水射流技術(shù)回收子午線(xiàn)輪胎的正交試驗(yàn)

劉　萍　張　軻

安徽理工大學(xué),淮南,232001

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水射流技術(shù)回收子午線(xiàn)輪胎的正交試驗(yàn)

劉萍張軻

安徽理工大學(xué),淮南,232001

為了避免傳統(tǒng)方法粉碎廢舊輪胎時(shí)出現(xiàn)的易污染、能耗高、設(shè)備復(fù)雜等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種基于水射流技術(shù)回收廢舊子午線(xiàn)輪胎的實(shí)驗(yàn)裝置,并用正交表L25(53)安排實(shí)驗(yàn),對(duì)射流的驅(qū)動(dòng)壓力、靶距和移動(dòng)速度這三個(gè)因素各進(jìn)行了5個(gè)水平的考察。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,最精細(xì)膠粉的最優(yōu)射流工作參數(shù)為A3B3C3,影響膠粉顆粒度大小的主次因素如下:移動(dòng)速度的影響最大,其次是射流的驅(qū)動(dòng)壓力，影響最小的是靶距。

高壓水射流；子午線(xiàn)輪胎;回收;膠粉顆粒度;正交試驗(yàn)

0　引言

隨著汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展,子午線(xiàn)輪胎應(yīng)用越來(lái)越廣泛,而子午線(xiàn)輪胎長(zhǎng)期不能自行降解,是一種嚴(yán)重的“黑色污染”。廢舊子午線(xiàn)輪胎的回收成為了一個(gè)重要課題[1-4]。目前廢舊輪胎的處理方法主要有三類(lèi)[5]:整體利用(如翻新)、材料回收(如生產(chǎn)膠粉)和能源利用(如熱解)[6-7]。輪胎結(jié)構(gòu)的基本材料有橡膠、纖維和鋼絲[8],在回收廢舊輪胎時(shí),首先必須去除其中的鋼絲、簾布,然后通過(guò)機(jī)械、化學(xué)、冷凍粉碎等方法加工處理[9]。國(guó)內(nèi)外常用的回收廢舊子午線(xiàn)輪胎得到膠粉的方法有常溫機(jī)械粉碎法[10]、低溫破碎法[9]和炸藥爆炸法[11]等。常溫機(jī)械粉碎法所用設(shè)備占地面積大，所得膠粉顆粒較粗;低溫破碎法加工過(guò)程中制冷成本高,經(jīng)濟(jì)效益差;炸藥爆炸法需消耗大量的炸藥,且會(huì)排出有毒有害氣體，污染環(huán)境。

高壓水射流技術(shù)清潔、環(huán)保,它可用于對(duì)任何金屬材料或非金屬材料的切割、鉆孔、清洗、除銹以及煤巖破碎與掘進(jìn)[12-13]、噴射鉆進(jìn)等加工，是一項(xiàng)以“柔”克剛的冷加工技術(shù)[14]。本文采用高壓水射流技術(shù)回收廢舊子午線(xiàn)輪胎，無(wú)需對(duì)輪胎進(jìn)行初步拆解，利用經(jīng)高壓泵和增壓器加壓的高壓水射流沖擊輪胎胎冠和胎側(cè)面，將輪胎的橡膠層粉碎成較精細(xì)的橡膠粉。

本文采用正交試驗(yàn)法對(duì)影響橡膠粉顆粒度的3個(gè)水射流工作參數(shù)(射流驅(qū)動(dòng)壓力、靶距和噴頭移動(dòng)速度)各進(jìn)行了5個(gè)水平的考察，分析得出了最精細(xì)膠粉顆粒度的條件以及對(duì)其影響的最大因素，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)其有效性。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

廢舊輪胎粉碎裝置[15]如圖1所示,該裝置無(wú)需預(yù)先對(duì)廢舊輪胎進(jìn)行初步拆解,可方便地對(duì)整條輪胎進(jìn)行安裝、粉碎和拆卸。在合適的射流壓力工作范圍內(nèi)，水射流不會(huì)破壞廢舊輪胎上的鋼絲網(wǎng)，同時(shí)能將廢舊輪胎表面的橡膠層徹底粉碎成精細(xì)膠粉。該裝置采用一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)廢舊輪胎的夾持、回轉(zhuǎn)和各噴頭的移動(dòng)。水射流加工技術(shù)清潔環(huán)保，而且水可回收并進(jìn)一步循環(huán)利用。輪胎回收裝置效果如圖2所示。

(a)整體結(jié)構(gòu)圖

(b)輪胎夾持機(jī)構(gòu)1.頂蓋　2.方形導(dǎo)軌　3.上噴頭　4.上噴頭架　5.弧形滑桿　6.把手　7.連桿一　8.連桿二　9.曲柄　10.側(cè)軸一　11.側(cè)導(dǎo)軌　12.側(cè)噴頭架　13.側(cè)噴頭　14.圓柱凸輪　15.粉碎室　16.下噴頭　17.盤(pán)形凸輪　18.推桿　19.下噴頭架　20.滑動(dòng)槽　21.下料斗　22.機(jī)架　23.帶　24.從動(dòng)帶輪　25.電機(jī)　26.調(diào)速器　27.蝸輪蝸桿減速器　28.主軸　29.圓螺母　30.主動(dòng)帶輪　31.出口　32.側(cè)軸二　33.輪胎　34.夾持架　35.弧形凹槽　36.弧形導(dǎo)軌　37.伸縮桿　38.水平導(dǎo)向桿　39.絲桿　40.小錐齒輪　41.大錐齒輪　42.橡膠圈　43.軸套　44.電磁吸盤(pán)　45.鍵圖1　廢舊輪胎粉碎裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2實(shí)驗(yàn)方法

(a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

(b)外部結(jié)構(gòu)圖2　輪胎回收裝置

實(shí)驗(yàn)采用三相交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),實(shí)驗(yàn)中主機(jī)額定功率為22 kW,設(shè)備最高工作壓力為380 MPa,最大輸出流量為3.4 L/min。采用進(jìn)口寶石噴嘴,寶石噴嘴直徑為0.3 mm,出口噴嘴直徑為1.0 mm,所用輪胎為米其林Energy XM1系列,型號(hào)為195/65R15(91H)。由高壓純水射流所回收的橡膠粉使用DZF-6020型真空干燥箱烘干水分后,再加入無(wú)水乙醇作為分散介質(zhì),放置在CT-420 A、100 W型數(shù)控超聲波恒速電動(dòng)攪拌器中攪拌均勻,采用島津 SALD-7101型激光粒度分析儀檢測(cè)膠粉的顆粒度大小,圖3為高壓純水射流粉碎廢舊子午線(xiàn)輪胎的工作圖,粉碎輪胎表面橡膠層的區(qū)域面積為50 mm×40 mm=2000 mm2。圖4為實(shí)驗(yàn)后的輪胎局部圖，圖5所示為回收所得的橡膠粉，橡膠粉顆粒度的大小取決于高壓水射流的各工作參數(shù)。

圖3　高壓水射流粉碎輪胎工作圖

圖4　實(shí)驗(yàn)后的輪胎局部圖

圖5　回收所得的橡膠粉

采用正交表L25(53)安排實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)選取影響膠粉顆粒度的3個(gè)主要因素：射流驅(qū)動(dòng)壓力、靶距和噴頭移動(dòng)速度,對(duì)每個(gè)因素各進(jìn)行了5個(gè)水平的實(shí)驗(yàn),見(jiàn)表1。

表1　3個(gè)影響因素及相應(yīng)的水平

根據(jù)正交試驗(yàn)的相關(guān)原理,試驗(yàn)條件、試驗(yàn)次數(shù)和膠粉顆粒度大小見(jiàn)表2。

表2　正交試驗(yàn)方案

2　膠粉顆粒度的影響規(guī)律分析

從表3可以看出,最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件是A3B3C3,其中,A、B、C分別代表射流的驅(qū)動(dòng)壓力、靶距和噴頭的移動(dòng)速度,下標(biāo)的數(shù)字代表第幾水平;還可看出,因素C噴頭移動(dòng)速度對(duì)膠粉顆粒度的極差最大,即可知噴頭移動(dòng)速度對(duì)膠粉顆粒度的影響最大。該因素在取第三水平(1 m/min)時(shí)膠粉顆粒度最精細(xì)。其次是因素A射流的驅(qū)動(dòng)壓力,取第三水平(190 MPa)時(shí)膠粉顆粒度最精細(xì)。膠粉顆粒度影響最小的是因素B靶距，最優(yōu)靶距為B3(100 mm)。

表3　膠粉顆粒度的試驗(yàn)結(jié)果分析

注：Ti表示對(duì)應(yīng)影響因素為第i水平時(shí)所有膠粉顆粒度的總和。

2.1射流驅(qū)動(dòng)壓力對(duì)膠粉顆粒度的影響

為了更清楚地考察各因素對(duì)膠粉顆粒度的影響規(guī)律,將膠粉顆粒度的平均值(t1、t2、t3、t4、t5)隨各因素各水平的變換情況用圖6～圖8表示出來(lái)。從圖6可看出,當(dāng)壓力從110 MPa增大到190 MPa時(shí),射流壓力越大,膠粉越精細(xì)。當(dāng)壓力從190 MPa增大到270 MPa時(shí),膠粉顆粒度先升高再下降,變化幅度不大?？山忉屓缦?射流驅(qū)動(dòng)壓力從110 MPa增大到190 MPa時(shí),射流壓力越大,單位時(shí)間內(nèi)作用在橡膠上的能量就越大,沖擊力就越大,對(duì)橡膠粉的粉碎就越充分,所得膠粉越精細(xì)。但隨著射流壓力的增大,雖然射流沖擊能增大，但是水射流在橡膠面上沖擊區(qū)范圍內(nèi)存在水墊,壓力越大,流量也越大,水墊所增加的阻力也隨之增大,對(duì)橡膠粉的粉碎越不利,所以最佳射流驅(qū)動(dòng)壓力為190 MPa。

圖6　射流驅(qū)動(dòng)壓力對(duì)膠粉顆粒度的影響

圖7　靶距對(duì)膠粉顆粒度的影響

圖8　移動(dòng)速度對(duì)膠粉顆粒度的影響

另采用單因素試驗(yàn)法來(lái)驗(yàn)證,以下參數(shù)保持不變:移動(dòng)速度取最優(yōu)水平1 m/min,靶距取最優(yōu)水平100 mm,噴嘴直徑取1.0 mm,射流驅(qū)動(dòng)壓力分別取190 MPa、230 MPa、270 MPa時(shí),通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究膠粉顆粒度大小隨著射流驅(qū)動(dòng)壓力變化的規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4,射流驅(qū)動(dòng)壓力從190 MPa增大到270 MPa時(shí),膠粉顆粒度變化不大,和正交試驗(yàn)法的結(jié)論基本吻合。所以射流驅(qū)動(dòng)壓力為190 MPa時(shí),膠粉顆粒最精細(xì)。

表4　驅(qū)動(dòng)壓力對(duì)膠粉顆粒度影響的單因素表

2.2靶距對(duì)膠粉顆粒度的影響

從圖7可看出，當(dāng)靶距從20 mm增大到100 mm時(shí),隨著靶距的增大,膠粉的顆粒度越來(lái)越小。靶距為100 mm時(shí),膠粉顆粒最精細(xì)。靶距從100 mm增大到180 mm,膠粉顆粒度略有變化,原因如下:圓形射流有一定的擴(kuò)散角,隨著靶距的增大,會(huì)使射流對(duì)橡膠層的作用面積增大,單位區(qū)域內(nèi)橡膠被射流作用的次數(shù)就越多,從而有效減小膠粉顆粒度的大小。若靶距過(guò)大，射流擴(kuò)散程度增加,射流的沖擊動(dòng)能會(huì)減小，射流對(duì)輪胎表面橡膠層的沖擊力會(huì)減小。所以綜合考慮，最優(yōu)靶距為B3(100 mm)。

采用單因素試驗(yàn)法來(lái)驗(yàn)證，射流驅(qū)動(dòng)壓力取最優(yōu)水平190 MPa,噴頭移動(dòng)速度取最優(yōu)水平1 m/min,靶距分別取100 mm、120 mm、140 mm、160 mm、180 mm、200 mm,所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5,靶距從100 mm增大到200 mm時(shí)，膠粉顆粒度變化不大。實(shí)驗(yàn)結(jié)論基本與正交法的結(jié)論吻合,所以最優(yōu)靶距為100 mm。

表5　靶距對(duì)膠粉顆粒度影響的單因素表

2.3噴頭移動(dòng)速度對(duì)膠粉顆粒度的影響

從圖8可看出,噴頭移動(dòng)速度從0.2 m/min增大到1.0 m/min時(shí),膠粉顆粒度逐漸減?。划?dāng)移動(dòng)速度從1.0 m/min增大到1.4 m/min時(shí),膠粉顆粒度逐漸變大；當(dāng)噴頭移動(dòng)速度從1.4 m/min增大到1.8 m/min時(shí),膠粉顆粒度變化不大。取最優(yōu)噴頭移動(dòng)速度為C3(1 m/min)時(shí),膠粉顆粒最精細(xì)。原因如下:噴頭移動(dòng)速度越小,射流在輪胎橡膠層某一區(qū)域停留的時(shí)間就越長(zhǎng)，射流的粉碎威力就越大，但當(dāng)橫移速度過(guò)小時(shí)，噴射到輪胎表面的射流還未及時(shí)流出，高壓水射流在橡膠層粉碎區(qū)內(nèi)的水墊阻力就越大，對(duì)粉碎越不利，反而影響了膠粉顆粒度的精細(xì)情況，所以最優(yōu)橫移速度為C3(1 m/min)。

采用單因素實(shí)驗(yàn)法來(lái)驗(yàn)證，壓力取最優(yōu)水平190 MPa，靶距取最優(yōu)水平為100 mm，噴嘴直徑為1.0 mm時(shí)，噴頭移動(dòng)速度分別取0.2 m/min、0.6 m/min、1.0 m/min、1.4 m/min、1.8 m/min、2.2 m/min,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6,實(shí)驗(yàn)結(jié)果和正交試驗(yàn)法結(jié)果完全吻合,噴頭移動(dòng)速度為C3(1.0 m/min)時(shí),膠粉顆粒度最精細(xì)。

表6　噴頭移動(dòng)速度對(duì)膠粉顆粒度影響的單因素表

為得到最精細(xì)的橡膠粉,本實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)射流工作參數(shù)為A3B3C3,但由于該方案不在已做過(guò)的正交實(shí)驗(yàn)列表中,所以按此方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),結(jié)果顯示：采用該方案時(shí)膠粉的顆粒度為76.58 μm，比前文已做的任意一組實(shí)驗(yàn)的膠粉顆粒都精細(xì)，說(shuō)明該方案是最優(yōu)方案。

3　結(jié)果及討論

利用水射流技術(shù)粉碎廢舊子午線(xiàn)輪胎無(wú)需對(duì)輪胎進(jìn)行初步拆卸，操作簡(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保，所得產(chǎn)物是純凈的橡膠粉和鋼絲。實(shí)驗(yàn)證明:用正交試驗(yàn)法決定最優(yōu)射流工作參數(shù)是可行的，實(shí)驗(yàn)確定得到最精細(xì)膠粉的最優(yōu)射流工作參數(shù)如下：射流的驅(qū)動(dòng)壓力為190 MPa、靶距為100 mm、噴頭移動(dòng)速度為1.0 m/min，實(shí)驗(yàn)得到了影響膠粉顆粒度大小的主次因素。本次實(shí)驗(yàn)的不足在于僅對(duì)米其林Energy XM1系列輪胎進(jìn)行了分析，而水射流技術(shù)對(duì)其他類(lèi)型輪胎的影響機(jī)理還需進(jìn)一步的研究。

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(編輯陳勇)

Orthogonal Experiments on Recycling Radial Tires Using High Pressure Water Jet Techniques

Liu PingZhang Ke

Anhui University of Science &Technology,Huainan,Anhui,232001

Air pollution,high energy consuming,complex equipment,etc. occured when waste tires were pulverized with traditional methods.To solve these problems,an equipment of recycling waste radial tires was designed by the high pressure water jet.Moreover,this paper introduced some experiments of orthogonal array L25(53).The three factors including the jet’s driving pressure,target distance and movement velocity were investigated in 5 levels.The results of these experiments show that the optimal jet parameter is A3B3C3for obtaining the finest rubber powder.The factors affecting the rubber powder particle size were listed as follows:the movement velocity is the biggest effect factor while target distance is the smallest effect factor.

high-pressure water jet;radial tire;recycle;rubber particle size;orthogonal experiment

2014-09-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175139)

X705 DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.14.021

劉萍,女,1978年生。安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)楦邏核淞?、傳熱多相流分析等。發(fā)表論文10篇。張軻,男,1991年生。安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。