张 建，孙鸿基，邢书明，董小平

（1.马钢集团南山矿业公司高村铁矿，安徽马鞍山 243000；2.北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044；3.河北大学质量技术监督学院，河北保定 071002；）

0 引言

轮胎是汽车消耗件，更换周期为3～4 万千米。据统计，2017 年我国汽车保有量达20 816 万辆，废旧轮胎产生超过3 亿条，约一千万吨[1]。轮胎主要由高分子有机材料制成，如果对废旧轮胎放置不管，会滋生细菌，影响人们健康，严重的还会引发火灾[2]。回收后的轮胎可以作为建筑材料和燃料，废旧轮胎粉还能作为吸附剂回收溢油[3]。因此，完善废旧轮胎的回收与再利用工作，是当前资源利用和环保所共同面临的一大难题。

目前国内外对废旧轮胎钢丝和橡胶回收已经有了一些方案，有的是利用机械耙爪往复运动将钢丝拉扯出来[4]，有的是将废旧轮胎经过碾压破碎处理后，利用拍打棒的拍打将钢丝抽出[5]，有的使用高压水柱喷除钢丝外面的橡胶来达到提取钢丝的目的[6]，但这些方法效率都很低。有些效率较高的方法，如直接通过压辊挤压出钢丝的方法[7]，但目前工厂大多数都已经配备了轮胎粉碎装置，更换设备成本很高，这种方法不适用于对粉碎后轮胎的处理。也有些针对粉碎后轮胎处理的方案，如永磁体对金属毛丝进行吸附，然后撤回到回收点，由机械装置刮下。再如，使废渣通过利用电磁体制作的磁选分离器进行分离[8]。但这些方案效率低下或分离的纯度不高。

为提高轮胎废渣中钢丝的回收效率，参考矿用立式磁选机设计一款新型废旧轮胎渣磁选机，并进行相关参数的优化和有限元分析。

1 新型废旧轮胎渣磁选机的结构及工作原理

1.1 磁选机结构

新型废旧轮胎渣磁选机机械结构主要包括进料口、筒、主轴、扬渣盘、电机、机架、传送装置等。其三维结构如图1 所示。

磁选机外形尺寸：总高2620 mm，筒内壁直径1040 mm，可处理废渣直径≤50 mm，处理能力1.5 t，磁场强度1～2 T，总励磁功率624 W。

筒中心主轴由电机带动，轴上等距分布2 个扬渣盘，用于将进料口来的物料打或甩到筒壁上。主轴外形如图2 所示，功率4 kW，转速136 r/min。主轴Ⅰ～Ⅵ段直径依次为45 mm，50 mm，55 mm，60 mm，65 mm，70 mm，65 mm，其余对称分布。主轴总长1000 mm，各段长度：IⅠ=84 mm，IⅡ=IⅫ=59.25 mm，IⅣ=IⅩ=19.5 mm，IⅤ=IⅨ=60 mm，IⅥ=IⅧ=7 mm，轴段Ⅲ、轴段Ⅶ和轴段Ⅺ长度相等。轴的材料选用Q235A。

图2 主轴形状

筒体两侧焊接有法兰，用于连接通透的底盖，上底盖与进料口螺纹连接，下底盖与机架螺纹连接。筒外壁均布12 组电磁组，每组4 个，采用电工纯铁作为铁芯，国标紫铜线绕1000 匝，额定电压直流24 V，额定功率13 W。最下方有双向传送带，分别传送分离下来的橡胶和钢丝至两端的回收箱，传送带右端设有二次筛选装置，原理是使用永磁体滚筒，吸附钢丝多走一段行程从而对处理过的物料进行二次提纯。

新型电磁分离钢丝装置特点：①采用立式结构，节省地面空间，可多台机器同时共用一个传送装置，大大提高了分选效率；②采用电磁铁，磁性强且可控，弥补了永磁体磁性不足导致漏选以及永磁体缓慢消磁带来的材料损耗与更换的麻烦；③开式磁系360°大包角均布，极大程度地避免漏选，传送带上设置二次筛选装置，提升分选的纯度。

1.2 工作原理

（1）经过预先切割的原料由送料口送入装置。

（2）电机启动带动轴转动，轴带着2 个等距的扬渣盘转动，电磁体通电上磁。

（3）原料进入筒体后被扬渣盘打或甩到筒壁上，其中的钢丝在电磁力作用下被吸附到桶的内壁上，没有磁性的其他成分如橡胶则在重力作用下落至传送带上。

（4）传送带将初步选出的橡胶运往永磁滚筒端，通过永磁滚筒进行二次筛选，在磁力的作用下，钢丝比橡胶多运动一段行程后落入钢丝回收箱

（5）待一批物料的橡胶全部回收完后，电磁铁断电消磁，钢丝在重力作用下落至传送带，传送带反向运行，将钢丝送至另一端的钢丝回收箱。

（6）重复以上工序。装置结构设计紧凑，可以多个装置同一工序同步进行，并可使用同一传送机构以提高效率。

2 二次筛选原理

主机进行初次筛选，筛选效率可达90%以上，但仍有钢丝漏选，因此传送机构设有二次筛选装置。工作原理见图3。三角形代表橡胶，圆形代表钢丝，滚筒带有磁性。当物料经过滚筒时，橡胶直接落入橡胶收集区，钢丝在滚筒磁性的作用下被吸在传送带上继续传送一段距离。当绕至滚筒下方一段距离后，因为距离变远，磁力减小，滚筒不再能吸住钢丝，钢丝便会落下，而此时落下的区域是另一块区域。由此可以对橡胶和钢丝的混合物进行二次筛选。

图3 二次筛选原理

3 主轴校核与优化方案

3.1 弯矩计算校核

以该种工况作为弯矩的校核条件：在2 个扬渣盘同一条边上方都堆满了物料，物料中有90%的橡胶和10%的钢丝，橡胶密度1500 kg/m3，钢丝密度7800 kg/m3，混合后密度ρ=2130 kg/m3，堆叠体积V=0.06 m3。根据质量计算公式：m=ρV，可求得单个盘上堆叠的物料总质量m=130 kg，其重力约为1300 N。假设重量集中到一点并且摩擦很大，单个盘上物料重心与轴的距离r=0.2 m，根据向心力计算公式：，可求得单个盘上堆叠的物料引起的离心力F=Fn=5268 N，不超出轴承的基本额定动载荷，也不超出Q235A 的许用弯曲应力，故通过弯矩计算校核。

3.2 优化与有限元校核

该装置轴在正常工作中只受扭矩作用而不受弯矩，根据材料力学可知其应力主要集中分布于轴表面，为了节省材料，可将轴做成空心轴，β=0.5，即内外径之比为0.5。使用Solid－Works simulation 对改进前后的轴分别进行有限元分析与校核，根据工况，施加的载荷约束条件为作用于轴端键槽侧面的大小为11 129 N 的主动推力和扬渣盘重量引起的524 N 的压力以及轴自身重力，约束为2 个扬渣盘键槽侧面的刚度为119 850 N/m 的弹性支撑和轴承处对轴的轴承支撑。有限元应力分析结果显示，改进前最大应力91.3617 MPa，改进后最大应力228.317 MPa，优化后应力虽有所增加但依然能满足强度要求，而且改进后应力分布更加均匀。

4 结语

（1）新型废旧轮胎渣磁选机运行中，物料在主机内进行第一次磁选，在传送带橡胶回收端进行第二次磁选。

（2）主轴最小轴径45 mm，材料选用Q235A，设计成空心轴，β=0.5。

（3）可应用于配备了轮胎粉碎机却没有磁选机的工厂的后续工作对接。

（4）可多台主机同步在一条传送带上工作，提高空间利用率。