新型廢舊輪胎渣磁選機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用

張 建，孫鴻基，邢書明，董小平

（1.馬鋼集團(tuán)南山礦業(yè)公司高村鐵礦，安徽馬鞍山 243000；2.北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044；3.河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北保定 071002；）

0 引言

輪胎是汽車消耗件，更換周期為3～4 萬千米。據(jù)統(tǒng)計，2017 年我國汽車保有量達(dá)20 816 萬輛，廢舊輪胎產(chǎn)生超過3 億條，約一千萬噸[1]。輪胎主要由高分子有機(jī)材料制成，如果對廢舊輪胎放置不管，會滋生細(xì)菌，影響人們健康，嚴(yán)重的還會引發(fā)火災(zāi)[2]。回收后的輪胎可以作為建筑材料和燃料，廢舊輪胎粉還能作為吸附劑回收溢油[3]。因此，完善廢舊輪胎的回收與再利用工作，是當(dāng)前資源利用和環(huán)保所共同面臨的一大難題。

目前國內(nèi)外對廢舊輪胎鋼絲和橡膠回收已經(jīng)有了一些方案，有的是利用機(jī)械耙爪往復(fù)運(yùn)動將鋼絲拉扯出來[4]，有的是將廢舊輪胎經(jīng)過碾壓破碎處理后，利用拍打棒的拍打?qū)摻z抽出[5]，有的使用高壓水柱噴除鋼絲外面的橡膠來達(dá)到提取鋼絲的目的[6]，但這些方法效率都很低。有些效率較高的方法，如直接通過壓輥擠壓出鋼絲的方法[7]，但目前工廠大多數(shù)都已經(jīng)配備了輪胎粉碎裝置，更換設(shè)備成本很高，這種方法不適用于對粉碎后輪胎的處理。也有些針對粉碎后輪胎處理的方案，如永磁體對金屬毛絲進(jìn)行吸附，然后撤回到回收點(diǎn)，由機(jī)械裝置刮下。再如，使廢渣通過利用電磁體制作的磁選分離器進(jìn)行分離[8]。但這些方案效率低下或分離的純度不高。

為提高輪胎廢渣中鋼絲的回收效率，參考礦用立式磁選機(jī)設(shè)計一款新型廢舊輪胎渣磁選機(jī)，并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化和有限元分析。

1 新型廢舊輪胎渣磁選機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 磁選機(jī)結(jié)構(gòu)

新型廢舊輪胎渣磁選機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括進(jìn)料口、筒、主軸、揚(yáng)渣盤、電機(jī)、機(jī)架、傳送裝置等。其三維結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

磁選機(jī)外形尺寸：總高2620 mm，筒內(nèi)壁直徑1040 mm，可處理廢渣直徑≤50 mm，處理能力1.5 t，磁場強(qiáng)度1～2 T，總勵磁功率624 W。

筒中心主軸由電機(jī)帶動，軸上等距分布2 個揚(yáng)渣盤，用于將進(jìn)料口來的物料打或甩到筒壁上。主軸外形如圖2 所示，功率4 kW，轉(zhuǎn)速136 r/min。主軸Ⅰ～Ⅵ段直徑依次為45 mm，50 mm，55 mm，60 mm，65 mm，70 mm，65 mm，其余對稱分布。主軸總長1000 mm，各段長度：IⅠ=84 mm，IⅡ=IⅫ=59.25 mm，IⅣ=IⅩ=19.5 mm，IⅤ=IⅨ=60 mm，IⅥ=IⅧ=7 mm，軸段Ⅲ、軸段Ⅶ和軸段Ⅺ長度相等。軸的材料選用Q235A。

圖2 主軸形狀

筒體兩側(cè)焊接有法蘭，用于連接通透的底蓋，上底蓋與進(jìn)料口螺紋連接，下底蓋與機(jī)架螺紋連接。筒外壁均布12 組電磁組，每組4 個，采用電工純鐵作為鐵芯，國標(biāo)紫銅線繞1000 匝，額定電壓直流24 V，額定功率13 W。最下方有雙向傳送帶，分別傳送分離下來的橡膠和鋼絲至兩端的回收箱，傳送帶右端設(shè)有二次篩選裝置，原理是使用永磁體滾筒，吸附鋼絲多走一段行程從而對處理過的物料進(jìn)行二次提純。

新型電磁分離鋼絲裝置特點(diǎn)：①采用立式結(jié)構(gòu)，節(jié)省地面空間，可多臺機(jī)器同時共用一個傳送裝置，大大提高了分選效率；②采用電磁鐵，磁性強(qiáng)且可控，彌補(bǔ)了永磁體磁性不足導(dǎo)致漏選以及永磁體緩慢消磁帶來的材料損耗與更換的麻煩；③開式磁系360°大包角均布，極大程度地避免漏選，傳送帶上設(shè)置二次篩選裝置，提升分選的純度。

1.2 工作原理

（1）經(jīng)過預(yù)先切割的原料由送料口送入裝置。

（2）電機(jī)啟動帶動軸轉(zhuǎn)動，軸帶著2 個等距的揚(yáng)渣盤轉(zhuǎn)動，電磁體通電上磁。

（3）原料進(jìn)入筒體后被揚(yáng)渣盤打或甩到筒壁上，其中的鋼絲在電磁力作用下被吸附到桶的內(nèi)壁上，沒有磁性的其他成分如橡膠則在重力作用下落至傳送帶上。

（4）傳送帶將初步選出的橡膠運(yùn)往永磁滾筒端，通過永磁滾筒進(jìn)行二次篩選，在磁力的作用下，鋼絲比橡膠多運(yùn)動一段行程后落入鋼絲回收箱

（5）待一批物料的橡膠全部回收完后，電磁鐵斷電消磁，鋼絲在重力作用下落至傳送帶，傳送帶反向運(yùn)行，將鋼絲送至另一端的鋼絲回收箱。

（6）重復(fù)以上工序。裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，可以多個裝置同一工序同步進(jìn)行，并可使用同一傳送機(jī)構(gòu)以提高效率。

2 二次篩選原理

主機(jī)進(jìn)行初次篩選，篩選效率可達(dá)90%以上，但仍有鋼絲漏選，因此傳送機(jī)構(gòu)設(shè)有二次篩選裝置。工作原理見圖3。三角形代表橡膠，圓形代表鋼絲，滾筒帶有磁性。當(dāng)物料經(jīng)過滾筒時，橡膠直接落入橡膠收集區(qū)，鋼絲在滾筒磁性的作用下被吸在傳送帶上繼續(xù)傳送一段距離。當(dāng)繞至滾筒下方一段距離后，因為距離變遠(yuǎn)，磁力減小，滾筒不再能吸住鋼絲，鋼絲便會落下，而此時落下的區(qū)域是另一塊區(qū)域。由此可以對橡膠和鋼絲的混合物進(jìn)行二次篩選。

圖3 二次篩選原理

3 主軸校核與優(yōu)化方案

3.1 彎矩計算校核

以該種工況作為彎矩的校核條件：在2 個揚(yáng)渣盤同一條邊上方都堆滿了物料，物料中有90%的橡膠和10%的鋼絲，橡膠密度1500 kg/m3，鋼絲密度7800 kg/m3，混合后密度ρ=2130 kg/m3，堆疊體積V=0.06 m3。根據(jù)質(zhì)量計算公式：m=ρV，可求得單個盤上堆疊的物料總質(zhì)量m=130 kg，其重力約為1300 N。假設(shè)重量集中到一點(diǎn)并且摩擦很大，單個盤上物料重心與軸的距離r=0.2 m，根據(jù)向心力計算公式：，可求得單個盤上堆疊的物料引起的離心力F=Fn=5268 N，不超出軸承的基本額定動載荷，也不超出Q235A 的許用彎曲應(yīng)力，故通過彎矩計算校核。

3.2 優(yōu)化與有限元校核

該裝置軸在正常工作中只受扭矩作用而不受彎矩，根據(jù)材料力學(xué)可知其應(yīng)力主要集中分布于軸表面，為了節(jié)省材料，可將軸做成空心軸，β=0.5，即內(nèi)外徑之比為0.5。使用Solid－Works simulation 對改進(jìn)前后的軸分別進(jìn)行有限元分析與校核，根據(jù)工況，施加的載荷約束條件為作用于軸端鍵槽側(cè)面的大小為11 129 N 的主動推力和揚(yáng)渣盤重量引起的524 N 的壓力以及軸自身重力，約束為2 個揚(yáng)渣盤鍵槽側(cè)面的剛度為119 850 N/m 的彈性支撐和軸承處對軸的軸承支撐。有限元應(yīng)力分析結(jié)果顯示，改進(jìn)前最大應(yīng)力91.3617 MPa，改進(jìn)后最大應(yīng)力228.317 MPa，優(yōu)化后應(yīng)力雖有所增加但依然能滿足強(qiáng)度要求，而且改進(jìn)后應(yīng)力分布更加均勻。

4 結(jié)語

（1）新型廢舊輪胎渣磁選機(jī)運(yùn)行中，物料在主機(jī)內(nèi)進(jìn)行第一次磁選，在傳送帶橡膠回收端進(jìn)行第二次磁選。

（2）主軸最小軸徑45 mm，材料選用Q235A，設(shè)計成空心軸，β=0.5。

（3）可應(yīng)用于配備了輪胎粉碎機(jī)卻沒有磁選機(jī)的工廠的后續(xù)工作對接。

（4）可多臺主機(jī)同步在一條傳送帶上工作，提高空間利用率。