【摘 要】汽车的诞生给人们的生活带来了极大的便利，但是汽车淘汰的废旧轮胎，如何处理是当今社会面临的重要难题。目前，将废旧轮胎粉碎制成胶粉和再生胶是全球处理废旧轮胎的普遍做法。本文主要介绍了废旧轮胎粉碎设备的工作原理及主要结构特点，对关键部件辊筒的尺寸、转速、长度及电机功率进行设计，并利用ANSYS建立了辊筒的有限元模型，对辊筒进行结构性优化，使优化后的辊筒更加符合生产的需求。

【关键词】废旧轮胎；粉碎设备；辊筒；设计；优化

1、引言

据统计，每年将会有近5亿条废旧轮胎产生。废旧轮胎被称之为“黑色污染”，由于稳定的物理性能和化学性能，一般的生物降解很难应用于废旧轮胎上面。若将废旧轮胎闲置，将会占用大量的土地。废旧轮胎的燃烧会释放大量的有毒气体，严重污染环境和危害人们的身体健康。如何将大量的“黑色污染”变成“黑色能源”，是全球需要共同面对和解决的问题。世界各国尝试了各种方法来处理废旧轮胎，其中将废旧轮胎粉碎进行胶化，制备成胶粉和再生胶得到认可，大量的废旧轮胎粉碎设备应运而生。

2、废旧轮胎粉碎机的工作原理及主要结构

2.1废旧轮胎粉碎机的工作原理

废旧轮胎粉碎机适用于常温法来制备胶粉，其结构主要由两个转向相反的辊筒组成。两个辊筒是粉碎机最重要部件，大小一般不一致，两个辊筒的转速也不相同。两个辊筒在相互转动过程中，中间留有一定间隙，间隙的大小直接影响了胶粉颗粒直径的大小。废旧轮胎粉碎机工作时，两辊筒上方属于进料口，由于两轮相向转动，将物料带入两辊轮工作间隙进行粉碎。在粉碎过程中颗粒大的物料粉碎成颗粒小的物料，颗粒小的物料继续在两辊轮的工作间隙运动，变成更小的颗粒，最后完成废旧轮胎的粉碎工作。其过程操纵简单、工作可靠，应用广泛。

2.2废旧轮胎的主要结构

废旧轮胎主要由双辊筒、机架、动力传动装置、冷却系统组成，结构示意图如图1所示。

3、废旧轮胎粉碎机关键部件设计

废旧轮胎粉碎设备两辊筒的工作间隙按照实际工作需求和胶粉颗粒的大小可以调节。本文设计成工作间隙可以在0.5mm-1mm之间可调，胶粉的粉碎比取45.8。辊筒尺寸的确定是废旧轮胎粉碎装置设计的关键，经过查表和计算，两个辊筒直径分别为530mm和480mm。辊筒转速的确定和生产效率有直接关系。转速越大，生產效率越高。当转速偏大时，由于两辊筒高速旋转，会使物料飞溅，噪音加强，影响加工安全。结合实际我们选取动辊转速n=110r/min，光辊线速度V1=30m/min，槽辊线速度V2=40m/min，辊速比i0=V2/V1=1.33。辊筒长度为0.8m，电机功率为75kw。

4、废旧轮胎粉碎机关键部件的优化

我们要将废旧轮胎的关键部件辊筒进行建模。将辊筒从粉碎机上分离出来，将其进行简化，利用pro/E对辊筒进行三维建模。在建模过程中，辊筒的倒角、圆角、螺纹孔等位置进行简化和去除，避免集中力的出现。简化后的辊筒三维模型如图2所示。

辊筒材料的确定要采用表面硬度高、耐磨性强，具有一定强度和韧性的金属材料，选取材料型号为HTLG-H的冷硬铸铁，作为辊筒表面材料。载荷和边界的确定是辊筒应力和应变分析的关键。根据废旧轮胎粉碎机的工作原理可知，两辊筒在运动过程中给物料大小相同、方向相反的挤压力，这种力称之为横压力。由于横压力影响因素过多，不能通过计算来获得。根据人们长期积累的经验，取横压力为7kw，横压力作用边界为600mm*4mm。确定好载荷和边界后要对模型进行网格划分。网格划分是优化设计中重要环节，直接影响最终结果的准确度和计算机的运算速度。所以在网格划分时一定要确定好材料属性及常数，确定好网格大小和分界点。本次对辊筒进行网格划分时选用Solid185单元类型，精度等级为6级。最后利用ANSYS进行静力学分析如图3、图4所示。

分析结果显示辊筒的结构尺寸不够完整，富余应力比较集中，在工作过程中容易局部损害，应该将其辊筒进行结构优化，已达到最佳工作状态。根据两辊筒的工作特点，将辊筒表面设计成有微型弧度的面，内部结构减小辊筒内壁的厚度，优化后的静力分析如图5、图6所示。优化后的辊筒在相同载荷作用下，去掉了富余材料，降低了辊筒的重量，工作效率更高，更加符合实际工作的需求。

5、总结

本文在介绍废旧轮胎粉碎设备工作原理和主要参数的基础上，按照传统的计算方法和经验数据设计了粉碎机辊筒关键部件，通过ANSYS有限元进行静力学分析，优化了辊筒表面和内部结构，使辊筒在更优的状态下工作，让整体设备重量明显降低，降低了成本，从而工作性能更好，达到了优化的目的。

课题来源：河北省高等学校科学技术研究项目：废旧轮胎切条设备参数化设计关键技术研究，课题编号：Z2017057

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[4]隋建波，向东，牟鹏，段广洪.废旧轮胎橡胶的常温粉碎及性能研究[J].橡胶工业，2012，59（3）：33-36.

作者简介：

马继召，（1985年04月-），男，河北唐山人，唐山职业技术学院讲师，工学硕士，研究方向：机械工程。 邮编：063000

（作者简介：唐山职业技术学院）