CC BY
77
158
Общетехнические задачи и пути их решения
УДК 621.311
К. К. Ким, И. В. Евсюкова, О. В. Евсюкова, Я. В. Петров
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ УТИЛИЗАЦИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ПОКРЫШЕК 1
Проблема утилизации и переработки изношенных шин имеет существенное экологическое и экономическое значение. Исследование данной проблемы позволило разработать эффективный электромагнитный способ утилизации автомобильных шин, в основе которого лежит применение ёмкостных накопителей и индукторов.
шина, металлокорд, индуктор, импульс, хрупкое разрушение, низкие температуры.
Введение
Динамичный рост парка автомобилей во всех развитых странах приводит к постоянному накоплению изношенных автомобильных шин. По данным Европейской ассоциации по вторичной переработке шин (ЕТРА), в 2000 году общий вес изношенных, но непереработанных шин достиг в Европе 2,5 млн. тонн; в США - 2,8 млн. тонн; в Японии - 1,0 млн. тонн; в России - 1,0 млн. тонн [4].
В Москве ежегодно образуется более 80 тыс. тонн изношенных шин, в Петербурге и Ленинградской области - более 50 тыс. тонн.
Объем их переработки методом измельчения не превышает 10%. Большая часть собираемых шин (20%) используется как топливо.
Утилизация непрерывно накапливаемых автомобильных, сельскохозяйственных и других видов шин - острая экологическая проблема в большинстве стран. Эти изделия не подвергаются естественному разложению, при сжигании они выделяют ядовитые сернистые соединения, складирование их создает дополнительные трудности:
• большие территории используются под свалки;
• на свалках возникают гнездовые места для грызунов и вредных насекомых - возбудителей и переносчиков опасных заболеваний;
• свалки старых шин являются пожароопасными областями;
• невозможность использования ценного материала, содержащегося в изношенных шинах, для производства новых товаров: в 1 тонне шин содержится около 700 килограммов резины, которая может быть повторно использована для производства топлива, резинотехнических изделий и материалов строительного назначения.
1 Работа выполнена при поддержке Петербургским государственным университетом путей сообщения инициативных научных работ, выполняемых студенческими научными коллективами в 2010 г.
2010/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
159
1 Обоснование и принцип действия
Для переработки покрышек применяются различные технологические процессы - сжигание, термический и каталитический крекинг и пиролиз, регенерация и разложение резины под воздействием кислорода, водорода и других химических реагентов, деполяризация, измельчение и другие.
Отличительной особенностью этих технологических процессов переработки является то, что они происходят при высокой температуре, требуют значительных энергозатрат, а это приводит к существенному удорожанию получаемых продуктов и создает неблагоприятный экологический фон.
Криогенная технология измельчения покрышек основывается на одновременном использовании физических явлений, способствующих более эффективному протеканию процесса ослабления связей между металлическим кордом и резиной за счет различия их коэффициентов термического расширения, в результате чего происходит растрескивание и частичное отделение резины от металла.
К достоинствам криогенной технологии переработки отходов относятся:
высокая степень разделения отходов на компоненты;
снижение энергозатрат на дробление;
возможность получения высококачественных материалов;
улучшение условий пожаробезопасности;
улучшение условий труда и др.
Использование для разрушения охлажденных автомобильных шин ударных механических средств, а именно молотов и мельниц, обусловливает невысокую скорость и эффективность электромагнитной утилизации автомобильных покрышек и шумность.
Чтобы решить указанные проблемы, авторами было предложено заменить механический (контактный) способ деструкции шин с металлическим металлокордом на электромагнитный (бесконтактный). Для этого вместо молотов и мельниц используются ёмкостные накопители (батареи импульсных конденсаторов) и индукторы (импульсные катушки).
2 Оценка возможности использования импульсов магнитного поля для разрушения автомобильных шин
Строение автомобильной шины представлено на рис. 1. Каркас - важнейшая силовая часть шины, обеспечивающая ее прочность, воспринимающая внутреннее давление воздуха и передающая нагрузки от внешних сил, действующих со стороны дороги, на колесо. Каркас состоит из одного или нескольких наложенных друг на друга слоев обрезиненного корда. Брекер - часть шины, состоящая из слоев корда и расположенная между каркасом и протектором шины. Он служит для улучшения связей каркаса с
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/4
160
Общетехнические задачи и пути их решения
протектором, предотвращает его отслоение под действием внешних и центробежных сил, амортизирует ударные нагрузки и повышает сопротивление каркаса механическим повреждениям. Борт - жесткая часть шины, служащая для ее крепления и герметизации (в случае бескамерной) на ободе колеса. Борт состоит из слоя корда, завернутого вокруг проволочного кольца, и круглого или профилированного резинового наполнительного шнура. Стальное кольцо придает борту необходимую жесткость и прочность, а наполнительный шнур - монолитность и эластичный переход от жесткого кольца к резине боковины.
Рис. 1. Составные части шины
Одним из элементов конструкции автомобильных шин является ме-таллокорд, состоящий из тонких тросиков, свитых из стальной проволоки. Это дает основание применить для утилизации шин силовое воздействие магнитного поля. Вихревые токи, индуцированные в слоях металлокорда внешним магнитным полем, взаимодействуя с ним, приводят к появлению пондеромоторных сил.
В данном способе сила деструкции возникает в результате взаимодействия вихревых токов, индуцированных в металлических частях автомобильной шины - тросиках металлокорда, который расположен в брекере шины и бортовых кольцах, с импульсным магнитным полем. Это поле создается индуктором - импульсной катушкой, когда на нее разряжается ёмкостный накопитель. Чтобы удостовериться в действенности предложенного способа, вначале были проведены расчетные исследования.
Деструктивные силы, действующие на металлические части, а значит и на соседние области резиновой шины, могут быть определены в соответствии с выражением:
f = j ■ B,
где j - вектор плотности тока в области металлической части;
B - вектор магнитной индукции в этой же области.
Кроме этого, следует иметь в виду особенности поведения резины шины в области низких температур. При понижении температуры до минус 100 °С
2010/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
161
материал теряет свои упругие свойства и переходит в область хрупкого разрушения с пределом прочности порядка охр ~ 7 10 Н/м . Хрупкая прочность зависит от направления ориентации волокон. Будучи прочным в направлении ориентации, материал хрупок и непрочен в направлении, перпендикулярном к направлению ориентации. При таком механическом нагружении резина рассыпается на мельчайшие частицы.
Простейшая конструктивная схема таких установок представляет собой источник питания (в импульсных установках - ёмкостный накопитель), соединенный с индуктором. В качестве индуктора используются различного вида катушки (спиральные, цилиндрические), в том числе одновитковые. Использование одновиткового соленоида в рассматриваемом случае может быть более предпочтительным в силу его относительно малой индуктивности и простоты изготовления. Как показывает практика использования таких индукторов, допустима составная конструкция из двух частей, а также использование магнитопровода для улучшения связи между индуктором и обрабатываемой деталью.
Ориентируясь на габаритные размеры шин и форму реальных индукторов в установках индукционного нагрева, попробуем использовать в качестве индуктора виток с прямоугольной формой сечения с внутренним радиусом 190 мм, толщиной 50 мм и длиной в осевом направлении 200 мм (ориентировочно полагаем зазор между шиной и индуктором примерно 100 мм). Сам индуктор для соблюдения достаточной прочности предполагается выполнить из бронзы.
В качестве ёмкостного накопителя энергии рассмотрим стандартный импульсный конденсатор с большим зарядным напряжением ИК-60-2,3 [1], рассчитанным на амплитуду импульса тока до 200 кА (зарядное напряжение U0 = 60 кВ, ёмкость С = 2,3 мкФ, собственная индуктивность L = 60 нГн).
3 Оценка параметров эквивалентной электрической схемы
В первом приближении заменим шину цилиндрической трубкой, расположенной соосно с индуктором. Учитывая довольно частое расположение нитей в металлокорде, заменим его тонкими стальными цилиндрами: два цилиндра толщиной 1 мм, расположенных на расстоянии 1 мм друг от друга. Оценим индуктивность и активное сопротивление индуктора в зависимости от частоты в рамках решения полевой задачи. Результаты представлены на рис. 2.
Предельные значения для индуктивности могут быть оценены по упрощенным формулам [2].
На постоянном токе:
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/4
162
Общетехнические задачи и пути их решения
L = ц ,>R
(
ln
V
8Rl
l+b
0,387 • 10-6 Гн,
где Rcp - средний радиус (215 мм);
l - длина в осевом направлении (200 мм); b - толщина (50 мм).
На переменном токе в области высоких частот:
L=м
'inJRi - 2'
V
g
J
0,33 •lO-6 Гн,
где g - среднее геометрическое расстояние периметра поперечного сечения провода от самого себя.
Среднее геометрическое расстояние периметра поперечного сечения провода от самого себя определяется из выражения [2]:
(b +1 )2 ln g = b2ln b +12 ln l + bl ln (b2 +12) +1(b +1)arctg j +
+b ( b +1) arctg i - 3 ( b +1 )2,
где l - длина в осевом направлении (200 мм); b - толщина (50 мм).
Рис. 2. Эквивалентные параметры индуктора без учета влияния стальных цилиндров, имитирующих металлокорд
Активное сопротивление соленоида на постоянном токе может быть оценено, если предположить, что проводник состоит из тонких проводящих слоев, разделенных бесконечно тонкими изолирующими прослойка-
2010/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
163
ми, вследствие чего токи протекают по окружностям. В результате интегрирования по объему витка получено:
R = -2п^ = 0,91 -10-5 Ом, l ln R
R,
где р = 6,8-10 Ом м _ удельное сопротивление бронзы;
R, и Ri - соответственно внутренний и внешний радиусы витка, м.
Приведенные оценки довольно точно совпадают с результатами полевой задачи, что свидетельствует о хорошей точности расчета. Учет наличия внутри индуктора тонких соосных проводящих цилиндров мало влияет на индуктивность, но приводит к некоторому увеличению эквивалентного сопротивления (рис. 3).
Ориентируясь на полученные результаты в области высоких частот, в качестве эквивалентных параметров индуктора можно взять R = 0,5 Ом и L = 0,315-10_6 Гн (значение индуктивности учитывает собственную индуктивность конденсатора).
Рис. 3. Влияние внутренних цилиндров на активное сопротивление индуктора: сплошная линия _ с учетом влияния металлокорда; прерывистая линия _ без учета влияния металлокорда
Принимая во внимание малую величину активного падения напряжения в широком диапазоне частот, следует ожидать влияние колебательного разряда конденсатора на активно-индуктивную нагрузку. Полный ток во внешней цепи описывается выражением [3]:
i (t ) = Ime--t sin Ш,
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/4
164
Общетехнические задачи и пути их решения
где Im = UyL($ = 0,165 • 106 A - амплитуда тока;
8 = у2l = 0,16 • 106 уС - коэффициент затухания свободной составляющей;
ш = — 82 ) =1,16 • 106 - угловая частота вынужденных коле-
баний контура;
шг
= 1
( )0,5 = 1,175 -106 1 - угловая частота собственных коле-
(LC) С
баний контура.
Импульс тока показан на рис. 4.
I, А
1,0Е+05
5.0Е+04
0,0Е+00
-5,0Е+04
-1,0Е+05
0 2 0 \ 4 0 / 6, 0 8, o\ 1( >,0 t,
Рис. 4. Расчетный токовый импульс
4 Оценка механических напряжений в шине
Использование импульса тока рассчитанной формы в рамках модели нестационарного магнитного поля позволяет оценить величину вихревых токов и магнитной индукции, имеющих место вблизи поверхности стального цилиндра, что в свою очередь позволяет найти поверхностную силу, действующую на резину шины. Временное изменение силы в области наибольших значений вихревых токов и индукции магнитного поля (вблизи центральной части индуктора) показано на рис. 5.
Аппроксимация силы определяется выражением:
f (t) = Ae—e 1 sin at,
где А = 1,914-106 Н/м2; в = 0,14-106 1/с; а = 0,2-106 1/с.
2010/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
165
Рис. 5. Изменение во времени поверхностной силы: сплошная линия - рассчитанное воздействие; пунктиром показана аппроксимация силы
Полученная аппроксимация может быть использована в качестве силового воздействия при оценке механических нагрузок. Такое исследование было проведено в рамках статической модели нагружения.
Максимальные напряжения (атах = 1,35-10 Н/м ) в шесть раз меньше предела хрупкости. В связи с этим, ориентируясь на габаритные размеры шин и форму реальных индукторов в установках индукционного нагрева, в качестве индуктора предполагается использовать катушку, состоящую из четырех концентрических витков, с радиусом по среднему витку, равным 195 мм.
Ток, протекающий в катушке, описывается следующим образом:
где I0 - базисный ток,
iо=и„/ 4Lc,
где U0 - зарядное напряжение конденсаторной батареи;
L - результирующая индуктивность разрядной цепи;
Т0 - базисное время разряда,
То =—=-TLc,
R
где R - результирующее активное сопротивление разрядной цепи.
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/4
166
Общетехнические задачи и пути их решения
Учитывая довольно частое расположение тросиков в металлокорде, заменим его тонким стальным цилиндром, толщина стенки которого равна 1 мм.
Расчеты проводились в плоскопараллельной постановке с помощью программы ELCUT.
На рис. 6 приведена расчетная схема. Здесь 1 - импульсная катушка, 2 -металлокорд брекера, 3 - бортовое кольцо.
Удельные силы (механические напряжения) определялись в области бортового кольца и в угловой точке поперечного сечения боковой стенки цилиндра, имитирующего слой металлокорда. Расчеты проводились для импульсов тока различной амплитуды и длительности. Результаты расчетов для бортового кольца приведены на рис. 7, для металлокорда - на рис. 8.
Рис. 6. Расчетная схема
Рис. 7. Удельная деструктивная сила в области бортового кольца
2010/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
167
Gz, Н/м1
7,0Е+07 б,5Е+07 б,0Е+07 5,5Е+07 5,0Е+07 4,5Е+07 4,0Е+07 3,5Е+07 3,0Е+07 2,5Е+07 2,0Е+07 1,5Е+07 1,0Е+07 5,0Е+0б ОДЕ+00 -5ДЕ+06
V
//
II \ V
\ \
N 1 V '
— N U .
О
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
44)
10 мкс, 10 кЛ 10 мкс, 50 кА
50 мкс, 10 кА 50 мкс, 50 кА
Рис. 8. Удельная деструктивная сила в угловой области металлокорда
Заключение
Анализ полученных зависимостей подтвердил реализуемость данного способа деструкции при индукторе, состоящем из четырех концентрических витков. Так в области бортового канала разрушение достигается при t = 10 мкс, I = 50 кА, 0,3 < t/To < 1,2, а в угловой области металлокорда при t = 10 мкс, I = 50 кА, t/T0 ~ 0,6.
Для проверки полученных расчетных результатов были проведены экспериментальные исследования в лаборатории ТВН Санкт-
Петербургского государственного политехнического университета. Использовался генератор импульсных токов (ГИТ) со следующими параметрами: C = 4500 мкФ, W = 56 кДж, изаряд = 5 кВ. Была изготовлена импульсная катушка, которая имела четыре концентрических витка, с радиусом по среднему витку, равным 195 мм (рис. 9).
На рис. 10 показан макет деструкционного блока, состоящего из двух опорных плит, импульсной катушки и шины. Вся конструкция стягивалась четырьмя шпильками и помещалась в картонный ящик, стенки которого были проложены полиэтиленовой пленкой. Охлаждение производилось жидким азотом.
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/4
168
Общетехнические задачи и пути их решения
Рис. 9. Импульсная катушка
Рис. 10. Деструкционный блок в сборе
При разряде ГИТа на деструкционный блок импульсом с параметрами, равными расчетным значениям, происходило разрушение шины.
Библиографический список
1. Силовые электрические конденсаторы / Г. С. Кучинский, И. И. Назаров. - М. : Энергоатомиздат, 1992. - 182 с.
2. Расчет индуктивностей / П. Л. Калантаров, Л. А. Цейтлин. - Л. : Энергия, 1970. -
262 с.
3. Теоретические основы электротехники / А. Е. Каплянский, А. П. Лысенко, Л. С. Полотовский. - М. : Высшая школа, 1972. - 472 с.
4. The recycling of tires / R. Lyons // Tires&Accessories. UK. - 2000. - №3. - P. 11-12.
Статья поступила в редакцию 08.06.2010;
представлена к публикации членом редколлегии Л. Б. Сватовской.
УДК 656.001.33
И. П. Киселёв
РАЗВИТИЕ КЛАССИФИКАЦИЙ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ В СССР И РОССИИ. СПЕЦИФИКА КОЛЕЙНОГО (НАПРАВЛЯЕМОГО) ТРАНСПОРТА
В соответствии с общей тенденцией развития классификаций видов транспорта, транспортных систем и машин автором составлена классификация колейных (направляемых) транспортных систем, перспективы развития которых особенно актуальны в условиях усугубляющихся проблем безопасности на транспорте, экологии и энергосбережения.
2010/4
Proceedings of Petersburg Transport University
