水射流技术回收子午线轮胎的正交试验

刘　萍　张　轲

安徽理工大学,淮南,232001



水射流技术回收子午线轮胎的正交试验

刘萍张轲

安徽理工大学,淮南,232001

为了避免传统方法粉碎废旧轮胎时出现的易污染、能耗高、设备复杂等问题,设计了一种基于水射流技术回收废旧子午线轮胎的实验装置,并用正交表L25(53)安排实验,对射流的驱动压力、靶距和移动速度这三个因素各进行了5个水平的考察。实验结果显示,最精细胶粉的最优射流工作参数为A3B3C3,影响胶粉颗粒度大小的主次因素如下:移动速度的影响最大,其次是射流的驱动压力，影响最小的是靶距。

高压水射流；子午线轮胎;回收;胶粉颗粒度;正交试验

0　引言

随着汽车工业的迅速发展,子午线轮胎应用越来越广泛,而子午线轮胎长期不能自行降解,是一种严重的“黑色污染”。废旧子午线轮胎的回收成为了一个重要课题[1-4]。目前废旧轮胎的处理方法主要有三类[5]:整体利用(如翻新)、材料回收(如生产胶粉)和能源利用(如热解)[6-7]。轮胎结构的基本材料有橡胶、纤维和钢丝[8],在回收废旧轮胎时,首先必须去除其中的钢丝、帘布,然后通过机械、化学、冷冻粉碎等方法加工处理[9]。国内外常用的回收废旧子午线轮胎得到胶粉的方法有常温机械粉碎法[10]、低温破碎法[9]和炸药爆炸法[11]等。常温机械粉碎法所用设备占地面积大，所得胶粉颗粒较粗;低温破碎法加工过程中制冷成本高,经济效益差;炸药爆炸法需消耗大量的炸药,且会排出有毒有害气体，污染环境。

高压水射流技术清洁、环保,它可用于对任何金属材料或非金属材料的切割、钻孔、清洗、除锈以及煤岩破碎与掘进[12-13]、喷射钻进等加工，是一项以“柔”克刚的冷加工技术[14]。本文采用高压水射流技术回收废旧子午线轮胎，无需对轮胎进行初步拆解，利用经高压泵和增压器加压的高压水射流冲击轮胎胎冠和胎侧面，将轮胎的橡胶层粉碎成较精细的橡胶粉。

本文采用正交试验法对影响橡胶粉颗粒度的3个水射流工作参数(射流驱动压力、靶距和喷头移动速度)各进行了5个水平的考察，分析得出了最精细胶粉颗粒度的条件以及对其影响的最大因素，并通过实验观测其有效性。

1　实验部分

1.1实验装置

废旧轮胎粉碎装置[15]如图1所示,该装置无需预先对废旧轮胎进行初步拆解,可方便地对整条轮胎进行安装、粉碎和拆卸。在合适的射流压力工作范围内，水射流不会破坏废旧轮胎上的钢丝网，同时能将废旧轮胎表面的橡胶层彻底粉碎成精细胶粉。该装置采用一个动力系统，可实现对废旧轮胎的夹持、回转和各喷头的移动。水射流加工技术清洁环保，而且水可回收并进一步循环利用。轮胎回收装置效果如图2所示。

(a)整体结构图

(b)轮胎夹持机构1.顶盖　2.方形导轨　3.上喷头　4.上喷头架　5.弧形滑杆　6.把手　7.连杆一　8.连杆二　9.曲柄　10.侧轴一　11.侧导轨　12.侧喷头架　13.侧喷头　14.圆柱凸轮　15.粉碎室　16.下喷头　17.盘形凸轮　18.推杆　19.下喷头架　20.滑动槽　21.下料斗　22.机架　23.带　24.从动带轮　25.电机　26.调速器　27.蜗轮蜗杆减速器　28.主轴　29.圆螺母　30.主动带轮　31.出口　32.侧轴二　33.轮胎　34.夹持架　35.弧形凹槽　36.弧形导轨　37.伸缩杆　38.水平导向杆　39.丝杆　40.小锥齿轮　41.大锥齿轮　42.橡胶圈　43.轴套　44.电磁吸盘　45.键图1　废旧轮胎粉碎装置结构示意图

1.2实验方法

(a)内部结构

(b)外部结构图2　轮胎回收装置

实验采用三相交流异步电动机驱动,实验中主机额定功率为22 kW,设备最高工作压力为380 MPa,最大输出流量为3.4 L/min。采用进口宝石喷嘴,宝石喷嘴直径为0.3 mm,出口喷嘴直径为1.0 mm,所用轮胎为米其林Energy XM1系列,型号为195/65R15(91H)。由高压纯水射流所回收的橡胶粉使用DZF-6020型真空干燥箱烘干水分后,再加入无水乙醇作为分散介质,放置在CT-420 A、100 W型数控超声波恒速电动搅拌器中搅拌均匀,采用岛津 SALD-7101型激光粒度分析仪检测胶粉的颗粒度大小,图3为高压纯水射流粉碎废旧子午线轮胎的工作图,粉碎轮胎表面橡胶层的区域面积为50 mm×40 mm=2000 mm2。图4为实验后的轮胎局部图，图5所示为回收所得的橡胶粉，橡胶粉颗粒度的大小取决于高压水射流的各工作参数。

图3　高压水射流粉碎轮胎工作图

图4　实验后的轮胎局部图

图5　回收所得的橡胶粉

采用正交表L25(53)安排实验,实验选取影响胶粉颗粒度的3个主要因素：射流驱动压力、靶距和喷头移动速度,对每个因素各进行了5个水平的实验,见表1。

表1　3个影响因素及相应的水平

根据正交试验的相关原理,试验条件、试验次数和胶粉颗粒度大小见表2。

表2　正交试验方案

2　胶粉颗粒度的影响规律分析

从表3可以看出,最优实验条件是A3B3C3,其中,A、B、C分别代表射流的驱动压力、靶距和喷头的移动速度,下标的数字代表第几水平;还可看出,因素C喷头移动速度对胶粉颗粒度的极差最大,即可知喷头移动速度对胶粉颗粒度的影响最大。该因素在取第三水平(1 m/min)时胶粉颗粒度最精细。其次是因素A射流的驱动压力,取第三水平(190 MPa)时胶粉颗粒度最精细。胶粉颗粒度影响最小的是因素B靶距，最优靶距为B3(100 mm)。

表3　胶粉颗粒度的试验结果分析

注：Ti表示对应影响因素为第i水平时所有胶粉颗粒度的总和。

2.1射流驱动压力对胶粉颗粒度的影响

为了更清楚地考察各因素对胶粉颗粒度的影响规律,将胶粉颗粒度的平均值(t1、t2、t3、t4、t5)随各因素各水平的变换情况用图6～图8表示出来。从图6可看出,当压力从110 MPa增大到190 MPa时,射流压力越大,胶粉越精细。当压力从190 MPa增大到270 MPa时,胶粉颗粒度先升高再下降,变化幅度不大。可解释如下:射流驱动压力从110 MPa增大到190 MPa时,射流压力越大,单位时间内作用在橡胶上的能量就越大,冲击力就越大,对橡胶粉的粉碎就越充分,所得胶粉越精细。但随着射流压力的增大,虽然射流冲击能增大，但是水射流在橡胶面上冲击区范围内存在水垫,压力越大,流量也越大,水垫所增加的阻力也随之增大,对橡胶粉的粉碎越不利,所以最佳射流驱动压力为190 MPa。

图6　射流驱动压力对胶粉颗粒度的影响

图7　靶距对胶粉颗粒度的影响

图8　移动速度对胶粉颗粒度的影响

另采用单因素试验法来验证,以下参数保持不变:移动速度取最优水平1 m/min,靶距取最优水平100 mm,喷嘴直径取1.0 mm,射流驱动压力分别取190 MPa、230 MPa、270 MPa时,通过实验研究胶粉颗粒度大小随着射流驱动压力变化的规律。试验结果见表4,射流驱动压力从190 MPa增大到270 MPa时,胶粉颗粒度变化不大,和正交试验法的结论基本吻合。所以射流驱动压力为190 MPa时,胶粉颗粒最精细。

表4　驱动压力对胶粉颗粒度影响的单因素表

2.2靶距对胶粉颗粒度的影响

从图7可看出，当靶距从20 mm增大到100 mm时,随着靶距的增大,胶粉的颗粒度越来越小。靶距为100 mm时,胶粉颗粒最精细。靶距从100 mm增大到180 mm,胶粉颗粒度略有变化,原因如下:圆形射流有一定的扩散角,随着靶距的增大,会使射流对橡胶层的作用面积增大,单位区域内橡胶被射流作用的次数就越多,从而有效减小胶粉颗粒度的大小。若靶距过大，射流扩散程度增加,射流的冲击动能会减小，射流对轮胎表面橡胶层的冲击力会减小。所以综合考虑，最优靶距为B3(100 mm)。

采用单因素试验法来验证，射流驱动压力取最优水平190 MPa,喷头移动速度取最优水平1 m/min,靶距分别取100 mm、120 mm、140 mm、160 mm、180 mm、200 mm,所得实验结果见表5,靶距从100 mm增大到200 mm时，胶粉颗粒度变化不大。实验结论基本与正交法的结论吻合,所以最优靶距为100 mm。

表5　靶距对胶粉颗粒度影响的单因素表

2.3喷头移动速度对胶粉颗粒度的影响

从图8可看出,喷头移动速度从0.2 m/min增大到1.0 m/min时,胶粉颗粒度逐渐减小；当移动速度从1.0 m/min增大到1.4 m/min时,胶粉颗粒度逐渐变大；当喷头移动速度从1.4 m/min增大到1.8 m/min时,胶粉颗粒度变化不大。取最优喷头移动速度为C3(1 m/min)时,胶粉颗粒最精细。原因如下:喷头移动速度越小,射流在轮胎橡胶层某一区域停留的时间就越长，射流的粉碎威力就越大，但当横移速度过小时，喷射到轮胎表面的射流还未及时流出，高压水射流在橡胶层粉碎区内的水垫阻力就越大，对粉碎越不利，反而影响了胶粉颗粒度的精细情况，所以最优横移速度为C3(1 m/min)。

采用单因素实验法来验证，压力取最优水平190 MPa，靶距取最优水平为100 mm，喷嘴直径为1.0 mm时，喷头移动速度分别取0.2 m/min、0.6 m/min、1.0 m/min、1.4 m/min、1.8 m/min、2.2 m/min,实验结果见表6,实验结果和正交试验法结果完全吻合,喷头移动速度为C3(1.0 m/min)时,胶粉颗粒度最精细。

表6　喷头移动速度对胶粉颗粒度影响的单因素表

为得到最精细的橡胶粉,本实验的最优射流工作参数为A3B3C3,但由于该方案不在已做过的正交实验列表中,所以按此方案进行了实验,结果显示：采用该方案时胶粉的颗粒度为76.58 μm，比前文已做的任意一组实验的胶粉颗粒都精细，说明该方案是最优方案。

3　结果及讨论

利用水射流技术粉碎废旧子午线轮胎无需对轮胎进行初步拆卸，操作简单、节能环保，所得产物是纯净的橡胶粉和钢丝。实验证明:用正交试验法决定最优射流工作参数是可行的，实验确定得到最精细胶粉的最优射流工作参数如下：射流的驱动压力为190 MPa、靶距为100 mm、喷头移动速度为1.0 m/min，实验得到了影响胶粉颗粒度大小的主次因素。本次实验的不足在于仅对米其林Energy XM1系列轮胎进行了分析，而水射流技术对其他类型轮胎的影响机理还需进一步的研究。

[1]五年后国内乘用车轮胎子午化率达100%[N].中国证券报,2010-10-12.

[2]岳现杰,许冠英.废旧轮胎回收利用现状及污染防治对策研究[J].工业安全与环保,2010,36(1):37-39.

Yue Xianjie,Xu Guangying.Research on the Recovery and Utilization Status of Scrap and Used Tyres and Its Pollution Control Countermeasures[J].Industrial Safety and Environmental,2010,36(1):37-39.

[3]Fukumori K,Matsushita M,Okamoto H.Recycling Technology of Tire Rubber[J].JSAE Review,2002,23(2):259-264.

[4]于清溪.世界废旧轮胎的回收与再利用(一)[J].世界橡胶工业,2010,37(2):50-54.

Yu Qingxi.Recycle and Reuse of Waste Tyre in the World(1)[J].World Rubber Industry,2010,37(2):50-54.

[5]宋守许,田光涛,余德桥.超高压水射流破碎子午线轮胎机理研究[J].机械工程学报,2014,50(12):36-43.

Song Shouxu,Tian Guangtao,Yu Deqiao.Fracture Mechanism of Radial Tyre Rubber under Ultra-high Pressure Water Jet Impact[J].Journal of Mechanical Engineering,2014,50(12):36-43.

[6]Sunthonpagasit N,Duffey M R.Scrap Tires to Crumb Rubber:Feasibility Analysis for Processing Facilities[J].Resources,Conservation and Recycling,2004,40(4):281-299.

[7]Ramos G, Alguacil F J ,López F A.The Recycling of End-of-life Tyres.Technological Review[J].Revista de Metalurgia,2010,47(3):273-284.

[8]石琴,陈无畏,谷叶水,等.基于非线性有限元理论的子午线轮胎侧偏特性研究[J].农业机械学报,2005,36(11):1-4.

Shi Qin,Chen Wuwei,Gu Yeshui,et al.Study on Side Deflection of Radial Tie by Nonlinear FE Theory[J].Journal of Agricultural Machinery,2005,36(11):1-4.

[9]程源.废旧轮胎低温粉碎和精细研磨新技术的开发[J].中国橡胶,2003,19(15):11-12.

Cheng Yuan.Ryogenic Grinding and Fine Grinding Exploitation of Waste Tires[J].China Rubber,2003,19(15):11-12.

[10]隋建波，向东，牟鹏，等.废旧轮胎橡胶的常温粉碎及性能研究[J].橡胶工业,2012,59(1):33-37.

Sui Jianbo,Xiang Dong,Mou Peng,et al.Pulverization of Waste Tire Rubber at Ambient Temperature and Its Characerization[J]. Rubber Industry,2012,59(1):33-37.

[11]周敬宣,陈进.爆炸法处理废旧轮胎制造橡胶粉末技术及关键机理研究[J].环境工程,2003，21(3)：51-54.

Zhou Jingxuan,Chen Jin.Study of the Application of Explosive Method to Disintegrating Used Tires into Granulas and Some of Its Key Mechanisms[J]. Environmental Engineering, 2003，21(3)：51-54.

[12]王晓川，卢义玉，康勇，等.磨料水射流切割煤岩体实验研究[J].中国矿业大学学报，2011,40(2):246-251.

Wang Xiaochuan,Lu Yiyu,Kang Yong,et al.Experimental Study of Abrasive Waterjet Cutting Coal-roal Mass[J].Journal of China University of Mining & Technology,2011,40(2):246-251.

[13]李根生，廖华林，黄中伟，等．超高压水射流作用下岩石损伤破碎机理[J].机械工程学报，2009，4(10)：274-293.

Li Gensheng,Liao Hualin,Huang Zhongwei.Rock Damage Mechanisms under Ultra-high Pressure Water Jet Impact[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2009,54(10): 284-293.

[14]李晓红，卢义玉，向文英，等.水射流理论及在矿业工程中的应用[M]. 重庆:重庆大学出版社，2007.

[15]刘萍,陈少彬,张东速,等.水射流回收废旧子午线轮胎的粉碎机:中国,201210080974.6[P].2012-07-18.

(编辑陈勇)

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

国家自然科学基金资助项目(51175139)

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

刘萍,女,1978年生。安徽理工大学机械工程学院副教授。主要研究方向为高压水射流、传热多相流分析等。发表论文10篇。张轲,男,1991年生。安徽理工大学机械工程学院硕士研究生。