廢舊輪胎粉碎設備關鍵零部件結構設計與優化

【摘 要】汽車的誕生給人們的生活帶來了極大的便利，但是汽車淘汰的廢舊輪胎，如何處理是當今社會面臨的重要難題。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備的工作原理及主要結構特點，對關鍵部件輥筒的尺寸、轉速、長度及電機功率進行設計，并利用ANSYS建立了輥筒的有限元模型，對輥筒進行結構性優化，使優化后的輥筒更加符合生產的需求。

【關鍵詞】廢舊輪胎；粉碎設備；輥筒；設計；優化

1、引言

據統計，每年將會有近5億條廢舊輪胎產生。廢舊輪胎被稱之為“黑色污染”，由于穩定的物理性能和化學性能，一般的生物降解很難應用于廢舊輪胎上面。若將廢舊輪胎閑置，將會占用大量的土地。廢舊輪胎的燃燒會釋放大量的有毒氣體，嚴重污染環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和解決的問題。世界各國嘗試了各種方法來處理廢舊輪胎，其中將廢舊輪胎粉碎進行膠化，制備成膠粉和再生膠得到認可，大量的廢舊輪胎粉碎設備應運而生。

2、廢舊輪胎粉碎機的工作原理及主要結構

2.1廢舊輪胎粉碎機的工作原理

廢舊輪胎粉碎機適用于常溫法來制備膠粉，其結構主要由兩個轉向相反的輥筒組成。兩個輥筒是粉碎機最重要部件，大小一般不一致，兩個輥筒的轉速也不相同。兩個輥筒在相互轉動過程中，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。廢舊輪胎粉碎機工作時，兩輥筒上方屬于進料口，由于兩輪相向轉動，將物料帶入兩輥輪工作間隙進行粉碎。在粉碎過程中顆粒大的物料粉碎成顆粒小的物料，顆粒小的物料繼續在兩輥輪的工作間隙運動，變成更小的顆粒，最后完成廢舊輪胎的粉碎工作。其過程操縱簡單、工作可靠，應用廣泛。

2.2廢舊輪胎的主要結構

廢舊輪胎主要由雙輥筒、機架、動力傳動裝置、冷卻系統組成，結構示意圖如圖1所示。

3、廢舊輪胎粉碎機關鍵部件設計

廢舊輪胎粉碎設備兩輥筒的工作間隙按照實際工作需求和膠粉顆粒的大小可以調節。本文設計成工作間隙可以在0.5mm-1mm之間可調，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計的關鍵，經過查表和計算，兩個輥筒直徑分別為530mm和480mm。輥筒轉速的確定和生產效率有直接關系。轉速越大，生產效率越高。當轉速偏大時，由于兩輥筒高速旋轉，會使物料飛濺，噪音加強，影響加工安全。結合實際我們選取動輥轉速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。輥筒長度為0.8m，電機功率為75kw。

4、廢舊輪胎粉碎機關鍵部件的優化

我們要將廢舊輪胎的關鍵部件輥筒進行建模。將輥筒從粉碎機上分離出來，將其進行簡化，利用pro/E對輥筒進行三維建模。在建模過程中，輥筒的倒角、圓角、螺紋孔等位置進行簡化和去除，避免集中力的出現。簡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，具有一定強度和韌性的金屬材料，選取材料型號為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力和應變分析的關鍵。根據廢舊輪胎粉碎機的工作原理可知，兩輥筒在運動過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多，不能通過計算來獲得。根據人們長期積累的經驗，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模型進行網格劃分。網格劃分是優化設計中重要環節，直接影響最終結果的準確度和計算機的運算速度。所以在網格劃分時一定要確定好材料屬性及常數，確定好網格大小和分界點。本次對輥筒進行網格劃分時選用Solid185單元類型，精度等級為6級。最后利用ANSYS進行靜力學分析如圖3、圖4所示。

分析結果顯示輥筒的結構尺寸不夠完整，富余應力比較集中，在工作過程中容易局部損害，應該將其輥筒進行結構優化，已達到最佳工作狀態。根據兩輥筒的工作特點，將輥筒表面設計成有微型弧度的面，內部結構減小輥筒內壁的厚度，優化后的靜力分析如圖5、圖6所示。優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，更加符合實際工作的需求。

5、總結

本文在介紹廢舊輪胎粉碎設備工作原理和主要參數的基礎上，按照傳統的計算方法和經驗數據設計了粉碎機輥筒關鍵部件，通過ANSYS有限元進行靜力學分析，優化了輥筒表面和內部結構，使輥筒在更優的狀態下工作，讓整體設備重量明顯降低，降低了成本，從而工作性能更好，達到了優化的目的。

課題來源：河北省高等學校科學技術研究項目：廢舊輪胎切條設備參數化設計關鍵技術研究，課題編號：Z2017057

參考文獻：

[1]智研咨詢集團.2015-2020年中國橡膠輪胎外胎市場供需預測及發展趨勢研究報告[R].R312980，2015

[2]錢伯章.我國廢舊橡膠綜合利用現狀及發展[J].橡塑資源利用，2014（1）：19-35.

[3]劉義，陳國定，李繼順，薛玉君.輥磨機磨輥強度有限元仿真分析[J].礦山機械，2007，35（12）：100-102.

[4]隋建波，向東，牟鵬，段廣洪.廢舊輪胎橡膠的常溫粉碎及性能研究[J].橡膠工業，2012，59（3）：33-36.

作者簡介：

馬繼召，（1985年04月-），男，河北唐山人，唐山職業技術學院講師，工學碩士，研究方向：機械工程。 郵編：063000

（作者簡介：唐山職業技術學院）