Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электромагнитная утилизация автомобильных шин. Монография
.pdf
11
При выборе метода переработки шин надо иметь в виду, что шинное производство — одно из самых энергоемких — постоянно наращивает мощности.
Уничтожение отработавших шин пиролизом, описанным выше, еще более
энергоемко, а для сжигания 3–4 тыс. шин требуется такое же количество кислорода, какое поглощает небольшой европейский городок за месяц.
Рис. 4. Оборудование для пиролиза резины автомобильных шин
Объем переработки шин методом измельчения не превышает 10 %.
Большая часть собираемых шин (20 %) используется как топливо.
Сжигание изношенных шин энергетически неперспективно, так как для
изготовления легковой шины требуется энергия, содержащаяся в 35 л нефти, а
при ее сжигании выделяется энергия, эквивалентная лишь 8 л нефти. При сгорании шин (резины) образуются такие химические соединения, как бифенил,
антрацен, флуорентан, пирен, бензапирен. Попадая в атмосферный воздух, эти
соединения становятся источником повышенной опасности для человека, так
как большинство из них канцерогенны.
Предлагаемый в работе способ утилизации автомобильных шин основан
на криогенной технологии измельчения шин, при которой одновременно ис-
12
пользуются физические явления, способствующие более эффективному протеканию процесса – ослабление связей между металлическим кордом и резиной
за счет различия их коэффициентов термического расширения, что приводит к
растрескиванию и частичному отделению резины от металла.
К достоинствам криогенной технологии переработки отходов относятся:
1) высокая степень разделения отходов на компоненты;
2) снижение энергозатрат на дробление;
3) возможность получения высококачественных материалов;
4) улучшение условий пожаробезопасности;
5) улучшение условий труда и др.
Использование для разрушения охлажденных автомобильных шин ударных механических средств, а именно молотов и мельниц, обуславливает невысокую скорость и эффективность электромагнитной утилизации автомобильных шин и шумность. Чтобы решить указанные проблемы, автором было предложено заменить механический (контактный) способ деструкции шин с металлическим металлокордом на электромагнитный (бесконтактный), для этого
вместо молотов и мельниц используются емкостные накопители (батареи импульсных конденсаторов) и индукторы (импульсные катушки).
13
1. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ИМПУЛЬСОВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ШИН
Конструкция автомобильных шин (рис. 5, 6) [1], одним из элементов ко-
торой является металлокорд, состоящий из тонких троссиков, свитых из стальной проволоки, дает основание применить для утилизации шин силовое воздействие магнитного поля. Вихревые токи, индуцированные в слоях металлокорда
внешним магнитным полем, взаимодействуя с ним, приводят к появлению пондеромоторных сил.
Рис. 5. Конструктивные элементы и основные размеры шин:
D — наружный диаметр; Н — высота профиля шины; В — ширина профиля шины;
d — посадочный диаметр обода колеса (шины); 1 — каркас; 2 — брекер;
3 — протектор; 4 — боковина; 5 — борт; 6 — бортовая проволока;
7 — наполнительный шнур
Рис. 6. Составные части шины
14
Каркас — важнейшая силовая часть шины, обеспечивающая ее проч-
ность, воспринимающая внутреннее давление воздуха и передающая нагрузки
от внешних сил, действующих со стороны дороги, на колесо. Задачей каркаса
является поддерживание амортизационных свойств шины, а также удержание в
шине необходимого для этого количества воздуха. Каркас состоит из одного
или нескольких, наложенных друг на друга слоев обрезиненного корда. В зависимости от конструкции каркаса, размеров, допустимой нагрузки и давления
воздуха в шине число слоев корда в каркасе может изменяться от 1 (в легковой)
до 16 и более (в грузовых, сельхоз. шинах и пр.). Брекер — часть шины, состоящая из слоев корда и расположенная между каркасом и протектором шины. Он
служит для улучшения связей каркаса с протектором, предотвращает его отслоение под действием внешних и центробежных сил, амортизирует ударные
нагрузки и повышает сопротивление каркаса механическим повреждениям. В
брекере нити корда в смежных слоях пересекаются друг с другом и с нитями
корда соприкасающегося слоя каркаса, т.е. расположены диагонально, независимо от конструкции шины. В зависимости от материала корда, шины подразделяются на шины с текстильным брекером, шины с металлическим брекером,
а при использовании металлокорда и в каркасе – цельнометаллокордные.
Борт — жесткая часть шины, служащая для ее крепления и герметизации
(в случае бескамерной) на ободе колеса. Основой борта является нерастяжимое
кольцо, сплетенное из стальной обрезиненной проволоки. Борт состоит из слоя
корда, завернутого вокруг проволочного кольца, и круглого или профилированного резинового наполнительного шнура. Стальное кольцо придает борту
необходимую жесткость и прочность, а наполнительный шнур — монолитность
и эластичный переход от жесткого кольца к резине боковины. С наружной стороны борта расположена бортовая лента из прорезиненной ткани, или корда,
предохраняющая борт от истирания об обод и повреждения при монтаже и демонтаже.
В рассматриваемом способе сила деструкции возникает в результате вза-
имодействия вихревых токов, индуцированных в металлических частях автомобильной шины: троссиках металлокорда, который расположен в брекере шины и бортовых кольцах, с импульсным магнитным полем. Это поле создается
индуктором — импульсной катушкой, когда на нее разряжается емкостной
накопитель [2–4].
Чтобы удостовериться в действенности предложенного способа вначале
были проведены расчетные исследования.
15
Деструктивные силы, действующие на металлические части, а значит и на
соседние области резиновой шины, могут быть определены в соответствии с
выражением:
f = j × B,
где f — сила, действующая на единицу объема, В — вектор магнитной индукции в этой же области. j — вектор плотности тока в области металлической
части.
Кроме этого, следует иметь в виду особенности поведения резины шины
в области низких температур. При понижении температуры до –100 °С материал теряет свои упругие свойства и переходит в область хрупкого разрушения с
пределом прочности порядка:
27
Н/м107σ
хр
.
Хрупкая прочность зависит от направления ориентации волокон. Будучи
прочным в направлении ориентации, материал хрупок и непрочен в направлении, перпендикулярном к направлению ориентации. При таком механическом
нагружении резина рассыпается на мельчайшие частицы.
В соответствии с изложенным предполагается проанализировать возмож-
ность разрушения шины, охлажденной до температуры порядка –100°С, импульсным магнитным полем.
По своему виду задача создания внешнего импульсного магнитного поля
и, следовательно, вихревых токов в металлокорде и бортовых кольцах, сродни
задаче конструирования установок индукционного нагрева и магнитноимпульсной опрессовки. В обоих случаях требуется обеспечение в некоторой
области (не обязательно вдоль всей шины) достаточно высокого уровня вихревых токов.
Простейшая конструктивная схема таких установок представляет собой
источник питания [5] (в импульсных установках — емкостной накопитель), соединенный с индуктором. В качестве индуктора используются различного вида
катушки (спиральные, цилиндрические), в том числе одновитковые. Использование одновиткового соленоида в рассматриваемом случае может быть более
предпочтительным в силу его относительно малой индуктивности и простоты
16
изготовления. Как показывает практика использования таких индукторов, допустима составная конструкция из двух частей, а также использование магнитопровода для улучшения связи между индуктором и обрабатываемой деталью.
Ориентируясь на габаритные размеры шин и форму реальных индукторов
в установках индукционного нагрева, попробуем использовать в качестве индуктора виток с прямоугольной формой сечения с внутренним радиусом
190 мм, толщиной 50 мм и длиной в осевом направлении 200 мм (ориентировочно полагаем зазор между шиной и индуктором порядка 100 мм). Сам индуктор для соблюдения достаточной прочности предполагается выполнить из
бронзы.
В качестве емкостного накопителя энергии рассмотрим использование
стандартного импульсного конденсатора с большим зарядным напряжением
ИК-60-2,3 [8], рассчитанным на амплитуду импульса тока до 200 кА. (зарядное
напряжение U0 = 60 кВ, емкость С = 2,3 мкФ, собственная индуктивность
L = 60 нГн).
17
2. ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
В первом приближении заменим шину цилиндрической трубкой, распо-
ложенной соосно с индуктором. Учитывая довольно частое расположение нитей в металлокорде, заменим его тонкими стальными цилиндрами: два цилиндра толщиной 1 мм, расположенных на расстоянии 1 мм друг от друга.
Оценим индуктивность и активное сопротивление индуктора в зависимо-
сти от частоты в рамках решения полевой задачи. Результаты представлены на
рис. 7.
Предельные значения для индуктивности могут быть оценены по упро-
щенным формулам [5].
На постоянном токе:
Гн10387,05.0
8
lnμ
6
ср
ср0
−
=
−
+=bl
R
RL
,
где Rср — средний радиус (215 мм),
l — длина в осевом направлении (200 мм),
b — толщина (50 мм).
Рис. 7. Эквивалентные параметры индуктора
без учета влияния стальных цилиндров, имитирующих металлокорд
На переменном токе в области высоких частот:
18
Гн1033,02
8
lnμ
6
ср
ср0
−
=
−=
g
R
RL
,
где g — среднее геометрическое расстояние периметра поперечного сечения
провода от самого себя.
Активное сопротивление соленоида на постоянном токе может быть оценено, если предположить, что проводник состоит из тонких проводящих слоев,
разделенных бесконечно тонкими изолирующими прослойками, вследствие чего токи протекают по окружностям [7]. В результате интегрирования по объему
витка, получим:
Ом1091,0
ln
πρ2
5
1
2
−
==
R
R
l
R
,
где ρ = 6,8×10
-8
Ом·м — удельное сопротивление бронзы,
R1 и R2 — соответственно, внутренний и внешний радиусы витка.
Приведенные оценки довольно точно совпадают с результатами полевой
задачи, что свидетельствует о хорошей точности расчета.
Учет наличия внутри индуктора тонких соосных проводящих цилиндров
мало влияет на индуктивность, но приводит к некоторому увеличению эквивалентного сопротивления (рис. 8).
Рис. 8. Влияние внутренних цилиндров на активное сопротивление индуктора:
сплошная линия — с учетом влияния металлокорда;
прерывистая линия — без учета влияния металлокорда
19
Ориентируясь на полученные результаты, в области высоких частот в качестве эквивалентных параметров индуктора можно взять: R = 0,5 Ом и
L = 0,315×10-6 Гн (значение индуктивности учитывает собственную индуктивность конденсатора).
Принимая во внимание малую величину активного падения напряжения в
широком диапазоне частот, следует ожидать колебательного разряда конденсатора на активно-индуктивную нагрузку. Полный ток во внешней цепи описывается хорошо известным выражением [5]:
( )
tIti
t
m
ωsine
δ−
=
,
где
( )
c
1
1016,1δωω
6
5.0
22
0
=−=
,
( )
c
1
10175,1
1
ω
6
5.0
0
==
LC
,
c
1
1016,0
2
δ
6
==
L
r
,
A10165,0
ω
6
0
=
L
U
I
m
.
Импульс тока показан на рис. 9.
Рис. 9. Расчетный токовый импульс
20
3. ОЦЕНКА МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ШИНЕ
Использование импульса тока рассчитанной формы в качестве источника
магнитного поля в рамках модели нестационарного магнитного поля позволяет
оценить величину вихревых токов и магнитного поля, имеющих место вблизи
поверхности стального цилиндра, что в свою очередь позволяет найти поверхностную силу, действующую на резину шины. Временное изменение силы в
области наибольших значений вихревых токов и индукции магнитного поля
(вблизи центральной части индуктора) показано на рис. 10.
Рис. 10. Изменение во времени поверхностной силы: сплошная линия —
рассчитанное воздействие, пунктиром показана аппроксимация силы выражением:
( )
tAtf
t
αsine
β−
=
,
где А = 1,914106 Н/м2,
β = 0,14106 1/с,
α = 0,2106 1/с.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]