orthogonal array L25(53).The three factors including the jet’s driving pressure,target distance and movement velocity were investigated in 5 levels.The results of these experiments show that the optimal jet parameter is A3B3C3for obtaining the finest rubber powder.The factors affecting the rubber powder particle size were listed as follows:the movement velocity is the biggest effect factor while target distance is the smallest effect factor.

high-pressure water jet;radial tire;recycle;rubber particle size;orthogonal experiment

2014-09-23

國家自然科學基金資助項目(51175139)

X705 DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.14.021

劉萍,女,1978年生。安徽理工大學機械工程學院副教授。主要研究方向為高壓水射流、傳熱多相流分析等。發表論文10篇。張軻,男,1991年生。安徽理工大學機械工程學院碩士研究生。