钉磨头的设计及优化

钉磨头的设计及优化 摘要： 随着科学技术的飞快发展，世界的工业也随着快速地发展，特别是电子及汽车行业。汽车给人们带来了交通便利，公路运输促进了国民经济的发展。但我们在享受便利和品尝经济发展的成果时，不得不面对日益增多的废旧轮胎。 关键字： 废旧轮胎 钉磨轮 切削刃 原形改制 随着科学技术的飞快发展，世界的工业也随着快速地发展，特别是电子及汽车行业。汽车给人们带来了交通便利，公路运输促进了国民经济的发展。但我们在享受便利和品尝经济发展的成果时，不得不面对日益增多的废旧轮胎。据统计，目前全世界每年有 15 亿条轮 胎报废，其中北美大约 4 亿条，西欧近 2 亿条，日本 1亿条 1 5。如何将废旧轮胎资源化、减量化、无害化，不仅关系到环境保护这个重要的社会问题，而且还关系到持续发展这一全球性的战略问题。 合理处置废旧轮胎，长期以来一直是环境保护的难题。在上世纪 90 年代，世界各国最普遍的做法是对废旧轮胎进行掩埋或堆放。以美国为例， 1992 年废旧轮胎掩埋 /堆放率达到 63%1,5。但随着地价上涨，征用土地用作掩埋 /堆放场所越来越困难。另一方面，废旧轮胎大量堆积，极易引起火灾，造成第二次公害。随着科学技术进步，世界各国纷纷积极开辟 废旧轮胎综合利用新途径。尤其是近些年来，公众的环境保护意识日益增强，利用废旧资源培育新型产业，实现经济可持续性发展成了世界各国的共识。目前废旧轮胎的综合利用途径有翻新、原形改制、热能利用、热分解、再生胶、胶粉等。 一、轮胎翻新 2,5 9 翻新是利用废旧轮胎的主要方式和最佳选择。将已经磨损的、不能使用的废旧轮胎的外层削去，粘贴上胶料，再进行硫化，即可得到能够重新使用的翻新胎。在使用、保养良好的条件下，一条轮胎可以翻新多次，具体地说，尼龙帘线轮胎可翻新 2 3次，钢线子午线轮胎可翻新 3 6次。每翻新一次，可重 新获得相当于新轮胎寿命 60 90的使用寿命，平均里程大约为 5 7万公里。通过多次翻新，至少可使轮胎的总寿命延长 1 2 倍，换句话说，一条轮胎经过多次翻新后起码相当于 2 3 条轮胎。而翻新一条废旧轮胎所消耗的原材料只相当于生产一条同规格新轮胎的 15 30，价格仅为新轮胎的 20 50。 由于翻新保持了轮胎的原始物性和形状，耗用的能源和人工都较少，但却达到了物尽其用的目的，所以被普遍认为是废旧轮胎最有效的利用方法。另一方面，其他综合利用方法，譬如生产再生胶、胶粉、热分解、热能利用等均或多或少在能源消耗、成本、污 染方面存在一些问题，相比之下，废旧轮胎翻新具有明显的优势，所以历来倍受重视。 轮胎翻新最早始于 1907年的英国，在 1933年后传入中国。传统的翻新工艺是热硫化法，该法目前仍是我国翻胎业的主导工艺，但在美国、法国、日本等发达国家已逐渐遭淘汰。最先进的翻新工艺是环状胎面预硫化法，它由意大利马朗贡尼（ Marangoni）集团于上世纪 70 年代研发并于 1973 年投放市场。该集团是一家既制造轮胎翻新设备和检验设备，同时又从事轮胎翻新生产的跨国公司。与马朗贡尼齐名的还有美国奔达可（ Bandag）公司，该公司自上世纪 80 年 代投身轮胎翻新业以来，每年营业额均在 30 亿美元以上。近年来崛起的后起之秀是米其林轮胎翻新技术公司（ MRTI），它是排在世界轮胎业前三名的法国米其林集团设在北美地区的一家子公司。 MRTI拥有两项专利技术：预硫化翻新（ Recamic）技术和热硫化翻新（ Remix）技术。通过实行两条腿走路的方针，即自办轮胎翻新厂与向其他轮胎翻新厂出让技术使用权相结合， MRTI 业已建立起庞大的轮胎翻新网络。该网络目前拥有 40 多间 MRTI 翻胎厂和 37 间加盟翻胎厂。只要交上2.5万美元并与 MRTI 签署五年合约，即可成为 MRTI的加盟翻 胎厂，享受由 MRTI租借翻胎生产设备和提供翻胎生产技术的服务。 MRTI 的兴起已经严重影响到奔达可在北美地区近百年的垄断地位。 美国 60以上的废旧轮胎得到翻新，欧共体规定 2000年废旧轮胎的 25必须得到翻新，而我国与先进国家存在较大的差距，目前得到翻新的废旧轮胎还不到10。 二、原形改制 3,5,9,10,11 原形改制是通过捆绑、裁剪、冲切等方式，将废旧轮胎改造成有利用价值的物品。最常见的是用作码头和船舶的护舷、沉入海底充当人工鱼礁、用作航标灯的漂浮灯塔等。 美国每年产生废旧轮胎 2.5 亿条，通过原 形改制可使其中的 500 600 万条变废为宝。栅网垫排公司收集废旧轮胎，用切割机分离胎圈与胎身，再根据需要将胎身裁成不同尺寸的胶条，用这些胶条编织成弹性防护网、防撞挡壁、防滑垫排等。弹性防护网供建筑、爆破工地挡飞石落物；防撞挡壁供保护船坞用；防滑垫用来临时加固路面，使重型车辆顺利通过泥泞地带。从废旧轮胎上截取下来的胎圈，还可以被加工成排污管道出售。 美国康涅狄格州许多居民有将废旧轮胎代替地下管道使用的好习惯。他们将废旧轮胎竖立相叠，排成一列埋入地下，经固定充当泄洪暗渠，也相当经济实用。 美国加利福尼亚州一位娱 乐业老板发明了利用废旧轮胎改制成的“捕雨系统”，节约高尔夫球场草坪灌溉费用的技术，并为此而申请了专利。所谓“捕雨系统”也就是将废旧轮胎从中间破开一分为二，然后埋入高尔夫球场草坪深一英尺的地下。遇天下雨时，雨水聚积在半个轮胎内，不至于渗漏流失，保证有充足水分供草根吸收，从而减少灌溉次数。铺满一个标准的 18 穴高尔夫球场，大概要用 120万条废旧轮胎，一年可节约灌溉费用 1 7万美元。 日本有人发明了用废旧轮胎固坡。具体做法是：将废旧轮胎整齐地摆放在坡面上，然后用水泥浇灌空隙，使废旧轮胎与坡面连成整体。这种方法不仅节 约水泥，而且增强了坡面的坚固程度，同时又消耗了废旧轮胎，其好处何止一举两得。 法国技术人员用废旧轮胎建筑“绿色消音墙”，使用证明吸音效果极佳，音频在 250 2000Hz 的噪音可被吸收掉 85。其具体做法是：沿直径将废旧轮胎剖成对称的两半，然后将其倾斜 20层层叠放，再在墙外罩以金属格栅作为防火护板。之所以需要倾斜 20摆放，主要是方便排水，避免飘入的雨水积存在轮胎内滋生蚊虫。 与其他综合利用途径相比，原形改制是一种非常有价值的回收利用方法，它在耗费能源和人工较少的情况下使废旧轮胎物尽其用，而且给人们提供了充 分发挥想象力的空间以及大胆实践的机会。但该方法消耗的废旧轮胎量并不大，所以只能当作是一种辅助途径。 轮胎工业的原材料在很大程度上依赖于石油，特别是在天然橡胶资源缺乏、大量使用合成橡胶和合成纤维的国家， 70以上的原材料是以石油为基础。在美国，每生产 1 条乘用轮胎要消耗 26 升石油，每生产 1 条载重轮胎要消耗 106 升石油。可以说，不管以何种方式利用废旧轮胎，其最终结果都是提高了石油的利用价值，在目前能源日趋紧张的形势下，回收利用废旧轮胎对节约能源具有重大意义。我国是一个橡胶消费大国， 2000年汽车轮胎产量就达到 7828 万条，废旧轮胎日益增多，已成为亟待解决的问题。如不未雨绸缪，及早治理，必将给城乡环境带来不良影响。勿庸置疑，努力开发各种处理废旧轮胎的新技术、新工艺，对充分利用再生资源，减少环境污染，改善人类的生存环境具有积极意义。 同时为了解决这一问题而兴起的行业和解决方向逐渐增多，同时绿色回收就是其中一个重要的方向。例如把报废轮胎加工成实心轮胎（用于农用机械）而钉磨机床是这一工作中的其中一道工序所用的专用机床。 钉磨机床主要的工作部件是钉磨轮，因而对钉磨轮进行设计和分析（主要对钉头的设计和分析）。是至关重要的。钉磨 轮的四周有序地布满了钉头。如果要对没根钉头都进行受力分析和进行优化是不能实现的，同时也是没有必要的，在这里只对一根钉头的两个主要的工作位置进行分析。 1 钉头在两个不同位置时的受力分析 首先对第一个位置进行分析：当钉头刚好与工件切上的时候。具体情况如下图 2-1： N 1f 1NN 2ff 2F 2FF 1图 1 钉头在第一位置时的受力情况 )s i nc o ss i ns i nc o s( c o sc o ss i n)s i n ()c o s (0)c o s( s i n)s i n ()c o s ()c o s( s i n0c o s)s i n (c o s0s i n)c o s (s i naaaafNaaaafNFaaNaafaaFaNafaFaNafaF（ 1） 且在第二个位置时，也就是在工件 的中间位置：具体图形如图 a)： FNf (2) 由（ 1）（ 2）式可以看出 F 切削力与阻力 N 和摩擦力 f 之间的关系且从两式中可以得知当 a 未知且先设为定植可以得（ 1）式。当 由 45度往 90度变化的过程中 F是增大的且可以在不改变扭距和电机功率的情况下增大切削力也就是通过改变（钉头的切削力与钉头的中心线之间的夹角）来实现。同时这也达到了优化设计的目的。fNF图 2 ）图 2 钉头在中间时的受力情况 2 合理地选择钉子 （一）材料的 选则 首先合理选用钉头的材料。（参考非金属切削刀具 P240及图 7-6）为了便于切削及刃磨钉头选用 YG6硬质合金。钉刃前角 r0=10度两恻刃的前刀面向里倾斜 45度角。使用前首先把内侧平面及 45度前刀面磨好。刀尖处不准有缝隙再磨每侧后角。（合理几何参数：切削用量为 v=100-800m/min f=0.02 0.2mm/r）v的最佳取植公式： tvcvzypxv KKfat Cv 查表（参考非金属切削刀具）7-2得： t:耐用度 pa：切削深度 f :进给量 vC：系数 =3260 x :指数 =0.56 y ：指数 =064 z ：指数 =0.1 7.01cvtvkk 把各系数的值代入上式中得： 2.134v 取整得： 134m/min (二 )先对钉子的受力分布进行分析（也就它的扭距和弯距）在第一种情况时： FNf 图 3 钉头在第一位置时的受力坐标 1 ) 在 F 的 作 用 下 ：FFL图 4 在 F 力作用下的应力图 FXM 0 LX 0 LFM max 2 ) 在 N 的 作 用 下 ：NNL图 5 在 N 力作用下的应力图 NXM 0 LX 0 LNM max 3 ) 在 f 的 作 用 下 ：Lfsin(a+ )fsin(a+ )图 6 在 f 力作用下的应力图 20 )s in ( xafM Lx 20 )s in (m a x aLfM 且作用在钉头上的弯距为（最大） LafNFLafLNLFM)s in ()s in ( 由于 0 a 90 度变化的时候。 f*sin(a+ )也在逐渐增大。且在 M= F*L-N*L-f*sin(a+ )*L 逐渐减小当 a+ 135 度时， sin(a+ )是逐渐减小的也就是 M 逐渐增大。所以只能在取 45 度时。 M 能取得一个最佳的位置，为了减少 M 增加钉头的寿命，（但在不影响切削的情况下可以把钉头斜 1 到 5 度的角度安装。 （三）在第二种情况下的变形情况。 F Nf 图 7 钉头在第二位置时的受力坐标 1 ) 在 F 的 作 用 下 ：FFL图 8 在 F 力作用下的 应力图 FXM 0 LX 0 LFM max 2 ) 在 N 的 作 用 下 ：NNL图 9 在 N 力作用下的应力图 NXM 0 LX 0 LNM max 3 ) 在 f 的 作 用 下 ：Lff图 10 在 f 力作用下的应