废旧轮胎套装机设计
2020-11-13李明伟孟凡召杨永海
李明伟，孟凡召，陈 瑞，杨永海
(1.山东华宇工学院机械工程学院，山东 德州 253034；2.山东中茂圣源实业有限公司，山东 德州 253500)
0 引言
根据国家统计数据、海关总署数据、问卷调查数据、商务部采集数据等资料显示，我国每年的废旧轮胎以大约10%的速度递增。2013年，我国产生的废旧轮胎高达2.99亿条[1]。目前，我国废弃轮胎利用方式主要有翻新再利用、生产硫化胶粉以及生产再生胶等[2]。在重新利用之前，数亿计废旧轮胎的存放以及后续加工都是非常棘手的问题，解决废旧轮胎的存放方法是将轮胎粉碎也可以将轮胎套起来，选择哪种方式来减少其占地面积，取决于废旧轮胎变废为宝的方式。无污染的轮胎炼油是废旧轮胎再利用的可行方式。轮胎炼油首先要将轮胎融化，但轮胎并不是完全由橡胶构成，里面还含有增强轮胎寿命、增强弹性的骨架材料——钢丝帘线。如果将轮胎粉碎，轮胎里的钢丝帘线也将粉碎，不利于将其从橡胶中过滤出。所以采用轮胎炼油的方式减少占地面积，所用的轮胎必须为完整的轮胎。解决完整轮胎占地面积的方法是进行轮胎套装，尽管人们想到将轮胎胎侧切割掉，然后进行套装会节省一部分力气和时间，但第二道胎面套装的工序过程依旧费时费力。随着科技的不断进步、机械制造业的不断发展，人们越来越向往自动化的生产加工设备。通过增加轮胎密度的方式来减小占地面积，同时方便装车、卸车，转运便捷、高效。
1 现有废旧轮胎处理技术
解决轮胎存放最好的方法是将轮胎进行裂解。在废弃油品原料中加入特制催化剂，在中温下进行催化裂解，废弃油品和各种矿物油品均能达到裂解效果，裂解后得到的气体组分在固定床中进一步催化裂化，得到油品蒸汽。油品蒸汽进行分馏，分别收集汽油、柴油馏分，汽油、柴油馏分分别进行精制。整个工艺通过除杂的装置，不但保证了产品质量，且设备投资简单，体积可缩小，工艺简化，缩短了生产周期。得到的油品质量好，透明度高，可以达到矿泉水一样的效果，含碳量低，属于无铅汽油，可以达到国标93#汽油标准。
国内已有工程轮胎胎侧切割机[3]，由底座、内立柱、外立柱、水平连接臂以及轮胎切割机构组成。轮胎切割机构包括竖向切割刀具机构、旋转平台、回转支撑、回转支撑动力系统、张紧结构和张紧机构动力系统，竖向切割刀具与水平连接臂相连，回转支撑其中一个座圈与旋转平台相连接，回转支撑动力系统驱动该座圈转动，回转支撑的另一个座圈通过支柱与底座固定连接，张紧机构设置于旋转平台上表面，张紧机构动力系统驱动张紧机构撑起轮胎内圈，竖向切割刀具机构设置于水平连接臂的端部。
2 废旧轮胎套装作业分析
分析废旧轮胎套装的工艺过程，轮胎的套装主要分为两道工序。
第一，切割轮胎的胎侧，实现更多个轮胎进行套装的预想。
第二，胎侧直接堆叠，胎面套装。胎侧为平面直接按规格堆叠即可，胎面为圆柱环形，一层层挤扁套装是较为可行的方案。经调查，目前胎面套装过程主要由人工完成，不仅套装劳动强度大，而且套装结果不尽人意，套装间隙大，工作环境差，且这一工序对工人的身体损伤较大，可设计一款轮胎套装机代替人工作业。
3 套装机设计
为了实现胎面套装的机械化过程，可采用气压驱动的推杆挤压胎面成扁形，再配合人工在其外侧套装胎面，推杆实现抽离、复位、再次挤压外侧胎面，依次循环即可实现胎面的高密度套装过程。
设计的废旧轮胎套装机主要由三根立柱、顶出平台、三个气缸以及控制装置组成[4-6]。工作时，将轮胎胎面套在两固定立柱外侧，启动设备控制移动立柱，由图1所示的左侧初始位置向右移动至右侧位置，此时轮胎胎面被挤扁，三立柱外侧可重新套入废旧轮胎胎面。再控制设备驱动移动立柱向下移动，直到移动立柱的最上端低于套装工作台的工作平面，抽离已套装胎面，保持此位置，继续驱动移动立柱向左移动复位。然后控制设备驱动移动立柱向上移动复位。重复上述挤压、套装、复位等过程，直到压缩后的胎面略小于未压缩轮胎胎面的内径，已无法继续挤压套装时，按下设备顶出按钮，顶出气缸向上动作驱动工作平台将已经套装完成的轮胎从固定立柱上面顶出，完成轮胎胎面的套装工作。整个装置可以任意调节高度，操纵开关为按钮型，两个按钮一个控制挤压，一个控制顶出，操作简单，减少了对操作人员的身体损伤，改善了套装环境。设备底部设计有福马轮，可推动设备移动。
图1 废旧轮胎胎面套装机原理图Fig.1 Schematic diagram of waste tire surface baler
4 套装机特点
设计的废旧轮胎套装机有以下结构特点：第一，采用PLC系统控制，可靠性高，抗干扰能力强。第二，能实现连续套装。相比人工套装，劳动强度低，单包胎面套装个数多。第三，设计有顶出装置将套装完成的轮胎从固定立柱上顶出，操作简单、工作效率高。第四，气缸驱动与双导轨结构。气缸结构简单、故障率低，后期维护方便，且传动速度快，气缸推动双导轨上的滑块移动，滑块带动移动立柱移动，传动精度高，运行平稳，滚动摩擦的摩擦力小。第五，移动工作台可根据工人身高进行调节，方便换班生产。第六，设备底部设计有福马轮，旋转福马轮调节螺母，方便移动设备的同时，增加设备工作的稳定性。第七，可升级使用空间大。可以配置自动抓取上下料、码垛的机械手提高本装置的自动化水平，进一步降低劳动强度，也可以围绕本装置设计废旧轮胎处理生产线。
5 结语
该装置能够实现废旧轮胎胎面的自动化套装过程，大大降低劳动强度，提高轮胎套装的工作效率，以及轮胎套装的密度和质量，为后续轮胎裂解提供了便利，有利于提高废旧轮胎的回收利用率。
