автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разработка и исследование процессов и оборудования для предварительного измельчения шин, подлежащих утилизации

На правах рукописи

Соколов Алексей Евгеньевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ШИН, ПОДЛЕЖАЩИХ УТИЛИЗАЦИИ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1Н11111111 11||| 005547328

17 апр гт

Ярославль-2014

Работа выполнена на кафедре «Технологические машины и оборудование» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ярославский государственный технический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Вещев Александр Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Жуков Владимир Павлович ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет», профессор кафедры «Прикладная математика»

кандидат технических наук, Михайлов Андрей Арнольдович,

«Ярославский электровозоремонтный завод» -филиал ОАО «Желдорреммаш», зам. директора

Ведущая организация: ЗАО «Ярполимермаш-Татнефть», г. Ярославль

Защита диссертации состоится «_5_» июня 2014 г. в 16.00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.308.01 при ФГБОУ ВПО «Ярославский государственный технический университет» по адресу: 150023, г. Ярославль, Московский пр. 88, ауд. Г-219.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке при ФГБОУ ВПО «Ярославский государственный технический университет» по адресу: 150023, г. Ярославль, Московский пр-т, д. 88, и на сайте университета — www.ystu.ru.

Автореферат разослан« 9 » апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, А. А.Ильин

доктор химических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Переработка шин - одна из наиболее важных проблем из числа поставленных мировым автомобилестроением перед человечеством. Очень часто утилизация шин сводится к выбрасыванию их на свалку или закапыванию. Несложно понять, что этот способ является экологически небезопасным, так как период разложения шин в естественных условиях составляет около сотни лет. Нормы пробега автошин обязывают менять покрышки ориентировочно раз в 2-3 года. Это означает, что ежегодно на свалки попадают десятки тысяч тонн вторичного сырья. И это при том, что в производстве автомобильных шин используются высококачественные каучук и резина. Поэтому современная промышленность должна быть ориентирована не только на добычу и производство нового, ранее не использованного сырья, но и переработку вторичного сырья, а также на сохранение экологии.

Среди существующих методов переработки изношенных покрышек наибольшее распространение получил способ механического измельчения шин с целью получения резиновой крошки, имеющей широкий спектр областей применения. По мнению большинства специалистов, связанных с утилизацией шин, данный способ является наиболее экономически эффективным и экологически безопасным, но в то же время недостаточно проработанным с точки зрения энергоемкости, износостойкости и технических возможностей применяемого оборудования. В связи с этим становится актуальным вопрос исследования процессов механического измельчения изношенных шин и разработка научно-обоснованных методов расчета и проектирования оборудования.

Степень разработанности. Известно, что отечественные предприятия, связанные с утилизацией изношенных пневматических шин, до сих пор остаются слаборазвитыми и, по-видимому, убыточными. Причинами такого положения дел являются низкая конкурентоспособность перерабатывающих производств, высокая их энергозатратность, а также низкая эффективность существующих и вновь предлагаемых способов утилизации. Это в значительной степени объясняется слабой отечественной научно-технической базой в этой области, отсутствием координации научно-исследовательских и

опытно-конструкторских работ по созданию новых эффективных способов и устройств, которые бы комплексно охватывали всю цепочку технологических операций по превращению изношенных шин в полезную продукцию.

Проводимые в настоящее время в нашей стране исследования и разработки в этой области носят разрозненный характер и. в большинстве случаев, решают лишь частные задачи. Отсутствует и система анализа и отбора соответствующей научной продукции с целью продвижения ее в реальное производство, что, наряду с отсутствием планового финансирования проводимых поисковых НИР, ОКР, изготовления и опытной проверки предлагаемых технических решений, не способствует более быстрому прогрессу в данной отрасли.

Цель и задачи работы. Цель работы — теоретическое описание процессов механического измельчения изношенных шин, а именно предварительного разрезания их на фрагменты и последующего отделения резины от текстиля и металла, создание методов расчета технологических и конструктивных параметров оборудования, а также разработка научно-обоснованных рекомендаций по его совершенствованию.

Для достижения указанной цели решались следующие основные задачи:

- разработка способов разрезания покрышек на части и конструкций устройств для осуществления этих способов, обеспечивающих высокую производительность и необходимое качество резания;

- создание математических моделей процессов предварительного разрезания изношенных шин на фрагменты, удобные для дальнейшей переработки с помощью дисковых и кольцевых ножей;

- создание математических моделей процесса отделения резинотек-стильной основы покрышки от металлокорда путем непрерывной прокатки кольцевых фрагментов на валковой машине с различной геометрической поверхностью рабочих втулок;

- исследование влияния соотношения основных геометрических параметров рабочих органов измельчающего оборудования на энергосиловые характеристики процессов переработки;

- проверка адекватности разработанных математических моделей экспериментальным данным, полученным на лабораторных установках;

- создание на основе проведенных исследований методик инженерного расчета измельчающего оборудования.

Научная новизна. Разработаны математические модели процессов предварительного разрезания покрышек на части и последующего отделения от металлокорда резинотекстильной составляющей. Проведена экспериментальная проверка методов расчета оборудования по усилиям резания, распорным усилиям при прокатке и затрачиваемой мощности.

Разработаны способы и конструкции устройств для разрезания и последующего измельчения покрышек, характеризующиеся высокой производительностью, эффективностью и отличающиеся высокой степенью новизны, что подтверждается полученными патентами на изобретения.

Теоретическая и практическая значимость. Комплексные экспериментальные исследования и анализ работы оборудования для предварительного измельчения шин позволили выработать базовые подходы к созданию теоретических методов расчета измельчающего оборудования.

Предложены новые способы и конструкции оборудования для разрезания покрышек на части и последующего отделения резинотекстильной составляющей от металла при высокой производительности и низких энергозатратах.

Результаты исследований использованы в производственных условиях на участке предварительного измельчения покрышек предприятия по переработке изношенных шин ООО «ЭКО-ТОП».

Научные положения, выносимые на защиту:

- способы и устройства для предварительного измельчения утилизируемых шин;

- математические модели процессов предварительного разрезания покрышек на фрагменты с помощью дисковых и кольцевых ножей;

- математические модели процессов отделения резинотекстильной основы покрышки от металлокорда путем непрерывной прокатки кольцевых фрагментов на валковой машине с различной геометрической поверхностью рабочих втулок;

- результаты лабораторных исследований процессов предварительного измельчения изношенных шин.

Достоверность научных положений и выводов диссертации базируется на комплексном применении современных физико-механических и математических методов анализа и подтверждается совпадением теоретических и экспериментальных данных, а также работоспособностью разработанных способов и устройств.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научных конференциях: 63-64 региональных научно-технических конференциях студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием (Ярославль, 2010-2011); 65-66 всероссийских научно-технических конференциях студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием (Ярославль, 2012-2013).

Публикации. По материалам проведенных исследований опубликовано 25 печатных работ, из них 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 11 тезисов докладов на конференциях различного уровня, 6 патентов Российской Федерации на изобретения.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных результатов и выводов по работе, списка сокращений, списка использованной литературы, включающего 104 наименования, и 11 приложений. Общий объем работы - 275 страниц, в том числе 199 страниц основного текста, включающего 97 рисунков и 27 таблиц.

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии во всех этапах проводимой работы и обсуждении результатов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы и оценена степень ее разработанности, обозначены цель и задачи исследования, научная новизна, теоретическая и практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту, а также изложены результаты апробации работы и структура диссертации.

В первой главе приводится обзор существующих методов и процессов переработки изношенных шин с отделением металлокорда от резинотек-стильной основы.

Рассматриваемые в литературном обзоре технологические линии переработки покрышек разделены натри группы:

- линии переработки при низкой (криогенной) температуре;

- линии переработки при нормальной и повышенной температуре;

- линии переработки при высокой температуре.

Отдельным разделом представлено известное оборудование для механического измельчения изношенных шин.

На основании обзора литературных источников установлено, что на данном этапе развития этой отрасли промышленности вполне целесообразно дальнейшее совершенствование и использование механических технологий переработки шин, как наиболее экологически безопасных и достаточно широко апробированных на практике.

Исходя из этого, сделан вывод об актуальности разработки эффективных и экономически выгодных способов предварительного измельчения изношенных покрышек на фрагменты, а также создании методов расчета технологических и конструктивных параметров оборудования и разработки научно-обоснованных рекомендаций по его совершенствованию.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию процессов предварительного измельчения изношенных шин, и включающая четыре раздела.

В первом разделе сформулированы цели и задачи экспериментального исследования.

Во втором разделе изучается процесс разрезания покрышек на кольцевые фрагменты с помощью экспериментальных установок с одним и двумя дисковыми ножами. Выяснено, что для эффективности процесса переработки изношенных шин нужно в первую очередь учитывать их строение. Поэтому на стадии предварительного измельчения шин с целью отделения металлокорда от резинотекстильной основы целесообразно разделять покрышку на части, содержащие и не содержащие в себе металлокорд, т.е. легковые покрышки разделяют-

ся на три части (каркасно-брекерно-протекторный браслет (КБПБ) и 2 боковины), а грузовые покрышки на две либо три части для увеличения загрузки пресса для вырубки бортовых колец, за счет компактной укладки их друг в друга. Схемы разрезания покрышек дисковыми ножами представлены на рисунке 1.

а) б)

Рис. 1. Схемы предварительного разрезания изношенных покрышек:

а) с каркасом из текстильного корда; б) с металлокордным каркасом

В третьем разделе исследуется процесс разрезания покрышек на фрагменты с помощью кольцевых и пластинчато-кольцевых ножей на прессовом устройстве. При проведении экспериментов использовали следующие варианты исполнения ножей (рис. 2):

- кольцевой и пластинчато-кольцевой ножи для отрезания бортовых колец от целиковых покрышек, половин покрышек или боковин;

- кольцевой нож для отрезания КБПБ от покрышки и пластинчато-кольцевой нож для отрезания КБПБ с одновременным разрезанием его на части;

- пластинчато-кольцевой нож для отрезания бортовых колец с одновременным разрезанием покрышек на части.

Экспериментально показана эффективность использования кольцевых и пластинчато-кольцевых ножей для разрезания покрышек на части. Причем, в зависимости от конструкции комбинированного пластинчато-кольцевого ножа возможно разрезать покрышки на фрагменты разных размеров и конфигурации, удобные для последующего их измельчения при утилизации.

При использовании пластинчато-кольцевого ножа для вырубки бортовых колец из целиковых покрышек (или боковин) зафиксировано значительное сни-

жение общего усилия и потребляемой мощности по сравнению с кольцевым ножом без пластинчатых лезвий. К тому же, отрезанные таким ножом фрагменты боковин и целиковых покрышек без особых усилий снимаются с ножа.

а) 6) в) г) д)

1 1 1 С ъ

т~ ! 1 1 [_ и 1

а), б) - кольцевой и пластинчато-кольцевой ножи для отрезания бортовых колец от покрышек или их фрагментов; в), г) - кольцевой и пластинчато-кольцевой ножи для отрезания КБПБ от покрышек; д) - пластинчато-кольцевой нож для отрезания бортовых колец с одновременным разрезанием покрышек на части Рис. 2. Варианты исполнения ножей, используемых в экспериментах

Выяснено, что благодаря радиальным надрезам, производимым пластинчатыми ножами при вырубке бортовых колец, уменьшаются суммарные силы трения, вызываемые упругими силами растяжения резины покрышки при погружении в нее лезвий ножа, вследствие чего снижается общее сопротивление внедрению ножа в стопу покрышек (боковин). В связи с этим для количественной оценки величин возможных сил трения проведен теоретический и экспериментальный анализ деформирования боковин покрышек при внедрении в них кольцевого ножа.

В четвертом разделе исследуется процесс непрерывной и периодической прокатки образцов КБПБ на доработанных лабораторных вальцах Л6320-160/160, у которых рабочие части валков, для уменьшения прогиба и увеличения их жесткости, укорочены в два раза (рис. 3). Кроме того, рабочие части валков выполнены в виде сменных стальных закаленных втулок, наружные поверхности которых имеют различную форму (см. рис. 4): гладкую, с мелкой насечкой, зубчатую с зубьями треугольной формы, одна втулка снабжена винтовыми зубьями круглого сечения. Сменные втулки позволили получать различные сочетания рабочих поверхностей валков при изучении процесса прокатки КБПБ.

В ходе экспериментов замечено, что отделение резины от металлокорда происходит наиболее эффективно, когда один валок имеет втулку с гладкой

или мелкосетчатой поверхностью, а другой валок - втулку с винтообразно расположенными зубьями. При этом начальный зазор между валками по величине близок к толщине брекерных слоев, за счет чего увеличивается величина начальной относительной деформации сжатия КБПБ в зазоре.

рифленый); 5 - механизм регулировки зазора; 6 - левый датчик распорного усилия; 7 - правый датчик распорного усилия; 8 - аварийный останов; 9 - блок питания: 10 - усилитель; 11 - самопишущий потенциометр: 12 - счетчик электроэнергии Рис. 3. Принципиальная схема валковой машины для прокатки КБПБ

Установлено, что при прокатке между валками, имеющими наружную поверхность в виде зубцов треугольной формы, разрыв металлокордных нитей происходил существенно интенсивнее, чем при прокатке между одним валком с гладкой поверхностью, а другим - с зубьями круглого сечения. Следовательно, во втором случае энергия затрачивалась не на разрыв арматуры, а лишь на отслоение от нее резинотекстильной составляющей.

Выход отделенной резинокордной массы зависит от времени обработки КБПБ на валковой машине. Однако с увеличением времени обработки закономерно возрастает и расход энергии. В связи с этим сделан вывод о целесообразности после отделения от КБПБ большей части резинотекстильной составляю-

1 — гладкие; 2-е мелкой насечкой; 3 - зубчатые втулки с зубьями треугольной формы (у одной из втулок зубья расположены под углом 10° к меридиональной линии); 4 - с винтовыми зубьями круглого сечения (угол подъема винтовой линии зубьев уб=15°) Рис, 4. Сменные рабочие втулки валков вальцов

щей, металлокорд с остатками резины перерабатывать, с целью получения чистого металла, каким-либо немеханическим способом (напр. пиролизом).

Третья глава посвящена математическому моделированию процессов предварительного измельчения изношенных шин.

В первом разделе описываются характеристики механических свойств материала покрышек. Основной особенностью армированных вулканизатов изношенных шин является то, что они по своим деформационным свойствам суще-

ственно отличаются как от пластичных материалов, так и от идеально упругих тел. В связи с этим возникает необходимость создания математических моделей процессов переработки армированных шин, на основе имеющегося экспериментального материала.

Во втором разделе приводятся математические модели процессов разрезания покрышек на фрагменты (отрезания боковин от покрышки с помощью дисковых ножей с односторонней заточкой и отрезания бортовых колец и боковин от покрышек с помощью кольцевых цилиндрических ножей).

За основу теоретического решения задачи отрезания боковин от покрышки было принято известное выражение для расчета усилий резания О, выделенных слоев армированного вулканизата:

- для армированных кордными нитями слоев при их разрезании в меридиональном направлении дисковым лезвием с двухсторонней заточкой

где /' - длина линии разреза выделенного слоя; 4 - плотность распределения нитей корда в к-том единичном слое /-го выделенного комбинированного, но однородного по типу армирующего материала (например, металлокорда) слое; к - номер единичного слоя в /-том выделенном комбинированном слое; т — число единичных слоев в /-том выделенном комбинированном слое; разрывное усилие нити корда; ак - угол наклона нити корда А-того единичного слоя к меридиану; Д — угол перегиба Л-того слоя армированного материала при прорезании его ножом, - для чисто резиновых слоев

где (¡'уд— удельная сила резания /-го резинового слоя.

Характерной особенностью процесса отрезания боковин 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, если разрезаются покрышки типа ЦМК. Другой особенностью является то. что в боковинах нити кордных слоев располагаются либо строго по меридиану покрышки, либо под небольшим углом к меридиану (угол закроя каркасных слоев ак = 0°±3С).

Поскольку в рассматриваемом случае разрезание покрышки производится не в меридиональном, а в окружном направлении, и ножами не с двухсторонней, а с односторонней заточкой (рис. 5), выражение для определения суммарной силы резания кордных слоев при отрезании двух боковин принимает вид:

В основе теоретического решения задачи разрезания покрышек кольцевыми ножами лежит известное выражение для расчета усилий резания одного слоя обрезиненного корда плоским клинообразным ножом с двухсторонней заточкой:

в =чи-г>

(2)

(3)

1 н

0 = 2-/-/„-М,,-вт а-сое — .

где / — длина линии разреза слоя; /„ - частота нитей корда в слое; М» - разрывное усилие нити корда; а - угол наклона нити корда к кромке лезвия ножа; /? - угол перегиба слоя корда при прорезании его ножом.

На рисунке 6 показаны расчетные схемы, поясняющие механизм нагруже-ния кордных нитей при отрезании боковин и бортовых колец. На основании расчетных схем запишем уравнение равновесия системы «нож - кордная нить» для одного слоя корда каркаса, когда разрезаемая кордная нить располагается под углом а к меридиану:

<?1 соьа^сощ +са&у2), (5)

Поскольку в покрышке каждый слой может содержать различное число нитей, то для к-го слоя можем записать:

1 - опорный ролик; 2 — нож; 3 - резиновый слой; 4 — кордная нить Рис. 5. Схема для определения угла перегиба нитей корда

пк - 'ак Lp K H - 'ок cosat •LP K H

(6)

где л, - количество одновременно перерезаемых нитей; ¡а1с = гмакак- фактическая частота распределения нитей корда в к-ом слое при угле закроя корда ак: 1*гкн =п'Вркн~~ полная Длина режущей кромки ножа; 0Р К Н - диаметр окружности режущей кромки ножа; - частота распределения нитей корда в к-том слое в исходном состоянии (до раскроя на диагонально-резательной машине).

Если в структуре боковины в месте реза содержится т различных кордных слоев, то общее усилие сопротивления внедрению кольцевого ножа в композитный материал будет равно:

= я- • DrKH ■ (cosy, + cos уг) • I {iok ■ Nu ■ cos 2ak ).

(7)

Проведенный анализ сходимости экспериментальных и расчетных значений усилий резания показывает адекватность применимости разработан-

ных математических моделей к расчёту энергосиловых характеристик процессов разрезания изношенных покрышек на фрагменты.

Нпртивое качыго

'ЧН

Отрешнная

боюинта ^

1 - боковина целиковой покрышки; 2 - кордная нить; 3 - резина;

4 — нож с односторонней заточкой; 5 - бортовое кольцо; 6 - подложка

Рис.6. Схема защемления кордной нити между бортовым кольцом и КБПБ целиковой покрышки (а) и между бортовым кольцом и резиновыми слоями отрезанной боковины (б)

В третьем разделе приводятся математические модели процессов прокатки армированных вулканизатов изношенных шин на валковой машине между гладкими валками одинаковых или разных диаметров и между одним валком с гладкой поверхностью, а другим - с винтообразными зубьями круглого сечения.

За основу теоретического решения задач о прокатке каркасно-брекерно-протекторных браслетов (КБПБ). был принят известный метод расчета распорных усилий, основанный на закономерностях упругой деформации материала, но, как было сказано ранее, армированные вулканизаты по своим деформационным свойствам отличаются и от пластичных материалов и от идеально упругих тел. Известны исследования по изучению деформируемости материала КБПБ методом одноосного сжатия, а также зависимости деформации его в меридиональном и экваториальном направлениях от поперечных деформаций при сжатии образцов. Сжатие элементов изношенных шин (КБПБ) перпендикулярно плоскости образца, достаточно точно соответствует процессу их деформирования при прокатке на валковой машине.

По результатам исследований установлено, что зависимость между истинным напряжением сжатия а и относительной деформацией сжатия е хорошо описывается уравнением вида:

ст = ЕЕ", (8)

где Е и п - коэффициенты, которые были определены в ходе экспериментов (Е - аналог модуля упругости при сжатии; п — показатель нелинейности уравнения), а зависимость между относительной деформацией уширения еч и относительной деформацией сжатия е в направлении действия сжимающей силы хорошо описывается линейным уравнением вида еЛ1 = \'ь -|г|, где ук - коэффициент уширения.

Расчетная схема процесса прокатки КБПБ между гладкими валками показана на рисунке 7, а между одним валком с гладкой поверхностью, а другим —

А — межцентровое расстояние между валками; И/ и Я: — наружные радиусы меньшего и большего валков соответственно: /?,„/„ - минимальный зазор между поверхностями валков; А, - текущая величина зазора; начальная величина зазора, равная начальной толщине прокатываемой ленты КБПБ; <р,■ и у/, — текущие значения угловых координат точек /-го сечения зазора. Рис. 7. Расчетная схема процесса прокатки КБПБ между гладкими валками

- радиус гладкого валка; Я3 — радиус зубчатого валка; г - радиус окружности зуба; <р'3 —текущее значение угловой координаты центра окружности поперечного сечения зуба; <р'г — текущее значение угловой координаты радиуса для центра окружности поперечного сечения зуба; ц/иг, - начальная и текущая угловые координаты точек касания окружности зуба с КБПБ в системе координат х'у' при г'-том положении зуба в системе координат ху; у/т, у/р - начальная и текущая угловые координаты точек контакта окружности зуба с КБПБ в системе координат х'/ при /-том положении зуба в координатах ху; Рис. 8. Расчетная схема процесса прокатки КБПБ между одним гладким валком, а другим — с зубьями круглого сечения

С учетом особенностей процесса прокатки (гладкие валки одинаковых или разных диаметров) и применения полученного закона изменения напряжений сжатия КБПБ в зазоре, получаем выражение для расчета полного распорного усилия Р между валками (см. рис. 7):

t_2-E-B, Ъи

Б"

I [i?, • (cos <pt - cos <p„Kt + K2 J" ■ cos cprd(p + +— f [Л, -(cos« -cos^)-Kx + coscp, dtp

где £- аналог модуля упругости при сжатии; п - показатель нелинейности уравнения a=Eef', Ьи- начальная ширина образца КБПБ; vh— коэффициент уширения;

К, = - Л,2 (1 -cos2 <рн); Кг = yjj^ -Л,2 (1-cos2 <р,); Б = А-Л, cos(p„-Kv

С учетом особенностей процесса деформирования материала КБПБ в зазоре между гладким валком и зубчатым с зубьями круглого сечения (см. рис. 8) и с использованием закона изменения напряжений сжатия КБПБ в зазоре, получаем выражения:

- для расчета полного распорного усилия между прямым зубом и гладким валком

лР=

2 Е г-Ъ,

'л Г? г -1»

\ -cos

+-

s

Чг . . -.»+1

J [а:; - К'2 J • cos y/'j ■ dy/j ^ • cos <p\,

(10)

- для расчета полного распорного усилия между винтовым зубом и гладким валком

2-Е-г-АЬ„'

cosJ3

i f (К1-К'2)" cos^ cos^ d^

К[-Яг о

# / . чЛ+1

• / (к;-К'г) cos?>; • cos ц/'j-dy/'jV,

(11)

где К\ = -2-А,-г-соэ^ +г2; К'2 = -г-сов^+г2; - началь-

ная ширина прокатываемой ленты КБПБ; /1 -угол подъема винтовой линии зуба; »г — число участков, на которое разбивается длина винтовой линии кон-

ьл

такта поверхности зуба с прокатываемым материалом; дь" = —— длина эле" т

ментарного участка линии контакта условного прямого зуба с лентой прокатываемого КБПБ; АЬ" - длина элементарного участка винтовой линии контак-сов [1

та зуба и ленты КБПБ.

При этом предполагается, что в пределах каждого элементарного участка значения К\, К2, <р'г, У ) постоянны, что и позволяет использовать уравнение (11) последовательно для каждого элементарного участка.

В качестве примера выполнены расчеты эпюр напряжений сжатия материала КБПБ в зазоре между винтовым зубом круглого сечения и гладким валком, и величин распорных усилий для двух наиболее характерных взаимных положений одного винтового зуба зубчатого валка в рабочем зазоре валковой машины (рис. 9).

минимального зазора между зубом зубчатого валка и наружной поверхностью гладкого валка; о) продольная средняя осевая линия П ленты КБПБ совпадает

с серединой винтового зуба в зоне минимального зазора Рис. 9. Два варианта пятен контакта поверхности винтового зуба с лентой КБПБ и соответствующие эпюры напряжений сжатия

Оказалось, что значение распорного усилия во втором случае приблизительно в 2 раза больше чем в первом. Это объясняется тем, что в варианте (б) площадь пятна контакта между зубом и лентой КБПБ в два раза больше чем в варианте (а) (см. рис. 9). Совершенно очевидно, что если зубья зубчатого валка будут направлены вдоль оси валка (т.е. /?= 0°), то при тех же ис-

ходных данных пятно контакта в зоне минимального зазора между прямым зубом и гладким валком будет иметь наибольшую площадь, а его размеры постоянны по ширине прокатываемой ленты и поэтому расчетное распорное усилие будет наибольшим.

В четвертой главе приведены методики расчета оборудования для предварительного измельчения изношенных шин. Глава состоит из трех разделов.

В первом разделе описана методика расчета усилия резания при разрезания покрышек на части при помощи кольцевых или пластинчато-кольцевых ножей, а во втором - методика расчета усилия резания при отрезании боковин от покрышки вращающимися дисковыми ножами.

В третьем разделе приведена методика расчета суммарного распорного усилия, возникающего при прокатке КБПБ на валковой прокатывающей машине с одним гладким валком, а другим - с винтовым зубом круглого сечения.

Основные этапы разработанных методик расчета:

1. Определяются геометрические, структурные, прочностные и деформационные характеристики перерабатываемого образца;

2. Задаются геометрические параметры рабочих органов перерабатывающего оборудования;

3. Согласно математической модели, описанной в третьей главе, производится расчет основной рабочей характеристики процесса измельчения (усилия при разрезании или распорного усилия между валками при прокатке);

4. По известной рабочей характеристике определяются затраты мощности привода оборудования;

5. На основе полученных энергосиловых характеристик производится прочностной расчет и определение конструктивных параметров основных узлов перерабатывающих машин.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложены новые способы разрезания покрышек на фрагменты, удобные для дальнейшей переработки, с помощью дисковых и кольцевых ножей. Проведено экспериментальное исследование процессов резания, по ре-

зультатам которого сформулированы рекомендации по применению того или иного способа разрезания в зависимости от строения покрышек и конкретного метода дальнейшей их переработки.

2. Экспериментально изучен процесс отделения резинотекстильной массы от металлокордной основы путем непрерывной и периодической прокатки кар-касно-брекерно-протекторных браслетов на валковой машине. Оценена эффективность процесса отделения при различном сочетании рабочих втулок валков. Установлено, что отделение резины от металлокорда происходит наиболее эффективно, когда один валок имеет втулку с гладкой или мелкосетчатой поверхностью, а другой валок—втулку с винтообразно расположенными зубьями.

3. Разработаны математические модели процессов резания металлокорд-ных покрышек дисковыми и кольцевыми ножами и математические модели процессов прокатки между гладкими валками одинаковых или разных диаметров, и между одним гладким валком и валком с винтовым зубом круглого сечения. Проведенная оценка сходимости результатов теоретических расчетов с экспериментальными данными, показала удовлетворительное их совпадение, что подтверждает адекватность разработанных математических моделей реальным процессам измельчения покрышек.

4. Созданы методики расчета оборудования для предварительного измельчения изношенных шин. Приведены примеры расчета рабочих характеристик процессов измельчения - усилия при разрезании и распорного усилия между валками при прокатке.

5. Разработаны новые способы и устройства для предварительного измельчения изношенных шин, защищенные патентами Российской Федерации на изобретения. На их основе созданы технические проекты машин для предварительного измельчения изношенных шин.

6. Разработанные технические решения находят использование на участке предварительного измельчения покрышек предприятия по переработке изношенных шин ООО «ЭКО-ТОП».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

а) издания, рекомендованные ВАК РФ:

1. Вещев, А. А. Разработка и исследование способа и устройства для отрезания бортовых колец утилизируемых шин / А. А. Вещев, А. Е. Соколов // Промышленное производство и использование эластомеров. — 2011. - №3. — С. 42-47.

2. Соколов, А. Е. Разработка и исследование устройства для разрезания утилизируемых шин в экваториальном направлении / А. Е. Соколов, А. А. Вещев // Промышленное производство и использование эластомеров. — 2012. - №1. — С. 46-51.

3. Вещев, А. А. Экспериментальное исследование процесса отделения ме-таллокорда от фрагментов утилизируемых шин методом непрерывной прокатки / А. А. Вещев, А. Е. Соколов, А. О. Панкратовский // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. — 2012. -Т.55. - Вып.12. - С. 101-105.

4. Вещев, А. А. Исследование и пути совершенствования машины для разрезания утилизируемых шин / А. А. Вещев, А. Е. Соколов // Каучук и резина. — 2013.-№5,- С. 36-39.

5. Вещев, А. А. Разработка и исследование способов разрезания утилизируемых шин на машине с пластинчато-кольцевым ножом / А. А. Вещев, А. Е. Соколов, К. А. Горохов // Промышленное производство и использование эластомеров. - 2013. - №3. - С. 29-33.

6. Вещев, А. А. Расчёт энергосиловых характеристик машин для прокатки армированных фрагментов утилизируемых шин / А. А. Вещев, А. Е. Соколов // Промышленное производство и использование эластомеров. - 2014. — №1.-С. 37-41.

б) другие издания:

7. Вещев, А. А. Разработка и исследование двухдискового ножа для разрезания утилизируемых шин в окружном направлении / А. А. Вещев, А. Е. Соколов, А. С. Степанов // Научный аспект. - 2013. - №3. - С. 149-160.

8. Вещев, А. А. Энергосиловой анализ процесса отделения металлической арматуры от резинотекстильной массы утилизируемых шин методом про-

катки на двухвалковой машине / А. А. Вещев, А. Е. Соколов // Новый университет. Сер. «Технические науки». -2013. -№8-9. —С. 18-33.

9. Соколов, А. Е. Машина для разрезания изношенных покрышек, подлежащих утилизации / А. Е. Соколов // Шестьдесят третья региональная науч.-техн. конф. студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием, посвященная 1000-летию Ярославля. 4.1 : сб. тез. докл. - Ярославль : Изд-во ЯГТУ, 2010. - С. 157.

10. Соколов, А. Е. Методика и результаты исследования деформационных свойств армированных вулканизатов утилизируемых шин / А. Е. Соколов, А. А. Вещев // Шестьдесят четвертая региональная науч.-техн. конф. студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием. 4.1 : сб. тез. докл. - Ярославль : Изд-во ЯГТУ, 2011. — С. 220.

11. Пеньков. К. Г. Машина для разрезания утилизируемых шин с помощью дисковых ножей / К. Г. Пеньков, А. Е. Соколов, А. А. Вещев // Шестьдесят четвертая региональная науч.-техн. конф. студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием. 4.1 : сб. тез. докл. - Ярославль : Изд-во ЯГТУ, 2011. - С. 218.

12. Литвинов, Р. П. Машина для разрезания изношенных покрышек с помощью кольцевых цилиндрических ножей/ Р. П. Литвинов, А. Е. Соколов, А. А. Вещев // Шестьдесят четвертая региональная науч.-техн. конф. студентов. магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием. 4.1 : сб. тез. докл. - Ярославль : Изд-во ЯГТУ, 2011. - С. 217.

13. Пеньков. К. Г. Исследование работы машины для разрезания изношенных шин/ К. Г. Пеньков, А. Е. Соколов, А. А. Вещев // Шестьдесят пятая всероссийская науч.-техн. конф. студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием. 4.1 : сб. тез. докл. -Ярославль : Изд-во ЯГТУ, 2012. - С. 285.

14. Литвинов, Р. П. Исследование работы машины для отделения бортовых колец от шин. подлежащих утилизации / Р. П. Литвинов, А. Е. Соколов, А. А. Вещев // Шестьдесят пятая всероссийская науч.-техн. конф. студентов,

магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием. 4.1 : сб. тез. докл. - Ярославль : Изд-во ЯГТУ, 2012. - С. 284.

15. Соколов, А. Е. Исследование процесса отделения металлокорда от фрагментов утилизируемых шин методом непрерывной прокатки / А. Е. Соколов, А. А. Вещев // Шестьдесят пятая всероссийская науч.-техн. конф. студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием. 4.1: сб. тез. докл. - Ярославль : Изд-во ЯГТУ, 2012. - С. 287.

16. Соколов, А. Е. Исследование энергосиловых характеристик процесса разрезания на две половины по окружности изношенных покрышек с металлокордным брекером / А. Е. Соколов, А. А. Вещев // Шестьдесят шестая всероссийская науч.-техн. конф. студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием. 4.1 : сб. тез. докл. — Ярославль : Изд-во ЯГТУ, 2013. - С. 164.

17. Степанов, А. С. Разработка и исследование нового способа разрезания изношенных покрышек дисковыми ножами / А. С. Степанов, А. Е. Соколов, А. А. Вещев // Шестьдесят шестая всероссийская науч.-техн. конф. студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием. Ч. 1 : сб. тез. докл. - Ярославль : Изд-во ЯГТУ, 2013. - С. 165.

18. Горохов, К. А. Совершенствование способа и устройства для разрезания изношенных покрышек с помощью кольцевого цилиндрического ножа / К. А. Горохов, А. Е. Соколов, А. А. Вещев // Шестьдесят шестая всероссийская науч.-техн. конф. студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием. 4.1 : сб. тез. докл. — Ярославль : Изд-во ЯГТУ, 2013. - С. 160.

19. Балдин, А. Ю. Исследование процесса раздельной переработки ре-зино-металлокордных и резинотекстильных фрагментов изношенных покрышек на валковой машине / А. Ю. Балдин, А. Е. Соколов, А. А. Вещев // Шестьдесят шестая всероссийская науч.-техн. конф. студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием. 4.1 : сб. тез. докл. - Ярославль : Изд-во ЯГТУ, 2013. - С. 159.

в) патентные документы:

20. Пат. 2441753 С1 Российская Федерация, МПК В29В17/00, В2601/14. Устройство для одновременного разрезания по двум или нескольким линиям реза покрышки / А. А. Вещев, А. Е. Соколов. - Опубл. 10.02.2012.

21. Пат. 2460640 С1 Российская Федерация, МПК В29В17/02. Нож для разрезания покрышек или их фрагментов на части / А. А. Вещев, А. Е. Соколов. -Опубл. 20.09.2012.

22. Пат. 2473422 С1 Российская Федерация, МПК В29В17/00. Способ разрезания покрышек / А. А. Вещев, А. Е. Соколов. - Опубл. 27.01.2013.

23. Пат. 2489256 С1 Российская Федерация, МПК В29В17/00. В2601/00. Устройство для одновременного разрезания по двум или нескольким линиям реза покрышки / А. А. Вещев, А. Е. Соколов. - Опубл. 10.08.2013.

24. Пат. 2504469 С1 Российская Федерация, МПК В29В17/00. Способ и устройство для переработки изношенных покрышек методом деструкции / А. А. Вещев, А. Е. Соколов, К. Г. Пеньков, Р. П. Литвинов. - Опубл. 20.01.2014.

25. Пат. 2506159 С1 Российская Федерация, МПК В29В17/02. Нож для разрезания покрышки или ее фрагментов на части / А. А. Вещев, А. Е. Соколов. -Опубл. 10.02.2014.

Подписано в печать 4.04.2014 г. Печ. л. 1. Заказ 310. Тираж 100. Отпечатано в типографии Ярославского государственного технического университета г. Ярославль, ул. Советская, 14 а, тел. 30-56-63.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ярославский государственный технический университет»

На правах рукописи 04201459074 ¿.о^А^^

Соколов Алексей Евгеньевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ШИН, ПОДЛЕЖАЩИХ

УТИЛИЗАЦИИ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Вещев А. А.

Ярославль - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................... 6

ГЛАВА 1.

ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ ИЗНОШЕННЫХ ШИН С ОТДЕЛЕНИЕМ МЕТАЛЛОКОРДА ОТ РЕЗИНОТЕКСТИЛЬНОЙ ОСНОВЫ......................................................... 12

1.1 Линии переработки изношенных покрышек при низкой (криогенной) температуре....................................................................................... 14

1.2 Линии переработки изношенных покрышек при нормальной

и повышенной температуре............................................................... 19

1.3 Линии переработки изношенных покрышек при высоких температурах... 32

1.4 Оборудование для механического измельчения изношенных шин............ 38

1.5 Выводы по главе и постановка задач исследования............................... 51

ГЛАВА 2.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ИЗНОШЕННЫХ ШИН.................. 53

2.1 Постановка задач экспериментального исследования................................... 53

2.2 Исследование процесса разрезания покрышек в экваториальном направлении с помощью дисковых ножей..................................................... 53

2.2.1 Разрезание утилизируемых шин на машине с одним дисковым

ножом........................................................................................................ 54

2.2.1.1 Описание экспериментальной установки................................. 54

2.2.1.2 Методика проведения эксперимента......................................... 55

2.2.1.3 Обработка экспериментальных данных.................................... 56

2.2.2 Разрезание утилизируемых шин на машине с двумя дисковыми ножами...................................................................................................... 62

2.2.2.1 Описание экспериментальной установки................................. 62

2.2.2.2 Методика проведения эксперимента........................................ 64

2.2.2.3 Обработка экспериментальных данных........................................................................64

2.2.3 Анализ полученных экспериментальных данных................................................................66

2.3 Исследование процесса разрезания покрышек или их фрагментов

на части с помощью кольцевых и пластинчато-кольцевых ножей............................68

2.3.1 Описание экспериментальной установки............................................................................................68

2.3.2 Методика проведения эксперимента..........................................................................................................70

2.3.3 Обработка экспериментальных данных................................................................................................71

2.3.4 Определение сил трения между отрезанными частями покрышки (боковины) и боковыми поверхностями ножа............................................................................83

2.3.5 Анализ полученных экспериментальных данных................................................................89

2.4 Исследование процесса отделения металлокорда от фрагментов утилизируемых шин методом прокатки на валковой машине............................................91

2.4.1 Описание экспериментальной установки............................................................................................91

2.4.2 Методика проведения экспериментов......................................................................................................93

2.4.3 Обработка экспериментальных данных................................................................................................95

2.4.4 Анализ полученных экспериментальных данных................................................................103

2.5 Результаты и выводы по главе..................................................................................................................................................106

ГЛАВА 3.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ИЗНОШЕННЫХ ШИН................................108

3.1 Характеристика механических свойств материала..................................................................108

3.2 Математическое моделирование процессов разрезания покрышек

на фрагменты................................................................................................................................................................110

3.2.1 Постановка задачи моделирования............................................................................................110

3.2.2 Расчет процесса отрезания боковин от покрышки с помощью дисковых ножей........................................................................................................................................111

3.2.3 Исследование математической модели процесса отрезания

боковин от покрышки..............................................................................................................................119

3.2.4 Расчет процесса вырубки боковин и бортовых колец из покрышек

с помощью кольцевых и пластинчато-кольцевых ножей............... 124

3.2.5 Оценка сходимости теоретических и экспериментальных данных.... 137

3.2.5.1 Сравнение теоретических и экспериментальных данных

при разрезании покрышек дисковыми ножами........................ 137

3.2.5.2 Сравнение теоретических и экспериментальных данных

при разрезании покрышек кольцевыми ножами.................. 142

3.3 Математическое моделирование процесса прокатки армированных вулканизатов изношенных шин на валковых машинах............................ 146

3.3.1 Постановка задачи моделирования............................................. 146

3.3.2 Расчет процесса прокатки КБПБ между гладкими валками одинаковых или разных диаметров.............................................. 147

3.3.3 Расчет процесса прокатки КБПБ между одним валком с гладкой цилиндрической поверхностью, а другим - с винтообразными зубьями круглого сечения......................................................... 165

3.4 Результаты и выводы по главе......................................................................... 185

ГЛАВА 4.

СОЗДАНИЕ МЕТОДИК РАСЧЕТА ОБОРУДОВАНИЯ

ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ИЗНОШЕННЫХ ШИН......... 187

4.1 Методика расчета прессового устройства для предварительного разрезания покрышек на фрагменты с помощью кольцевых

или пластинчато-кольцевых ножей................................................................. 187

4.2 Методика расчета устройства для отрезания боковин от покрышек

с помощью дисковых ножей............................................................................. 191

4.3 Методика расчета валковой машины для отделения резины

от металлической арматуры путем непрерывной прокатки КБПБ.............. 196

4.4 Результаты и выводы по главе......................................................................... 201

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.................................... 203

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ................................................................. 205

СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ..................................................... 206

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ................................................................. 217

Приложение А. Программа и пример расчета распорного усилия и технологической мощности при отрезании боковин от покрышки

на машине с двумя дисковыми ножами................................................................. 221

Приложение Б. Пример расчета общего усилия для отрезания бортовых колец и КБПБ от покрышки типоразмера 195/65 R15 на машине

с кольцевым цилиндрическим ножом.................................................................... 225

Приложение В. Программа и пример решения задачи о прокатке КБПБ

между гладкими валками одинаковых или разных диаметров........................... 227

Приложение Г. Программа и пример расчета напряжений сжатия в зазоре между зубьями зубчатого валка и поверхностью гладкого

валкапри прокатке................................................................................................... 230

Приложение Д. Программа и пример расчета напряжений сжатия КБПБ в зазоре между винтовым зубом зубчатого валка и поверхностью гладкого

валка при прокатке................................................................................................... 236

Приложение Е. Иллюстрации технического проекта машины для вырубки из покрышек бортовых колец и боковин с возможностью одновременного

разрезания оставшихся частей на куски................................................................ 241

Приложение Ж. Иллюстрации технического проекта машины для разрезания покрышек на три части: каркасно-брекерно-протекторный браслет

и две боковины......................................................................................................... 244

Приложение И. Иллюстрации технического проекта полупромышленной валковой машины для непрерывной прокатки каркасно-брекерно-

протекторных браслетов от покрышек................................................................. 248

Приложение К. Справка об использовании результатов диссертационной

работы....................................................................................................................... 250

Приложение Л. Патентные документы, полученные по представленным

в данной работе новым способам и техническим решениям............................... 251

Приложение М. Фотоматериалы по проведенным исследованиям................... 257

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Переработка шин - одна из наиболее важных проблем из числа поставленных мировым автомобилестроением перед человечеством. Очень часто утилизация шин сводится к выбрасыванию их на свалку или закапыванию. Несложно понять, что этот способ является экологически небезопасным, так как период разложения шин в естественных условиях составляет около сотни лет. На протяжении этого периода происходит вымывание ядовитых веществ, которые попадают в почву и атмосферу, к тому же шины пожароопасны и являются идеальным местом для размножения грызунов и насекомых, а также «инкубатором» размножения разного рода инфекций [1-3].

Ежегодный объём выбрасываемых шин в России и странах ближнего зарубежья превосходит 1 миллион тонн. Эксперты утверждают, что только в Московском районе ежегодно накапливается около 90 тысяч тонн шин, вышедших из эксплуатации [4]. Нормы пробега автошин обязывают менять покрышки ориентировочно раз в 2-3 года. Это означает, что ежегодно на свалки попадают десятки тысяч тонн вторичного сырья. Этот потенциал просто напросто минует народное хозяйство как следствие нерасторопности и инертности, из-за которой принято думать, что способ утилизации покрышек - выбросить шины на свалку. При этом никто не вспоминает, что в производстве автомобильных шин используются высококачественные каучук и резина, поэтому современная промышленность должна быть ориентирована не только на добычу и производство, но и на сохранение экологии. Тем самым проблема переработки шин принимает глобальные масштабы [1].

Существующие перерабатывающие предприятия не способны справиться со всем объёмом шин, в результате чего значительные объемы вышедших из эксплуатации шин оказываются на свалках. Отчасти это происходит из-за отсутствия эффективной и рентабельной схемы их утилизации.

Вторичная переработка шин на данный момент является наиболее действенным способом, направленным на сохранение окружающей среды. Существует два основных метода переработки: химическим путем и физическим.

При химическом способе утилизации изношенные покрышки сжигаются или подвергаются высокотемпературной переработке. Этот способ получил наименьшее распространение за счет вредных выбросов сажи и токсичных газов в атмосферу, а также энергоемкости самого процесса. При химическом процессе отработанные покрышки используются как вторичный энергоресурс.

Наибольшее распространение получил физический способ, который заключается в механическом измельчении шин с целью получения резиновой крошки, имеющей широкий спектр областей применения. Резиновая крошка, или так называемая порошковая резина, используется для изготовления разного рода резинотехнических изделий (шины, подошва для обуви, шланги, гидроизоляционные материалы, спортивные покрытия и т.п.), а также в качестве резинового модификатора асфальта. Стоит отметить, что применение порошковой резины как одного из компонентов асфальтобетона позволяет повысить его эксплуатационные характеристики и увеличить срок службы дорожного покрытия в полтора-два раза [5,41].

Таким образом, актуальным является исследование процессов механического измельчения изношенных шин и разработка научно-обоснованных методов расчета и проектирования оборудования для измельчения.

Степень разработанности. Известно, что отечественные предприятия, связанные с утилизацией изношенных пневматических шин, до сих пор остаются слаборазвитыми и, по-видимому, убыточными, что обусловлено рядом причин:

- отсутствием отработанной системы сбора, транспортирования и переработки шин;

- низкой производительностью и высокой энергоемкостью перерабатывающего оборудования;

- недостаточной износостойкостью рабочих органов машин, в особенности при переработке покрышек с металлокордом в каркасе и брекере;

- отсутствием комплексного отечественного высокоэффективного и экологически безопасного перерабатывающего оборудования;

- отсутствием устойчивого рынка сбыта продуктов переработки шин: вулканизованной резины, текстиля, бортовой проволоки и металлокорда, зачастую загрязненных остатками резины.

Отмеченные недостатки в сфере утилизации шин в значительной степени связаны со слабой отечественной научно-технической базой в этой области, отсутствием координации научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию новых эффективных способов и устройств, которые бы комплексно охватывали всю цепочку технологических операций по превращению изношенных шин в полезную продукцию.

Проводимые в настоящее время в нашей стране исследования и разработки в этой области носят разрозненный характер и, в большинстве случаев, решают лишь частные задачи. Отсутствует и система анализа и отбора соответствующей научной продукции с целью продвижения ее в реальное производство, что, наряду с отсутствием финансирования проводимых поисковых НИР, ОКР, изготовления и опытной проверки предлагаемых технических решений, не способствует прогрессу в данной отрасли.

Цель и задачи работы. Цель работы - теоретическое описание процессов механического измельчения изношенных шин, а именно разрезания их на фрагменты и последующего отделения резинотекстильной составляющей от металла, создание методов расчета технологических и конструктивных параметров оборудования, а также разработка научно-обоснованных рекомендаций по его совершенствованию.

Для достижения указанной цели решались следующие основные задачи:

- создание математических моделей процессов предварительного разрезания изношенных шин на фрагменты, удобные для дальнейшей переработки с помощью дисковых и кольцевых ножей;

- создание математической модели процесса отделения резинотекстильной основы покрышки от металлокорда путем непрерывной прокатки кольцевых фрагментов на валковой машине с различной геометрической поверхностью рабочих втулок;

- проверка адекватности разработанных математических моделей экспериментальным данным, полученным на лабораторных установках;

- исследование влияния соотношения основных геометрических параметров рабочих органов измельчающего оборудования на энергосиловые характеристики процессов переработки;

- разработка способов разрезания покрышек на части и конструкций устройств для осуществления этих способов, обеспечивающих высокую производительность и необходимое качество резания;

- создание на основе проведенных исследований методик инженерного расчета измельчающего оборудования.

Научная новизна. Разработаны математические модели процессов предварительного разрезания покрышек на части и последующего отделения от метал-локорда резинотекстильной составляющей. Проведена экспериментальная проверка методов расчета оборудования по усилиям резания, распорным усилиям при прокатке и затрачиваемой мощности.

Разработаны способы и конструкции устройств для разрезания покрышек (содержащих как текстильный, так и металлический корд), характеризующиеся высокой производительностью и эффективностью, отличающиеся высокой степенью новизны, что подтверждается полученными патентами на изобретения.

Теоретическая и практическая значимость. Комплексные экспериментальные исследования и анализ работы оборудования для предварительного измельчения шин позволили выработать базовые подходы к созданию теоретических методов расчета измельчающего оборудования.

Предложены новые способы и конструкции оборудования для разрезания покрышек на части и последующего отделения резинотекстильной составляющей от металла при высокой производительности и низких энергозатратах.

Результаты исследований использованы в производственных условиях на участке предварительного измельчения покрышек предприятия по переработке изношенных шин ООО «ЭКО-ТОП».

Методы исследования. Выполнен большой объем экспериментальных исследований, новых, предлагаемых в работе, способов и устройств, и созданных на базе полученного экспериментального материала математических моделей расчета элементов перерабатывающего оборудования.

Научные положения, выносимые на защиту:

- математические модели процессов предварительного разрезания покрышек на фрагменты с помощью дисковых и кольцевых ножей;

- математическая модель процесса отделения резинотекстильной основы покрыш�