CC BY
12УДК 678.4,046.76
ЛЛ. ВЕЩЕВ, А.В. ПРОБОРОВ, Р. С ПЛОТНИКОВ
МЕТОД РАСЧЕТА ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ИЗНОШЕННЫХ МЕТАЛЛОКОРДНЫХ
ПОКРЫШЕК
(Ярославский государственный технический университет)
Предложен метод расчета процесса резаная изношенных металлокордных покрышек.
Повышение эффективности оборудования для переработки изношенных металлокордных покрышек неразрывно связано с тшретическими и экс-гтериментальными исследованиями. Одним из основных процессов переработки является процесс предварительного измельчения покрышек путем их разрезания на отдельные фрагменты. Данная работа посвящена исследованию энергосиловых. характеристик процесса резания резино-металлошрдных слоев изношенных покрышек ножами гил ьотинного типа,
В настоящее время в нашей стране и за рубежом выпускается огромное количество покрышек различных модификаций с металлокордом в каркасе и брекере, причем в зависимости от назначения покрышек слойность их метал локор дно го брекера, его размеры по ширине, тип металлокорда в брекере и каркасе могут быть самыми разными. Поэтому и эиергосиловые характеристики процесса измельчения разных покрышек будут разные. В связи с этим возникает необходимость разработки теоретических методов расчета этих характеристик, поскольку организация и проведение экспериментальных методов их определения требует больших затрат времени и труда, а ассортимент выпускаемых шин непрерывно обновляется [1].
Для разработки метода расчета усилия резания резинометаллокордных фрагментов изношенных покрышек необходимо четко представлять конструкцию покрышки и качественную картину деформирования разрезаемого материала. При этом следует иметь в виду, что наиболее трудным объектом для исследования является каркас но-брекерно-протекториый браслет, как часть покрышки с наиболее сложной конструкцией. В общем случае в состав Б ГШ входят наружный резиновый массив^ защитный (экранирующий) слой текстильного об-резиненного корда, несколько брекерных слоев обрезинениого металлокорда, слой каркаса из обрези-ненного металлокорда и внутренний резиновый слой (так называемый термослой). Боковины металлокордных покрышек обычно состоят из одного слоя обрезинениого металлокорда и резинового массива. Бортовые части грузовых покрышек
(вблизи бортовых колец) в общем случае содержат два слоя каркасного обрезинениого металлокорда (с учетом его заворота вокруг бортового кольца), резиновый наполнительный шнур5 бортовую ленту из обрезинениого металлокорда, наружный резиновый массив [2]. Из сказанного следует, что наиболее трудоемким для измельчения является БПБ, поскольку в нем содержание металлокорда наибольшее. Поэтому целесообразно для него в первую очередь разработать методику расчета процесса предварительного измельчения.
Визуальные наблюдения процесса резания образцов из БПБ, а также анализ диаграмм изменения усилия резания в зависимости от глубины погружения ножа позволяют представтъ следующую качественную картину процесса резания. При погружении лезвия ножа в образец последний начинает сжиматься, утончаясь в области резания и раздвигаясь боковыми гранями ножа. Нити кордных слоев последовательно прогибаются и при этом испытывают растягивающие усилия, которые нарастают гю мере внедрения ножа в образец, Величина прогиба нитей корда верхних слоев больше, чем нижних (по ходу ножа), а следовательно и усилия растяжения (при одинаковых физико-механических характеристиках корда) больше для верхних слоев и меньше для нижележащих. При последовательном достижении растягивающими усилиями предельных значений сначала прорезается верхний резиновый слой, затем первый по ходу ножа резинокордный слой, затем второй и т.д. до полного прорезания образца. Таким образом, разрушение кордных слоев обусловлено в первую очередь растягивающими силами в нитях корда, превышающими их предел прочности,
В пользу такой качественной картины свидетельствуют характерный для разрыва нитей чередующийся согласно числу слоев корда звук, отскок половинок образца от боковых поверхностей ножа после разрезания, а также часто чередующиеся по мере погружения ножа в образец пики и провалы на диаграмме "усилие резания - ход ножа", записанный прибором (рис. 1),
h, мм
Рис, L Вид диаграммы "Усилне резания - ход ножа".
Fig. I, Diagram "Cutting effort - knife stroke"
Согласно рассмотренной качественной картине разрезания резинокордного образца из БПБ общее усилие, которое испытывает нож по мере погружения в образец, обусловлено совместным сопротивлением резинового массива, нитей экранирующего слоя брекера, метаплокордных слоев брокера и нитей корда каркаса. При этом вклад !саждого слоя в общее усилие резания разное и оно зависит от расположения линии реза относительно меридионального и экваториального сечений БГТБ.
Например, при резании по меридиану (поперек БПБ) лезвие ножа разрезает резиновый массив, все нити экранирующего слоя, которые направлены вдоль экватора и нити металлокорда основных слоев брекера. При этом нити корда каркаса (теоретически) не попадают на линию реза, поскольку их направление совпадав! с направлением линии реза, Практически, если угол закроя каркасных слоев не равен нулю (обычно он не превышает 3°% то на линию реза может попасть всего лишь одна-две нити и это можно не учитывать при теоретических расчетах усилия резания.
При разрезании образца из БПБ вдоль экватора лезвие ножа также разрезает резиновый массив, все основные слои брекера и нити корда каркаса. При этом нити корда экранирующего слоя теоретически не попадают на линию реза, поскольку их направление совпадает с направлением линии реза. Эти особенности необходимо учитывать при создании теоретических методов расчета усилия резания БПБ,
Учесть в полном объеме влияние всех разрезаемых слоев на общее усилие резания достаточно сложно. Для этого нужно знать, например, удельные силы резания большого круга каркасных, брекерных и протекторных резин5 прочность связи различных резин с разными кордными нитями, зависимость прочности связи (усилия выдергивания нитей корда из резинового массива) от усилия сжатия резино кордного образца в зоне резания и некоторые другие факторы (например,
температуру и предысторию изношенном по-крышки и их влияние на усилие резания.
Поэтому при разработке теоретических методов расчета усилия резания резинокордных систем необходимо выделить главные факторы, влияющие на общее усилие резания.
Согласно рассмотренной выше качественной картине процесса разрезания фрагмента БПБ, его разрушение происходит последовательно от слоя к слою по мере возрастания в этих слоях растягивающих усилий до их предельных значений, Поэтому целесообразно сравнить прочностные характеристики материалов, образующих БПБ.
Так, при температуре 20°С для свежих наполненных резин на основе натурального каучука предел прочности составляет 30 ... 35 МПа; для резин на основе СК.И-3 - 26 35 МПа; для резин на основе СКС — 15,9 ... 17,8 МПа,
После старения в течение 48 часов (резины на основе ПК) или 72 часов (резины на основе СКИ-3 и СКС) при температуре 100°С эти показатели существенно снижаются [3]:
™ для резин на основе НК на 31 ... 54%;
- для резин на основе СКИ-3 на 31 ... 39%;
- для резин на основе СКС на 3 1 ... 42%. Условный предел прочности для материала
кордных нитей, определенный по формуле
4Ы
с
в
ltd
2
(1)
где Мразр - разрывное усилие кордной нити, МП; с!о — условный диаметр кордной нити, м, составляет:
- для металлокорда 4Л27 -1755,5 МПа;
- для металлокорда 22Л15 - 778,1 МПа;
- для металлокорда 29Л18 - 1524,3 МПа;
- для металлокорда 9Л15 - 1642,3 МПа;
- для текстильного корда 132А - 662,1 МПа,
Видно, что предел прочности резины в 20
_ 67 раз меньше условного предела прочности металла кордных нитей и в 19 _ 25 раз меньше условного предела прочности анидного корда 132А, Это дает основание полагать, что наибольший вклад в общее усилие резания БПБ вносят слои текстильного и металлического корда,
Составим, с улетом этого, расчетную схему процесса разрезания одного слоя корда БПБ клинообразным ножом, причем рез будем осуществлять вдоль меридиана, то есть поперек брекера. Рассмотрим участок малой ширины 1, Нить корда расположена под углом а к кромке ножа МЬ. Угол заточки ножа составляет величину
При внедрении клинообразного ножа в БПБ в процессе взаимодействия ножа и слоя обрезинен-ного металлокорда последний будет перегибаться
относительно кромки ножа МЬ> Введем допущение, что ширина слоя 1 при перегибе не изменяется (Исопз!;), Тогда нити корда рассматриваемого слоя, в том числе нить АВ, после перегиба на малом расстоянии от кромки ножа в предельном случае будут прилегать к боковым граням лезвия ножа (прямые СВ1 и СА')* Точки А, В займут положение А'? В\ соответственно. При этом угол перегиба нити у (угол между линиями СА' и СВ') будет наименьшим из возможных (равным углу заточки ножа ук в плоскости нити А'СВ'), а угол перегиба слоя (3 будет равен углу заточки ножа В этом предельном случае усилие сопротивления рассматриваемой кордной нити внедрению ножа в БГТБ будет наибольшим согласно уравнению равновесия системы "нож кордная нить":
Qui =2NJh - COS
1 2
(2)
где N и, - усилие растяжения одной нити корда слоя. Из геометрических построений (рис, 2) можно показать, что
cos— - sin a cos— ? 7
(3)
Г7.
А м
Рис. 2. Схема разрезания сдоя металле кордного брекера. Fig.2, Scheme of the process of cutting metal cord breaker.
Используя формулы (2) и (3), получим выражение для расчета усилия Q сопротивления всех нитей слоя внедрению ножа в БГТБ:
Q-2nNÍH * sin a* cos
(4)
где n — b • i ■ sin а - число нитей слоя корда, пересекающих линию реза, b - длина линии реза (ширина слоя брекера), i - плотность расположения нитей слоя (шт/ед, длины).
Если величина усилия натяжения кордных нитей М|Н достигает своего предельного значения (N|„ = Ni пред), то произойдет разрыв всех нитей и прорезанне данного слоя. Тогда усилие прореза-ния слоя определится из уравнения
Qp ™ 2Ь • i -М!пред - sin2 a - cos
i
(5)
Необходимо отметить, что N]ri может достигнуть своего предельного значения Ninp€yi раньше, чем нить коснется боковых граней ножа, то есть при фактическом значении угла [3 большем, чем (3,,. Фактическая величина угла перегиба слоя корда Р может находиться в пределах рн < Р < 180°. При этом, как видим из уравнения (5), при увеличении угла р усилие прорезания Qp будет уменьшаться и при р приближающемся к 180° будет приближаться к нулю. Максимальное усилие прорезания возникает при р=рй.
Полное максимальное усилие сопротивления всех слоев корда внедрению ножа будет равно
- Qr=25>kVN
lHk sm otéeos
(6)
кш\
где Ьь ¡к, Рь о* - соответственно, ширина
слоя, плотность нитей, усилие натяжения нити, угол наклона нити, угол перегиба для к-го слоя металлокорда, т - количество слоев корда.
Уравнение (6) удобно использовать, когда ширина слоев разная. Если все слои имеют одинаковую ширину Ь3 то уравнение (6) можно представить в более удобной для использования форме
рк
Qx = Яг " b = 2b > ik - NStik > sin ak • eos
k=l
2
(7)
или
m
q, =2^irNlHk-sin2ak-cos-b
(8)
где qz - суммарная удельная сила сопротивления многослойного материала.
Полученные уравнения справедливы для общего случая разрезания БГТБ под любым произвольным углом.
Проанализируем уравнение (8) применительно к различным слоям БПБ.
При резании БПБ по меридиану линию реза будут пересекать нити корда следующих слоев;
- экранирующих слоев БПБ, для которых
ак=90°;
- основных слоев металлокорда, для которых ак=±70°;
- каркасных слоев, для которых ак~0°. Для экранирующих слоев БПБ при резании
по меридиану имеем при ак=90°
qv = 2 ■ m -i, -1NL - cos
7
Для двух слоев брекера (ак=±70°) qs -3.532-L -N
hi6
cos
7
Для каркасных слоев (а^-О0) ак=0°, qz = 0 .
(Ю)
Нити корда каркаса не перерезаются, т.к. их направление совпадает с направлением линий реза. Следовательно, эти слои при резании по меридиану можно не учитывать.
Получим уравнение для расчета удельной силы резания вдоль БПБ,
В этом случае направление нитей экранирующих слоев совпадают с линией реза и теоретически они не перерезаются ножом.
Наоборот, нити корда каркаса направлены перпендикулярно линии реза и потому перерезаются.
При резании вдоль БПБ угол наклона нитей по отношению к режущей кромке ножа составит ак-90°-аМк> где - угол наклона нитей по отношению к меридиану,
Тогда из уравнения (6) получаем
т
qE = 2
i -N
cos" aMk • cos
k=l 2 Для двух слоев брекера (att=±70o)
(12)
q>: =0.468- i6 -N!li6 * cos
бз
(13)
Для точного решения уравнений (7) и (8) необходимо знать фактические значения натяжения кордных нитей в каждом слое в один и тот же момент времени, и углы перегиба этих слоев корда, определить которые достаточно трудно. Поэтому рекомендуется следующий подход для оценки максимально возможного усилия резания
(Че)
Нити корда слоев экрана, брекера и каркаса находятся вблизи друг от друга. За счет меж-слойного перекрещивания нити образуют жесткую структуру, оказывая взаимное влияние при резании БПБ. Поэтому вводим следующие допущения.
; что разрыв всех нитеи происходит одновременно. При этом натяжение кордных нитей в каждом слое достигает своего предельного значения (оно приводится в соответствующем стандарте на корд).
Полагаем^ что разные слои БПБ в момент резания имеют один и тот же средний угол перегаба
Используя экспериментальные значения Цькш , можно рассчитать значение угла рЦ, по формуле
г
ср
= 2arccos
Я
2л кеч
ш к=1
N
предк
sin2 a
(И)
Проделав эту процедуру для большого круга БПБ, можно установить наиболее вероятные значения этих углов.
Используем экспериментальные данные по разрезанию БПБ различных моделей покрышек для определения {Зср. Эксперименты проводились на двух типах резательных установок: ручном винтовом прессе, установке на базе разрывной машины ZD 10/90. Угол заточки ножа (3,? =40°, Результаты расчета сведены в таблицу.
Видим, что значения рср укладываются в небольшой диапазон 141,5° ... 166,6°. Это позволяет говорить о том, что Рф можно считать параметром уравнений (6), (7), (8) и в дальнейшем использовать его для прогнозирования усилий резания БПБ любых конструкций. Учитывая, что максимальное усилие резания получается при меньшем рср, а экспериментальный угол перегиба слоев для всех исследуемых покрышек превышает 140°, рекомендуется в расчетах покрышек с посадочным диаметром 13", 14м, 15м принимать угол перегиба равным 140°.
Значения средних углов перегиба слоев БНЕ различных покрышек. Values of mean bend angles for different tires BPB layers.
Таблица.,
Table.
Типоразмер и модель покрышки Удельная сила резания БПБ, кН/м Средний угол перегиба слоев БПБ, °
вдоль меридиана вдоль экватора вдоль меридиана вдоль экватора
ZD 10/90 пресс ZD 10/90 пресс ZDIÖ/9G пресс ZD 10/901 пресс
175/70R13, мод,MP 11 288,75 213,47 190,14 170,20 161,80 166,57 146,82 150,38
205/70R14, мод.ИД-220 548,50 502,19 254,72 216,25 148,30 151,03 158,50 1 161,80
195/65R15, мод.Я-456 525,44 483,07 270,28 202,90 141,50 144,70 146,37 j 154,90
ЛИТЕРАТУРА
1. Вешен A.A. Специальное оборудование заводов резиновой промышленности: Учеб, пособие / Яросл. гос. техн. ун-т. Ярославль. 1997. 114с.
2, Соколов ЗЖ н др. Переработка изношенных шт.
Кафедра технологических машин и оборудования
Тул. гос. ун-т. Тула, 1999. 134с.
3. Соколов Э.М. и др. Переработка изношенных шин с получением товарных продуктов // Высокие технологии в экологии; труды межд. и .-т. конф, 13-15 мая 1998, Воронеж. 199В. С 117-120.
