廢舊輪胎粉碎設(shè)備關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

【摘 要】汽車(chē)的誕生給人們的生活帶來(lái)了極大的便利，但是汽車(chē)淘汰的廢舊輪胎，如何處理是當(dāng)今社會(huì)面臨的重要難題。目前，將廢舊輪胎粉碎制成膠粉和再生膠是全球處理廢舊輪胎的普遍做法。本文主要介紹了廢舊輪胎粉碎設(shè)備的工作原理及主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)關(guān)鍵部件輥筒的尺寸、轉(zhuǎn)速、長(zhǎng)度及電機(jī)功率進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用ANSYS建立了輥筒的有限元模型，對(duì)輥筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)性優(yōu)化，使優(yōu)化后的輥筒更加符合生產(chǎn)的需求。

【關(guān)鍵詞】廢舊輪胎；粉碎設(shè)備；輥筒；設(shè)計(jì)；優(yōu)化

1、引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年將會(huì)有近5億條廢舊輪胎產(chǎn)生。廢舊輪胎被稱之為“黑色污染”，由于穩(wěn)定的物理性能和化學(xué)性能，一般的生物降解很難應(yīng)用于廢舊輪胎上面。若將廢舊輪胎閑置，將會(huì)占用大量的土地。廢舊輪胎的燃燒會(huì)釋放大量的有毒氣體，嚴(yán)重污染環(huán)境和危害人們的身體健康。如何將大量的“黑色污染”變成“黑色能源”，是全球需要共同面對(duì)和解決的問(wèn)題。世界各國(guó)嘗試了各種方法來(lái)處理廢舊輪胎，其中將廢舊輪胎粉碎進(jìn)行膠化，制備成膠粉和再生膠得到認(rèn)可，大量的廢舊輪胎粉碎設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。

2、廢舊輪胎粉碎機(jī)的工作原理及主要結(jié)構(gòu)

2.1廢舊輪胎粉碎機(jī)的工作原理

廢舊輪胎粉碎機(jī)適用于常溫法來(lái)制備膠粉，其結(jié)構(gòu)主要由兩個(gè)轉(zhuǎn)向相反的輥筒組成。兩個(gè)輥筒是粉碎機(jī)最重要部件，大小一般不一致，兩個(gè)輥筒的轉(zhuǎn)速也不相同。兩個(gè)輥筒在相互轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，中間留有一定間隙，間隙的大小直接影響了膠粉顆粒直徑的大小。廢舊輪胎粉碎機(jī)工作時(shí)，兩輥筒上方屬于進(jìn)料口，由于兩輪相向轉(zhuǎn)動(dòng)，將物料帶入兩輥輪工作間隙進(jìn)行粉碎。在粉碎過(guò)程中顆粒大的物料粉碎成顆粒小的物料，顆粒小的物料繼續(xù)在兩輥輪的工作間隙運(yùn)動(dòng)，變成更小的顆粒，最后完成廢舊輪胎的粉碎工作。其過(guò)程操縱簡(jiǎn)單、工作可靠，應(yīng)用廣泛。

2.2廢舊輪胎的主要結(jié)構(gòu)

廢舊輪胎主要由雙輥筒、機(jī)架、動(dòng)力傳動(dòng)裝置、冷卻系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

3、廢舊輪胎粉碎機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

廢舊輪胎粉碎設(shè)備兩輥筒的工作間隙按照實(shí)際工作需求和膠粉顆粒的大小可以調(diào)節(jié)。本文設(shè)計(jì)成工作間隙可以在0.5mm-1mm之間可調(diào)，膠粉的粉碎比取45.8。輥筒尺寸的確定是廢舊輪胎粉碎裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，經(jīng)過(guò)查表和計(jì)算，兩個(gè)輥筒直徑分別為530mm和480mm。輥筒轉(zhuǎn)速的確定和生產(chǎn)效率有直接關(guān)系。轉(zhuǎn)速越大，生產(chǎn)效率越高。當(dāng)轉(zhuǎn)速偏大時(shí)，由于兩輥筒高速旋轉(zhuǎn)，會(huì)使物料飛濺，噪音加強(qiáng)，影響加工安全。結(jié)合實(shí)際我們選取動(dòng)輥轉(zhuǎn)速n=110r/min，光輥線速度V1=30m/min，槽輥線速度V2=40m/min，輥速比i0=V2/V1=1.33。輥筒長(zhǎng)度為0.8m，電機(jī)功率為75kw。

4、廢舊輪胎粉碎機(jī)關(guān)鍵部件的優(yōu)化

我們要將廢舊輪胎的關(guān)鍵部件輥筒進(jìn)行建模。將輥筒從粉碎機(jī)上分離出來(lái)，將其進(jìn)行簡(jiǎn)化，利用pro/E對(duì)輥筒進(jìn)行三維建模。在建模過(guò)程中，輥筒的倒角、圓角、螺紋孔等位置進(jìn)行簡(jiǎn)化和去除，避免集中力的出現(xiàn)。簡(jiǎn)化后的輥筒三維模型如圖2所示。

輥筒材料的確定要采用表面硬度高、耐磨性強(qiáng)，具有一定強(qiáng)度和韌性的金屬材料，選取材料型號(hào)為HTLG-H的冷硬鑄鐵，作為輥筒表面材料。載荷和邊界的確定是輥筒應(yīng)力和應(yīng)變分析的關(guān)鍵。根據(jù)廢舊輪胎粉碎機(jī)的工作原理可知，兩輥筒在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中給物料大小相同、方向相反的擠壓力，這種力稱之為橫壓力。由于橫壓力影響因素過(guò)多，不能通過(guò)計(jì)算來(lái)獲得。根據(jù)人們長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)，取橫壓力為7kw，橫壓力作用邊界為600mm*4mm。確定好載荷和邊界后要對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分是優(yōu)化設(shè)計(jì)中重要環(huán)節(jié)，直接影響最終結(jié)果的準(zhǔn)確度和計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。所以在網(wǎng)格劃分時(shí)一定要確定好材料屬性及常數(shù)，確定好網(wǎng)格大小和分界點(diǎn)。本次對(duì)輥筒進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)選用Solid185單元類(lèi)型，精度等級(jí)為6級(jí)。最后利用ANSYS進(jìn)行靜力學(xué)分析如圖3、圖4所示。

分析結(jié)果顯示輥筒的結(jié)構(gòu)尺寸不夠完整，富余應(yīng)力比較集中，在工作過(guò)程中容易局部損害，應(yīng)該將其輥筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，已達(dá)到最佳工作狀態(tài)。根據(jù)兩輥筒的工作特點(diǎn)，將輥筒表面設(shè)計(jì)成有微型弧度的面，內(nèi)部結(jié)構(gòu)減小輥筒內(nèi)壁的厚度，優(yōu)化后的靜力分析如圖5、圖6所示。優(yōu)化后的輥筒在相同載荷作用下，去掉了富余材料，降低了輥筒的重量，工作效率更高，更加符合實(shí)際工作的需求。

5、總結(jié)

本文在介紹廢舊輪胎粉碎設(shè)備工作原理和主要參數(shù)的基礎(chǔ)上，按照傳統(tǒng)的計(jì)算方法和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了粉碎機(jī)輥筒關(guān)鍵部件，通過(guò)ANSYS有限元進(jìn)行靜力學(xué)分析，優(yōu)化了輥筒表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使輥筒在更優(yōu)的狀態(tài)下工作，讓整體設(shè)備重量明顯降低，降低了成本，從而工作性能更好，達(dá)到了優(yōu)化的目的。

課題來(lái)源：河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目：廢舊輪胎切條設(shè)備參數(shù)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究，課題編號(hào)：Z2017057

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作者簡(jiǎn)介：

馬繼召，（1985年04月-），男，河北唐山人，唐山職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，工學(xué)碩士，研究方向：機(jī)械工程。 郵編：063000

（作者簡(jiǎn)介：唐山職業(yè)技術(shù)學(xué)院）