CC BY
15УДК 678.4
А.А. Вещев, А.Е. Соколов, А.О. Панкратовский
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОТДЕЛЕНИЯ МЕТАЛЛОКОРДА ОТ ФРАГМЕНТОВ УТИЛИЗИРУЕМЫХ ШИН МЕТОДОМ НЕПРЕРЫВНОЙ ПРОКАТКИ
(Ярославский государственный технический университет) e-mail: alexeysokolov87@yandex.ru
Приводятся экспериментальные и расчетные данные по отделению металлокорда от фрагментов изношенных шин методом непрерывной прокатки на валковой машине.
Ключевые слова: прокатка, валковая машина, изношенные шины, металлокорд
Среди множества известных технологий утилизации изношенных шин, в том числе «механических», наметилось новое направление - переработка неразрезанных шин на валковых машинах, имеющих, по крайней мере, один консольный валок, на который надевают целиковую шину, после чего валками сжимают ее в зазоре и, вращая валки, прокатывают в непрерывном режиме до полного разрушения и отделения металлической арматуры от резинотекстильного массива [1, 2].
Однако, при очевидном преимуществе такого способа - непрерывного процесса прокатки -у него имеются и существенные недостатки:
- необходимость раздвигать и сдвигать валки на большое расстояние, чтобы надеть покрышку на валок, а затем сжать ее валками с требуемым усилием;
- необходимость увеличивать длину рабочей части валка, чтобы согласовать ее с длиной меридионального сечения покрышки в момент сжатия в зазоре;
- неизбежная одновременная прокатка разных по толщине и свойствам резины беговой части покрышки, боковин и бортовых ее частей, что приводит при переработке к их нежелательному смешению.
В случае переработки покрышек, имеющих металлокордный брекер и резинотекстиль-ный каркас, такое смешение особенно нежелательно, поскольку при этом существенно усложняется последующее отделение текстильного и, тем более металлического, корда от резины - процесс сложный, многостадийный и энергоемкий [3, 4].
В связи с этим, представляется более целесообразным применять предлагаемый способ непрерывной прокатки не для целиковых покрышек, а по отдельности для их кольцеобразных фрагментов, например, каркасно-брекерно-протектор-ных браслетов (КБПБ), боковин и бортовых частей. Это позволяет избежать смешения разнородных по составу резин, если перерабатывать раз-
ные фрагменты в разных потоках. Все сказанное в равной мере относится и к покрышкам типа ЦМК, содержащим металлокорд как в брекере, так и в каркасе.
Ранее в работе [5] были представлены результаты исследования процесса отделения металлической арматуры от резинотканевого массива изношенных покрышек путем многократного пропуска через зазор вращающихся валков плоских незамкнутых заготовок от каркасно-бре-керно-протекторных браслетов. Такой процесс требует многократной загрузки заготовок в рабочую зону валковой машины.
В настоящей работе приводятся результаты экспериментального исследования процесса отделения резинотекстильного массива от метал-локорда каркасно-брекерно-протекторных браслетов путем их непрерывной прокатки на двухвалковой машине при температуре окружающей среды. С этой целью была создана экспериментальная установка (рис. 1) на базе серийных лабораторных вальцов Лб 320 160/160. По сравнению с серийной машиной валки экспериментальной установки имеют длину рабочей части 160 мм, т. е. в два раза меньше длины рабочей части серийной машины. Кроме того, рабочая часть валков выполнена в виде сменных стальных закаленных втулок, наружные поверхности которых имеют различную форму: гладкую, зубчатую с зубьями треугольной формы, с мелкой насечкой; одна втулка снабжена винтовыми зубьями круглого сечения.
Наличие сменных втулок позволило получать различные сочетания рабочих поверхностей валков, что расширяет технические возможности экспериментальной установки при изучении процесса прокатки КБПБ. Для измерения распорных усилий между валками при прокатке КБПБ установка снабжена измерительными системами, состоящими из двух блоков питания, двух тензомет-рических усилителей и двух самописцев. Для уче-
та потребляемой двигателем мощности и расхода электроэнергии установка оснащена электрическим счетчиком «Меркурий 230». Схема заправки КБПБ в машину (на задний валок) показана на рис. 1. Конструкции сменных рабочих втулок показаны на рис. 2.
Рис. 1. Схема заправки КБПБ на задний валок и обводной ролик: 1 - станина, 2 - траверса, 3 - задний валок, 4 - передний валок, 5 - обводной ролик, 6 - механизм регулировки зазора, 7 - датчик распорного усилия, 8 - блок питания, 9 - усилитель, 10 - самописец, 11 - КБПБ Fig. 1. The scheme of load of frame breaker bands on back roll and bypass roll. 1 - bed, 2- cross arm, 3- back roll, 4- front roll, 5 - bypass roll, 6 - gap adjuster, 7 - frame breaker band, 8- supply source, 9- amplifier, 11 - frame-balt-protector -bangle
Рис. 2. Сменные рабочие втулки валков вальцов: 1 - гладкие, 2 - с мелкой насечкой, 3 - с рифленой поверхностью, 4 - с
винтовым зубом круглого сечения Fig. 2. Replaceable working bushes of mill rolls: 1 - smooth bushes, 2 - bushes with fine cut, 3 - bushes with wavy surface, 4 - bushes with helical tooth of circular section
Методика проведения экспериментов заключалась в следующем. До начала опыта изме-
ряли толщину (калибр), ширину и массу КБПБ. Затем при снятых траверсах 2 (рис. 1) КБПБ заправляли на задний валок 3 и обводной ролик 5, затем траверсы устанавливали в рабочее положение и с помощью механизмов регулировки зазора 6 передний валок 4 прижимали к заднему валку 2. После этого включали в работу устройства для измерения распорных усилий на левом и правом подшипниках переднего валка, счетчик электрической энергии и привод вращения валков. Величину зазора между валками измеряли до начала прокатки КБПБ и в конце эксперимента (после разрушения КБПБ). В процессе прокатки КБПБ зазор постепенно уменьшали от начального его значения до конечного. Качественную картину разрушения КБПБ и отслоения резинотекстильной массы от металлокорда фиксировали с помощью видеозаписи. Процесс постепенного разрушения КБПБ отражен на фотографиях (рис. 3), а изменение распорного усилия между валками в процессе прокатки фиксировали на диаграммах, записываемых самописцами.
Рис. 3. Динамика разрушения КБПБ в процессе прокатки Fig. 3. Dynamics of frame-breaker-tread band breaking during the process of rolling
Геометрическая и структурная характеристика КБПБ, подвергнутых прокатке, представлена в табл. 1.
Экспериментальные данные по распорным усилиям, зафиксированным при прокатке указанных КБПБ, представлены в табл. 2. Здесь же приводятся соответствующие значения удельных распорных усилий, полученных при использовании различных рабочих втулок валков.
Таблица 1
Геометрическая и структурная характеристика прокатанных каркасно-брекерно-протекторных
браслетов (КБПБ) Table 1. Geometric and structural characteristic of rolled frame-breaker-tread bands
Таблица 2
Экспериментальные значения полных и удельных
распорных усилий при прокатке КБПБ Table 2. Experimental values of total and specific separating forces for the process of rolling of frame-breaker-tread bands
Номер КБПБ Типоразмер покрышки, от которой отделен КБПБ Количество и порядок расположения армирующих слоев КБПБ (снаружи во внутрь) Средняя толщина КБПБ 50, мм Средняя ширина КБПБ b0, мм
1 175/70 R13 мод. КАМА-205 1 сл. нейлона 2 сл. металлокорда 1 сл. нейлона 11,5 147
2 165/70 R13 мод. Matador-Omskshina MP8Economy 2 сл. металлокорда 2 сл. вискозных 10,2 139
3 То же То же 11,5 137
4 185/60 R14 мод. КАМА-208 2 сл. нейлона 2 сл. металлокорда 1 сл. полиэстера 11,8 168
5 175/70 R13 мод. КАМА И-391 2 сл. нейлона 2 сл. металлокорда 1 сл. нейлона 13,2 134
6 185/65 R13 мод. BARGUZIN2 1 сл. нейлона 2 сл. металлокорда 1 сл. нейлона 10,3 138
в
Номер КБПБ Минимальный зазор между валками ьная относительна [ация сжатия КБПЕ имальном зазоре, £0, % Максимальное распорное усилие
нач. кон. 3 ари чом Не д полное, кН удельное, кН/м
Обе втулки гладкие
1 8,3 0,55 27,83 84...93 569.630
Обе втулки с мелкой насечкой
2 6,4 0,8 37,25 69...88 498.634
3 8,4 0,4 26,30 68.75 497.549
4 8,9 0,4 24,25 101.109 603.647
Передняя втулка с насечкой, задняя с косыми зубьями
5 6,9 0,85 47,54 87.106 647.790
6 5,3 0,85 48,29 86.121 626.877
В процессе опытов задавали разную относительную деформацию сжатия 0 материала КБПБ в минимальном зазоре между валками, которую рассчитывали по выражению:
5 - к
0 5о
где к0 - минимальный зазор между вершиной зуба зубчатой втулки и поверхностью другой втулки, либо минимальный зазор между поверхностями одинаковых втулок; ё0 - средняя начальная толщина КБПБ.
Удельное распорное усилие рассчитывали путем деления полного (суммарного) распорного усилия (РЛ + РПР), замеренного с помощью левого и правого датчиков, на среднюю начальную ширину 0{)
КБПБ:
q =
p + P
1 Л ^ 1 ПР
К
Измеренные в данной работе полные и удельные распорные усилия при непрерывной прокатке КБПБ хорошо согласуются с аналогичными данными, полученными ранее [5] при периодической прокатке КБПБ.
После разрушения КБПБ производили оценку выхода резинотекстильной массы, не содержащей металлокорда, и металлокорда, загрязненного резинотекстильной составляющей. Результаты этой оценки представлены в табл. 3.
Таблица 3.
Выход компонентов после прокатки КБПБ Table 3. Yield of components after frame-breaker-tread
Номер КБПБ Масса КБПБ, кг Выход рези-нотекс-тильной массы Выход метал- локорда с остатками резинотекс-тильной массы Потери массы
кг % кг % кг %
1 не измеряли - - - - - -
2 2,96 1,84 62,2 1,00 33,8 0,12 4,0
3 не измеряли - - - - - -
4 3,79 2,28 60,2 1,44 38,0 0,07 1,8
5 2,95 2,11 71,5 0,67 22,7 0,17 5,8
6 2,9 2,13 73,5 0,68 23,5 0,09 3,0
Рис. 4. Внешний вид продуктов переработки КБПБ: 1 - загрязненный металлокорд после первичной прокатки, 2 - загрязненный металлокорд после вторичной обработки, 3 -резинотекстильная крошка после вторичной обработки загрязненного металлокорда, 4 - условно чистый металл после обжига
Fig. 4. Appearance of products of frame-breaker-tread band processing: 1 - dirty metal cord after initial rolling, 2 - dirty metal cord after secondary processing, 3 - rubber-textile crumb after secondary processing of dirty metal cord, 4 - conditionally pure metal after annealing
Видно, что выход резинотекстильной массы после окончания прокатки КБПБ и магнитной сепарации продукта составляет 60...74% от исходной массы браслета, а остальные 22.38% приходятся на металлокорд и оставшуюся на нем резину с текстилем. Потери продукта в процессе опыта составляли от 1,5 до 6%. С целью повышения общего выхода резинотекстильной массы ме-таллокорд с остатками резинотекстильных включений подвергали повторной обработке на вальцах. При этом передний валок снабжали втулкой с мелкой насечкой, а задний - втулкой с винтовыми треугольными зубьями. В результате при обработке, например 2200 г (100%) металлокорда с остатками резинотекстильной массы получили 670 г (30,45%) продукта без металлокорда, 770 г (35%) чистого металлокорда и 750 г (34,1%) металлокорда с остатками резины. Целесообразность дальнейшего разделения остатков металлокорда и резины с текстилем механическим или иным способом может быть оценена, по-видимому, лишь при дальнейших специальных исследованиях. В настоящей работе соотношение остатков металла и резинотекстильной массы в конечном несепари-рованном продукте механической обработки производили методом обжига открытым огнем. Так, при обжиге 750 г (100%) загрязненного металло-корда масса условно чистого металла составила 460 г (61,33%).
Внешний вид продуктов, полученных до дополнительной обработки и после нее показан на рис. 4.
Полученные в настоящей работе экспериментальные данные хорошо согласуются с аналогичными данными, полученными ранее [4] для случая периодического процесса прокатки армированных вулканизатов. Это позволяет использовать для прогнозирования и расчета энергосиловых характеристик процесса непрерывной прокатки таких материалов математической модели, разработанной в ЯГТУ и последовательно описанной в работах [6-8].
Опыты показали, что при непрерывной прокатке вулканизата при постоянном зазоре между валками распорные усилия постепенно снижаются, сам материал непрерывно разрушается, а деформационные и физико-механические свойства его также меняются. Ясно, что для расчета и конструирования прокатывающих машин необходимо знать наибольшие возможные энергосиловые характеристики процесса прокатки, а также влияние на них различных факторов (размеров и формы поверхностей валков, температуры, величины зазора между валками и др.).
Создание математической модели для описания процесса прокатки на разных стадиях разрушения вулканизата и при использовании валков с различной рабочей поверхностью требует чрезвычайно обширных, трудоемких и дорогостоящих экспериментальных и теоретических работ, в связи с чем на данном этапе разработана математическая модель только для начальной стадии процесса прокатки, когда вулканизат монолитен, его прочностные характеристики максимальны, а деформационные свойства достаточно изучены.
Для случая использования для прокатки армированных вулканизатов валков с гладкой рабочей поверхностью главное уравнение математической модели имеет вид:
Pp = 2KEbH R
h
Vh
J ( cos р - cos рН У dp +
VR h
Vh
J (
cos v
cos (рН )"+1 dp
Н 0
где Pp - распорное усилие между валками; E и n -коэффициенты деформационного уравнения
Т7 n
p=E s армированного вулканизата при одноосном сжатии [6]; p - давление на поверхности валка в произвольном сечении рабочего зазора между 2R(cosр - cosрН )
валками; g = -
относительная
деформация сжатия вулканизата в рассматриваемом сечении рабочего зазора; R - радиус валков; ЬН - начальная ширина прокатываемой ленты материала; фН и ф - угловые координаты сечения входа материала в зазор и текущего сечения соответственно; vB = 1 + еВ - коэффициент уширения ленты материала при сжатии в зазоре вальцов; еВ -относительная деформация материала вдоль оси вращения валков в текущем сечении зазора; K = = 1,2.. .1,8 - поправочный коэффициент.
Сравнение экспериментальных и расчетных (по математической модели) данных показали хорошее совпадение качественных картин изменения РР в зависимости от величины зазора между валками. Количественное совпадение этих результатов наблюдалось не всегда. В большинстве случаев фактические распорные усилия были больше расчетных. Поэтому для обеспечения надежности вновь проектируемых машин в разработанную математическую модель ввели поправочный коэффициент K.
Результаты теоретических расчетов по математической модели для вальцов разных типоразмеров (для разных значений K, bH, hH, Е и n) строго соответствуют физике процесса прокатки [8].
Таким образом по результатам проделанной работы можно сделать следующие выводы:
- показана принципиальная возможность отделения большей части резинотекстильного массива от каркасно-брекерно-протекторных браслетов изношенных покрышек методом непрерывной прокатки на двухвалковой машине;
- отделенный методом магнитной сепарации загрязненный металлокорд при повторной обработке на валковой машине и последующей вторичной магнитной сепарации может быть разделен на чистую резинотекстильную крошку (~30%), чистый металл (~35%) и металл с остатками резино-текстильного материала (~34%);
- остатки загрязненного металла после вторичной обработки могут быть окончательно очищены от резинотекстильной составляющей каким-либо другим, в том числе немеханическим способом;
- экспериментально определены полные и удельные распорные усилия при непрерывной прокатке
каркасно-брекерно-протекторных браслетов изношенных легковых шин на двухвалковой машине с различными рабочими поверхностями валков; - результаты проведенных экспериментальных исследований могут быть использованы при разработке математических моделей процесса прокатки армированных вулканизатов на разных стадиях их измельчения и очистки от металлокорда.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ложечников Е., Гохлиш Н.И., Зайдлер Е. Патент DE 4208561 C1. 1994;
Lozhechnikov E., Gokhlish N.I., Zaiydler E. Patent DE 4208561 C1. 1994.
2. Ходяков В.Н., Грачев В.В., Соболев В.Н. Патент RU 2005607 C1. 1994;
Khodyakov V.N., Grachev V.V., Sobolev V.N. Patent RU 2005607 C1. 1994
3. Оюунчимэг Д. Технология и оборудование утилизации обрезиненного кордного волокна изношенных шин. Ав-тореф. дис. ... к.т.н. Иваново: ИГХТУ. 2007. 16 с; Oyuunchimeg D. Technology and equipment for recycling the rubber cord fibers of used tires. Extended abstract of candidate dissertation for technical science. Ivanovo: ISUCT. 2007. 16 p. (in Russian).
4. Козлов А.М. Вибропневмосепарация измельченных продуктов резинотканевых отходов. Автореф. дис. ... к.т.н. Иваново: ИГХТУ. 2010. 16 с.;
Kozlov A.M. Vibration pneumatic separation of milled rubber waste products. Extended abstract of candidate dissertation for technical science. Ivanovo: ISUCT. 2010. 16 p. (in Russian).
5. Вещев А.А., Труфанов И.Ю., Васильев А.В. // Каучук и резина. 2009. № 1. С. 22-26;
Veshchev A.A., Trufanov I.Yu, Vasil'ev A.V. // Kauchuk i rezina. 2009. N 1. P. 22-26 (in Russian).
6. Вещев А.А., Баландин М.С., Борисов И.А. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2010. Т. 53. Вып. 2. С. 108-112;
Veshchev A.A., Balandin M.S., Borisov I.A. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2010. V. 53. N 2. P. 108-112 (in Russian).
7. Вещев А.А., Баландин М.С. // Каучук и резина. 2011. № 4. С. 33-37;
Veshchev A.A., Balandin M.S. // Kauchuk i rezina. 2011. N 4. P. 33-37 (in Russian).
8. Баландин М.С. Разработка и исследование процессов отделения металлической арматуры от тканерезиновой основы изношенных шин. Дис. магистра. Ярославль: ЯГТУ. 2010. 80 с.;
Balandin M.S. Research and development of processes for separation of metal cord from rubber used tires. Master's thesis. Yaroslavl. YSTU. 2010. 80 p. (in Russian).
