【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(dāng)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(shè)備的工作原理及主要結(jié)構(gòu)特點，對關(guān)鍵部件輥筒的尺寸、轉(zhuǎn)速、長度及電機功率進(jìn)行設(shè)計，并利用ANSYS建立了輥筒的有限元模型，對輥筒進(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；優(yōu)化

1、引言

據(jù)統(tǒng)計，每年將會有近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(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(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)運而生。

2、廢舊輪胎粉碎機的工作原理及主要結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)主要由兩個轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速也不相同。兩個輥筒在相互轉(zhuǎn)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(jìn)料口，由于兩輪相向轉(zhuǎn)動，將物料帶入兩輥輪工作間隙進(jìn)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(xù)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(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、機架、動力傳動裝置、冷卻系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

3、廢舊輪胎粉碎機關(guān)鍵部件設(shè)計

廢舊輪胎粉碎設(shè)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(diào)節(jié)。本文設(shè)計成工作間隙可以在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)計的關(guān)鍵，經(jīng)過查表和計算，兩個輥筒直徑分別為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，由于兩輥筒高速旋轉(zhuǎn)，會使物料飛濺，噪音加強，影響加工安全。結(jié)合實際我們選取動輥轉(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。輥筒長度為0.8m，電機功率為75kw。

4、廢舊輪胎粉碎機關(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。將輥筒從粉碎機上分離出來，將其進(jìn)行簡化，利用pro/E對輥筒進(jìn)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(jìn)行簡化和去除，避免集中力的出現(xiàn)。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(yīng)力和應(yīng)變分析的關(guān)鍵。根據(jù)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(jù)人們長期積累的經(jīng)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(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分是優(yōu)化設(shè)計中重要環(huán)節(jié)，直接影響最終結(jié)果的準(zhǔn)確度和計算機的運算速度。所以在網(wǎng)格劃分時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。本次對輥筒進(jìn)行網(wǎng)格劃分時選用Solid185單元類型，精度等級為6級。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，將輥筒表面設(shè)計成有微型弧度的面，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)的計算方法和經(jīng)驗數(shù)據(jù)設(shè)計了粉碎機輥筒關(guān)鍵部件，通過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。

課題來源：河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項目：廢舊輪胎切條設(shè)備參數(shù)化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究，課題編號：Z2017057

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作者簡介：

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：機械工程。 郵編：063000

（作者簡介：唐山職業(yè)技術(shù)學(xué)院）