废弃轮胎无害化破碎机设计.word1.doc

废弃轮胎无害化破碎机设计1. 选题目的和意义轮胎的使用寿命毕竟是有限的，丢弃的废旧轮胎无法降解，一百年都在影响生态环境，造成严重污染。这种“黑色污染”如不及早处理，将对环境造成巨大的危害。如果一旦引起火灾，废轮胎是易燃物品，起火时火势蔓延十分快速，扑救时间长，耗费大量人力物力，同时燃烧生成的滚滚黑烟会对空气造成严重污染。另外，越积越多的废轮胎长期露天堆放，占用大量土地，还极易滋生蚊虫以传播疾病。废轮胎除了恶化自然环境外，还破坏农作物生长，影响人类健康，危及地球生态环境，是固体废弃物中危害最大的垃圾之一。另外，由于暴利的驱使，一些不法之徒收购废旧轮胎用于土法炼油，导致废旧轮胎收购价格每年以25%的速度节节攀升。且土法炼油产生大量有毒气体、废水、噪音，给周边环境造成严重的二次污染，政府部门已明令禁止非法炼油的蔓延。 十一个五年规划纲要高度重视中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要在第六篇提出：落实节约资源和保护环境基本国策，建设低投入、高产出，低消耗、少排放，能循环、可持续的国民经济体系和资源节约型、环境友好型社会。以废旧轮胎的“减量化、无害化、资源化、循环化、符合市场效益、资源循环利用和环境保护的原则。也符合国家低碳、低污染的环保措施，防治“黑色污染”，节约了资源，很好的实现了环境效益、经济效益和社会效益的结合，对设节约型社会，发展循环经济，实现节能减排意义重大。2. 国内外研究现状及其发展趋势2.1. 国内外研究现状 粉碎过程是一个十分复杂的物理化学过程。因此,需要在多学科支持下建立完整的、系统的粉碎功耗理论,全面揭示物料粉碎的机理。对于我国许多废旧轮胎而言,由于资金有限,多集中在小型破碎机的研究上,而业内人士一致公认国际上的破碎设备正在向大型化、高产、高效及节能降耗等方向发展。目前,破碎机的发展主要存在如下问题:(1)应用新型耐磨材料较少。 目前,破碎机常选用常规的高铬铸铁、超高锰钢等。实际上破碎机中一些易磨损件应采用较好的新型耐磨材料,可有助于提高破碎机的使用寿命。因此,对破碎机中关键部件,采用新型的耐磨材料应该是破碎机发展中的一个方向。(2)计算机辅助设计水平较低。 众所周知,采用现代设计方法,如计算机辅助设计,可以提高产品的性能和可靠性,缩短产品开发周期,提高产品竞争力目前,利用计算机进行二维设计已经十分普及,然而,利用三维绘图软件,如Pro/E进行设计的较少,对破碎机的关键部件采用有限元软件ANSYS进行分析的较少,利用运动学软件ADAMS对整机进行动力学分析的也较少。因此,利用计算机对破碎机进行优化设计的研究应该进一步加强。(3)破碎机的制造工艺水平较差。 破碎机的制造水平是研发先进破碎机的基础条件,而目前矿石机械中,多为粗放式的加工工艺,且缺少先进的加工设备,这将难以保证破碎机的加工精度,破碎机的使用寿命和运行的稳定性也将难以保障。因此,提高破碎机制造工艺水平也需提高。2.2. 发展趋势 从国内破碎机的现状及发展前景来看,国内破碎机还有很大的发展空间,同时也需要一段时间的积累和探索,要缩小差距并赶超国外先进技术,必须增加投入,加强破碎基础理论的研究,提高耐磨材料性能,提高制造工艺水平,利用计算机对破碎机进行优化设计的研究,借以提高产品性能和可靠性,并扩大使用范围,是积极参与竞争、开发中国破碎机市场的关键。针对目前物料破碎理论和各种破碎机的研究现状进行了分析和总结,并针对目前存在的问题,提出了破碎理论及破碎机的发展方向。3. 研究的主要内容 本课题主要研究废弃轮胎无害化破碎机设计为研究对象。通过机械方式将废橡胶轮胎切割后得到较小的胶块。将所得到较小的胶块用于进一步加工或用于其他行业，实现废弃轮胎破碎的无害化处理。3.1. 破碎机工作机构设计 破碎机的工作机构包括：工作仓，工作轴刀盘，刀头等(可参考图3-1所示)。本课题设计为三根工作轴，在工作轴上装配刀盘，安装工作轴时刀盘均匀分布在相邻刀盘之间，其定位依靠轴承底座来实现。其结构示意图参考图32所示。1刀盘2刀头3工作仓3工作轴 图3-1 破碎机工作机构图1工作轴2刀盘3刀头4T作仓 图3-2破碎机工作机构图 3.1.1. 关键系数的确定 3.1.1.1以下参数影响破碎后物料的尺寸： (1) 刀头的宽度和形状： (2)刀头上刀齿的距离和数量(A)： (3)刀头齿尖与另一刀轴间的距离(B) (4)刀头的重叠尺寸(C)；(5)刀轴的转速； 图3-3影响因素示意图(6)筛网的尺寸： 3.1.1.2关键参数的确定(1)刀头的宽度和形状 在我们的参考参数中，标准刀座规格为1100 X 1300mm，而我们设计工作轴上有10个刀盘，两个相邻刀盘之间的距离为5mm，同时刀盘和工作仓端壁的距离也是5mm，最后我们将刀盘宽度设计为60mm，刀头与侧壁的距离为7mm，工作轴之间的距离为510mm，刀尖到轴心的距离暂设计为305mm。最终工作仓的尺寸为：13051664mm。刀头的形状对物料的给进有重要的影响，在国外破碎机中，我们不难看到，许多刀头都设计成斜刃，这种设计可以很好的将物料咬住，使物料能够连续的进行破碎，提高破碎机的工作效率。我们把刀头设计成分体式，且刀头为直刃，这样不仅可以保证物料的连续给进，而且还可以提高刀头的强度，从而提高刀头的使用寿命。(2)刀头上刀齿的距离和数量(A) 刀头上刀齿数量越少，生产率可得以提高，但破碎效果越差：刀头上刀齿数量越多，则刀头对物料产生强烈的击碎、挤压和摩擦。使物料破碎的过细，功率消耗明显增加，生产率也得不到提高，而我们设计的刀头为分体式，我们可以在后续的样机性能试验中得到较优刀头排列。(3)刀头齿尖与另一刀轴间的距离(B)以及刀头的重叠尺寸(c) B值越小，则物料破碎的越细；反之，则破碎的越粗。考虑到垃圾处理对物料初级破碎的尺寸要求及国外设备的机械参数，我们暂且将B取值25mm，则C为305+305510=100mm。我们在样机优化试验中再进行进一步的研究。(4)刀轴转速的确定 刀头的线速度V值对剪切(破碎)效果影响很大，不同物料破碎的最佳线速度也不同。当v值增大时，刀头对物料的打击、剪切作用增强，也提高了破碎能力；但是v值过大时，则机器的空载功率增加，同时噪声和振动也随之增加，导致剪切(破碎)能力下降。因此，v值对提高剪切、破碎效率及性能至关重要。考虑机器的实际应用，垃圾破碎机不可能只加工一种物料。考虑到牧羊公司对设备机械参数的要求，我们暂采用工作轴的转速为n=61.25rmin及n=87.5rmin，同时，在后续的样机优化试验中，我们可以通过改变电机转速来得到最优值。(5)筛网的尺寸 该垃圾破碎机为垃圾处理中的初级破碎环节工艺使用设备，在后续的再破碎工艺流程中筛网不仅能起过滤物料的作用，还能起到破碎物料的作用。本设备不设计筛网，所以不考虑筛网的尺寸设计。3.1.2. 刀具头的设计 垃圾破碎机工作时，刀盘上的刀头起着至关重要的作用。因为该破碎机的破碎原理就是依靠刀头和两个刀盘之间以及刀头和工作仓内壁上的梳板之间的剪切力来把物料剪碎。而且城市固体垃圾成分复杂，对刀头的强度、耐磨性和耐腐蚀性都有很高的要求。我们在图3-3中可以看到国外垃圾破碎机的刀头和刀盘多为体结构，这样虽然可以保证刀头有足够的强度。但是其工艺性有一定缺点，根据目前中国机械加工水平的限制，加工出这种样式的刀头有一定难度，而且，就刀盘的选材而言，如果选用碳素钢，显然其硬度、耐磨性等其它机械性能不能满足需要，如果选择适合加工刀具的高速钢或者硬质合金时，其成本又太高，不能满足设备设计的经济性的要求。为了兼顾机械设计的可靠性和经济性要求，我们把刀头和刀盘设计为分体式结构。 图3-4 两端刀轴上刀盘结构图圈 3-5中间刀轴上刀盘结构图 图3-6刀具头结构 1减速器2联轴器3电动机 图3-7破碎机动力输入系统机构图 3.1.3. 破碎机动力输入机构的设计 垃圾破碎机的动力来源为电动机，而从电动机传来的转速不能满足破碎机的实际工作要求，所以需要减速器对转速的调节，同时电动机和减速器以及减速器和破碎机输入轴的连接我们通过联轴器来实现其总体结构如图3-7所示3.1.3.1. 电动机的选择 对于一般生产机械，在满足生产机械要求的前提下，优先选用结构简单、工作可靠、价格便宜、维修方便的电动机。从一般要求看，交流电动机优于直流电动机，交流异步电动机优于交流同步电动机，鼠笼式异步电动机优于绕线式异步电动机。所以在系列产品中优先选用Y系列产品。电动机的外壳防护与安装方式的选择：防护型式必须与环境相适应，否则电机不能正常运行或损坏，或因电机本身故障引起灾害。电动机常见的防护型式有开启式、防护式、封闭式和防爆式。 由于三根工作轴时水平分布的，而电机和减速器的尺寸较大，为了安装方便，防止干涉，我们把两端工作轴上的电机放置在一侧。而把中间工作轴上的电机放在另一侧。3.1.3.2. 减速器的选用选择减速器一般考虑以下几个方面的问题。 1、根据总体布置的要求选择减速器的型式在没有其它特殊要求的情况下，常首先考虑选用l圆柱齿轮减速器，其输入轴与输出轴互相平行。因为这类减速器加工方便，效率高，成本低。当要求电动机轴与输出轴之间成90角布置时，可以采用圆锥齿轮或圆锥一圆柱齿轮减速器。当传动比大，要求结构紧凑时，可以选用蜗杆传动，但蜗杆传动效率较低，适用于短期间歇使用。要求结构紧凑、传动比大、效率高、重量轻时，可以选用行星齿轮减速器(如渐开线齿轮行星传动、摆线针轮行星传动)或谐波齿轮传动。 2、根据传动的主要参数选择减速器的传动级数和尺寸根据减速器传递的功率P，输入轴转速n总传动比i(或输出轴转速n)确定减速器的级数，如对圆柱齿轮减速器，i三810可用单级圆柱齿轮减速器，i=860可选用二级圆柱齿轮减速器，i=40400可用三级圆柱齿轮减速器。已知P、nt、i则可按减速器样本选定减速器的型号。 3、考虑其它要求选择减速器型式有些减速器还有其它要求，如机器人传动装置的减速器有运动精度、刚度、回差等方面的要求。在高温、低温、高速等条件下工作的减速器也有许多特殊要求。3.1.4. 防护罩的设计 机器是为人类服务的，同时它叉在一定的环境中工作，人、机、环境三者构成一个特定的系统。机器工作时不仅机器本身应具有良好的安全性，而且对使用机器的人员及周围的环境也应有良好的安全性。为了保证操作人员的安全，防止在实际工作过程中，发生异物缠绕以及伤人情况，我们在联轴器上设计一个防护罩，这样可以保障旋转工件工作时的安全性。3.1.5. 废弃轮胎的尺寸要求 确定废旧轮胎的进料标准其实是为了保证刀头能对轮胎进行有效的咬合，保证破碎时进料连续通畅。在实际工作中，由于轮胎的材料特性弹性较大，当轮胎被随机投入工作仓后，轮胎在刀头的拨动下，不断调整位置。通过实际考察我们发现，一般都是刀齿先咬住轮胎的侧面或胎面和侧面的过渡处。从图38中我们分析可以发现，在轮胎和刀齿接触时，中间工作轴上最上面的刀头不能咬住轮胎，而其左右两侧的刀头的刀齿可以很好地将轮胎咬住，也就是相当与中间工作轴最上面的刀头旋转18度。而在正常工作时，端轴上刀头顺时针旋转，在最上面和水平线相垂直的刀齿对轮胎有抓咬作用，这两个刀齿确定的区域即为轮胎最大破碎区域，从而确定最大破碎轮胎的型号。 图38破碎机刀头结构示意图4. 总结和建议4.1. 总结本文研究的是一种废旧轮胎无害化破碎机的设计，经测试各部分传动平稳，达到了设计要求。主要工作内容体现在以下几个方面：1. 通过计算设计完成总体结构、功能参数及工作机构的各个零件，并根据本课题的需要选择合适的电动机、减速器和联轴器等标准部件。2. 研制了相应的垃圾破碎机，既能实现生产要求，又降低了设各的整体费用。4.2. 建议1. 刀头的材料和热处理对刀具的使用寿命有很大的影响，在以后的优化设计中，要总结实际生产中遇到的问题，参考其它破碎设备刀具的选材和热处理，同时考虑设备的经济性，确定最优方案2. 刀头的形状是影响进料的连续性及破碎质量的关键因素，受时间的影响，刀头结构还有待进一步优化。3. 在以后的优化试验中，将普通电机换为变频电机，从而调节工作轴的转速。同时。改变刀头齿尖与另一刀轴间的距离(B)，刀头上刀齿的距离和数量，刀头的宽度和形状设计正交试验，参考不同的垃圾物料破碎，晟后得出最优配置。参 考 文 献1 李琦剑.公路交通运输业中轮胎产业可持续发展研究D.2006 - 北京交通大学硕士论文：环境工程2 郭丽坤.废旧轮胎再生利用管理研究D2008 - 南开大学：环境管理与经济3 高强、张建华.破碎理论及破碎机的研究现状与展望 J中文核心期刊要目总览 ASPT来源刊 CJFD收录刊2009-11-17：34 丁湘蓉.北京市生活垃圾现状与垃圾堆肥应用潜力研究D2003年6月中国农业大学5 王文科.城市固体垃圾破碎机的研究D2006 - 中国农业大学：农业机械化工程6吴秀兰.意大利推出大型轮胎破碎机J橡胶工业 、1996年第05期 7郎宝贤、郎世平.国内外破碎机的差距与发展趋势J矿山机械 2004年 第09期 8高强 张建华.破碎理论及破碎机的研究现状与展望J机械设计 20