с 01.01.2021 по настоящее время
Белгород, Белгородская область, Россия
УДК 62-97/-98 Рабочие характеристики (параметры)
ГРНТИ 55.69 Прочие отрасли машиностроения
ОКСО 15.03.02 Технологические машины и оборудование
ББК 347 Технология производства оборудования отраслевого назначения
ТБК 5533 Технология машиностроения
BISAC TEC000000 General
Статья посвящена проблеме утилизации изношенных автомобильных шин и резинотехнических изделий (РТИ), что представляет собой серьезную экологическую угрозу. В условиях увеличения числа автомобилей в России и, соответственно, роста отходов, особенно шин, необходимы эффективные методы их переработки. В статье описывается процесс удаления бортового кольца из шин различных. В процессе проведения эксперимента была изучена эффективность извлечения бортового металлического кольца из резиновой оболочки грузовых и крупногабаритных шин с использованием специализированного гидравлического оборудования. Эксперимент был направлен на определение необходимого усилия для извлечения бортового кольца, что является ключевым этапом в переработке использованных шин. Проведённые эксперименты позволили установить зависимости между усилием, необходимым для извлечения бортового кольца, и его характеристиками. Полученные данные могут быть использованы для разработки более эффективных методов переработки и создания оборудования, которое позволит оптимизировать процесс утилизации. Результаты демонстрируют, что значительная часть усилия расходуется на преодоление адгезии между металлической проволокой и резиновой оболочкой, что важно учитывать при разработке оборудования для переработки. Выводы исследования подчеркивают необходимость улучшения технологий переработки шин и их более безопасной утилизации.
утилизация резино-технических изделий (РТИ), переработка шин, крупногабаритные шины (КГШ)
Введение. В условиях стремительного развития автомобильной промышленности и увеличения числа транспортных средств по всему миру наблюдается экспоненциальный рост объёма отходов, включая изношенные шины и резинотехнические изделия (далее - РТИ). Отработанные покрышки и другие резиновые изделия чаще всего попадают не на перерабатывающие предприятия, а на свалки, где они занимают значительное пространство и могут привести к загрязнению почвы и водных ресурсов, нанося ущерб природе [1-5].
В соответствии с Федеральным классификационным каталогом отходов [6], использованные шины относятся к IV классу опасности – малоопасные. Данный тип отходов после загрязнения окружающей среды требует короткого срока восстановления, но при больших объемах и длительном хранении, существует риск возгорания отработанных покрышек. Вещества, которые выделяются при горении резиновых изделий, принадлежат к I и II классу опасности. Они могут причинить серьезный вред здоровью человека и окружающей среде.
По исследованию Невядомской А.И. [7] к 2015 году, количество отработанных шин достигало порядка 900 тысяч тонн в год (рис. 1). Примерно половина из них является шинами со значительными габаритами: грузовые, шины специального назначения и крупногабаритные шины. В 2022 году в России объём резинотехнических отходов, включая использованные шины, оставался значительным, с общим объёмом, превышающим 1 миллион тонн в год. По данным Росприроднадзора, шины и другие резинотехнические изделия образуют значительную долю отходов IV класса опасности.
В Российской Федерации обращение с отходами, включая переработку использованных шин, регулируется рядом нормативно-правовых актов. В соответствии с Федеральным законом № 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления» [9] деятельность по сбору, транспортировке, обработке, утилизации, обезвреживанию и размещению отходов I-IV классов опасности подлежит лицензированию. Этот закон устанавливает определенные требования к хранению, утилизации и транспортированию отходов и к лицам, осуществляющим данную деятельность.
К основным методам утилизации резинотехнических изделий относят пиролиз, сжигание, регенерацию резины и механическая переработка. Каждый из этих методов имеет свои плюсы и минусы, и выбор конкретного способа зависит от экономической целесообразности, доступных технологий и экологических стандартов. Механическая переработка резинотехнических изделий (РТИ) в резиновую крошку пользуется популярностью среди предпринимателей благодаря её технологической и экономической выгоде. Это связано с наличием широкого спектра оборудования в различных ценовых сегментах. Количество необходимого оборудования может варьироваться в зависимости от состава, типоразмера и конструкции шины [10–12].
Рис. 1. Общий объём отработанных шин в РФ за 2010-2015 гг., тыс. тонн. [7]
Размер и эксплуатационные параметры шины влияют на состав её компонентов. Чем больше шина, тем меньше металла в её составе и больше резины и текстиля. Легковые и небольшие грузовые шины, как правило, оснащены цельнометаллическим кордом и бортовым кольцом, которое соответствует диаметру проволоки корда. Это позволяет измельчать их в один этап без предварительной обработки, отправляя шину сразу на измельчение, где происходит разделение на резиновую крошку и металлолом [13].
Для утилизации грузовых и крупногабаритных шин путем переработки, такой как механическое измельчение или термическое разложение, необходима предварительная обработка. В зависимости от размера шины – это может включать нарезание на чипсы и/или удаление бортового кольца. Удаление бортового кольца обычно осуществляется с помощью специального оборудования, которое извлекает металлическую проволоку из борта покрышки [14].
Основная часть. Процесс удаления бортового кольца схематично можно разложить на несколько составляющих, показанных на рис. 2. Колесо 3 поступает в рабочее пространство оборудования и вешается на крюк 1. Рабочее движение начинается с захвата крюком 1 бортового кольца 4, после чего резиновый борт колеса 5 упирается в мишень 2 (рис. 2, а). После достижения силы, необходимой для извлечения бортового кольца, крюк 1 постепенно вытягивает бортовое кольцо 4 (рисунок 2, б) через мишень оборудования. Рабочий цикл заканчивается при полном извлечении бортового колеса из борта покрышки.
Важной характеристикой, от которой зависят габариты и масса конструкции, а также электродвигатель или насосная станция оборудования для извлечения бортового кольца, является усилие необходимое для извлечения бортового кольца.
В начале работы установки возникает пик усилия, необходимого для извлечения бортового кольца. При удалении бортового кольца из слоя с одинаковой площадью, разрезаемой резиновой оболочки рабочее усилие выравнивается. Далее рабочее усилие постепенно возрастает в процессе удаления и на окончательной стадии после полного удаления бортового кольца резко падает до значений холостого хода. [15]
Для определения необходимого усилия для извлечения бортового кольца из борта грузовых и крупногабаритных шин, был проведен промышленный эксперимент с применением специализированного гидравлического оборудования. В качестве устройства для измерения давления в рабочей полости гидроцилиндра использовался манометр ДМ02-100-1-М Кл 1.5, устанавливается на входе масла в гидроцилиндр. Диапазон показаний 0–250 кгс/см2 (0–25 МПа), погрешность измерения 1,5±1.5 кгс/см2. Гидроцилиндр имеет внутренний диаметр D=190 мм и диаметр штока d = 140 мм. Подробное описание конструкции и методики сбора данных описаны в [15].
Эксперимент проводился с использованием 11 различных типоразмеров грузовых и крупногабаритных шин, характеристики которых приведены в таблице 1.
Рис. 2. Процесс выдергивания бортового кольца из шины
Таблица 1
Характеристики утилизируемых шин
|
№ |
Шина |
Внешний диаметр, мм |
Посадочный диаметр шины, мм |
Площадь бортового кольца, мм2 |
Pmax, кгс/см2 |
Макс. сила извлечения, кН |
Кол-во дублир. опытов, шт |
|
265/70 R19.5 |
871 |
495,3 |
208 |
147,5 |
187,470 |
2 |
|
|
2 |
385/55 R22.5 |
997 |
571,5 |
223 |
150 |
190,647 |
2 |
|
3 |
315/70 R22.5 |
1024 |
571,5 |
218 |
155 |
197,002 |
4 |
|
4 |
11 R22.5 |
1062 |
571,5 |
207 |
152,5 |
193,825 |
4 |
|
5 |
385/65 R22.5 |
1078 |
571,5 |
234 |
153,75 |
195,414 |
4 |
|
6 |
315/80 R22.5 |
1080 |
571,5 |
420 |
170 |
216,067 |
2 |
|
7 |
11.00 R20 |
1082 |
508 |
198 |
150 |
190,647 |
2 |
|
8 |
360/70 R24 |
1154 |
609,6 |
222 |
145 |
184,292 |
2 |
|
9 |
14.00-20 Я-307 |
1220 |
508 |
455 |
190 |
241,487 |
1 |
|
10 |
17.5 – 25 L-3 |
1350 |
635 |
357 |
132,5 |
168,405 |
2 |
|
11 |
18.4 - 26 |
1425 |
660,4 |
362 |
142,5 |
181,115 |
2 |
Исследуемые шины можно условно разделить на 3 группы по величине максимальной силы извлечения. 1я группа: диапазон 180 кН – 200 кН; 2я группа: свыше 200 кН; к 3ей группе относятся шины № 10 и № 11 с надрезом бортовой части по диаметру бортового кольца, максимальная сила извлечения: 165 кН – 185 кН.
Рис. 3 Основание борта шин 1й группы
Рис. 4. Основание борта шин 2й группы
Рис. 5. Основание борта шин 3й группы
На рис. 3, рис. 4 и рис. 5 представлены основания бортов шин 1, 2 и 3 группы, соответственно, с указанием типоразмера утилизируемой шины, площади металлического бортового кольца S_k и площади резиновой оболочки S_b.
Диаграммы зависимости рабочего давления в гидроцилиндре от времени для групп 1, 2 и 3 представлены на рис. 6 и рис. 7.
Рис. 6. Диаграммы изменения давления в системе при извлечении бортового кольца из шин 1 группы
На рис. 6 показаны графики изменения рабочего давления в гидравлической системе в процессе извлечения бортового металлического кольца шин 1й группы. У шин 265/70 R22.5, 385/55 R22.5, 11 R22.5, 11 R20 присутствует ярко выраженный начальный пик рабочего давления в 140-150 кгс/см2, возникший на 2-3 сек с начала работы гидропривода. Это связано с большой площадью разрываемой резиновой оболочки борта колеса. При извлечении бортового кольца из шины 385/65 R22.5 в начальный момент тоже присутствует пик рабочего давления, но он происходит значительно позже, на 5-6 сек и достигает отметки в 135 кгс/см2. Далее при продолжении извлечения на некоторых шинах (265/70 R22.5, 385/55 R22.5, 385/65 R22.5) происходит спад рабочего давления в системе, так как площадь резиновой оболочки борта колеса уменьшается и остаётся постоянной вплоть до окончания процесса извлечения. При извлечении бортового кольца из шин 11 R22.5, 11 R20 рабочее давление системы не спадает и какое-то время поддерживает максимальное значение в 140-150 кгс/см2. В конце извлечения бортового кольца у шин 265/70 R22.5, 385/65 R22.5, 11 R20 присутствует финальный пик рабочего давления. Финальный пик всегда сопровождается резким сбросом рабочего давления до значения холостого хода системы (80 кгс/см2)/
На рис. 7 представлены графики изменения рабочего давления в системе во времени при извлечении бортового металлического кольца шин 2й и 3й группы.
Ко 2й группе относятся КГШ шины 315/80 R22.5 и 14-20 Я. Отличие данных шин от 1й группы в том, что максимальное значение рабочего давления достигает 170 кгс//см2 и выше. Также для данной группы шин характерны периодические всплески рабочего давления, доходящие до 160-190 кгс//см2, после чего рабочее давление устремляется вниз практически до значения холостого хода (80-100 кгс//см2). Такие всплески связаны с тем, что бортовое металлическое кольцо КГШ может не до конца извлечься из резинового борта и застрять в мишени упорной плиты, что может послужить причиной для разрыва бортового кольца, поэтому оператор оборудования сбрасывал давление в системе до значения холостого хода, а затем снова нагнетал его до максимального.
Группа 3 включает в себя покрышки 17.5 – 25 L-3 и 18.4 – 26, габаритные размеры которых превышают размеры покрышек из группы 2. Но в исследуемых покрышках был выполнен надрез бортовой части колеса по диаметру бортового кольца. В процессе извлечения бортового кольца из шин 3й группы также присутствуют начальные и конечные пики рабочего давления в системе, при чём начальный пик имеет большее значение рабочего давления и достигает
140–150 кгс/см2, конечные пики достигают 125–135 кгс/см2.
Рис. 7. Диаграммы изменения давления в системе при извлечении бортового кольца из шин групп 2 и 3
В бортовых кольцах обычно используется стальная проволока высокой прочности, так как она обеспечивает надежную фиксацию шины на ободе колеса. Марка проволоки может варьироваться в зависимости от требований производителя и типа шины, но чаще всего применяются проволоки из углеродистой стали с высоким пределом прочности, высокими адгезионными параметрами для прочной связи крепления проволоки с резиновой оболочкой и антикоррозийными покрытиями для увеличения срока службы. Спецификации на бортовые кольца могут включать ГОСТы, такие как 14959-2016, 1071-81 или 26366-84 для стальной проволоки.
В общем случае усилие необходимое для извлечение бортового кольца можно представить следующей формулой:
(1)
где 
– усилие необходимое для извлечения бортового кольца, Н;
–усилие, необходимое для преодоления адгезии между стальной проволокой и резиновой оболочкой, Н:
– усилие, необходимое для разрыва резиновой оболочки бортовой части колеса, Н;
– усилие, затрачиваемое на деформацию бортового колеса, Н;
– усилие, затрачиваемое на преодоления силы трения и других вредных факторов, Н;
– усилие, суммарное разрывное усилие всех проволок в бортовом кольце, Н.
В процессе извлечения бортового кольца необходимо не превышать усилие, которое может привести к разрыванию бортового кольца, которое затрудняет дальнейшую переработку. Бортовое кольцо покрышки состоит из n шт. стальных проволок и резины, которая скрепляет проволоки между собой. Соответственно суммарное разрывное усилие 
всех проволок в бортовом кольце вычисляют по результатам испытания на растяжение по формуле (2):
(2)
где n – количество испытанных проволок;
– разрывное усилие одной проволоки, Н;
– коэффициент упрочнения бортового кольца резиновым слоем [1-1.25];
Расчетное разрывное усилие проволоки определяется по формуле (3):
(3)
где 
– предел прочности стальной проволоки, Па;
– площадь поперечного сечения проволоки, м2;
Так как бортовое кольцо состоит из замкнутых проволок одного диаметра, то подставляя формулу (3) в (2) усилие необходимое для разрывания бортового кольца (Po) можно представить в виде уравнения (4):
(4)
где 
– кол-во проволок в бортовом кольце;
– площадь поперечного сечения бортового кольца, м2;
Согласно ГОСТ 26366-84 предел прочности для проволоки 1Л/1ЛА составляет
[1770–2060] МПа. Подставляя данное значение в (4), получим график зависимости разрывного усилия (Po) от площади сечения бортового кольца ( ), представленный на рис. 8.
Линией обозначен нижний предел необходимого усилия для разрыва проволоки бортового кольца в зависимости от площади поперечного сечения. Точками указаны значения максимального усилия, приложенных к крюку при извлечении бортового кольца в утилизируемых шинах (табл. 1).
Рис. 8. Диаграмма зависимости необходимого усилия для разрыва бортового кольца от площади бортового кольца КГШ
Как видно из рис. 8 максимальное усилие при извлечении бортового кольца не доходит до нижнего предела прочности проволоки, но при извлечении бортового кольца из крупногабаритной шины 14.00-20 Я-307 (опыт №9, табл. 1) (рис. 8) с внешним диаметром 1220 мм без диаметрального надреза рабочее давление достигло максимальной точки в 195 кгс/см2 в гидроцилиндре, после чего произошёл разрыв металлического бортового кольца в месте «протягивания» бортового кольца через мишень упорной плиты устройства. Это обусловлено тем, что резиновый борт покрышки с металлической проволокой внутри застрял в отверстии мишени оборудования, что привело к разрыву кольца.
Процесс извлечения бортового металлического кольца из резиновой оболочки представляет собой сложную задачу как с физической, так и с геометрической точки зрения. Силу, необходимую для извлечения, можно разложить на несколько составляющих (1). Одна из них — это сила, которая требуется для преодоления адгезионной прочности между резиновым слоем и металлической проволокой:
(5)
где 
–сдвиговое напряжение, Па;
– площадь поверхности соприкосновения проволоки с резиновой оболочкой, м2;
– толщина бортового кольца, м
– длина участка контакта бортового кольца и резиновой оболочки, м;
По ГОСТ 26366-84 прочность связи металлической проволоки, диаметром 1 мм, с резиновой оболочкой, шириной 10 мм, составляет 206 Н. Подставляя данные в (4), можно вычислить сдвиговое напряжение:
(6)
Величина усилия, необходимого на преодоление адгезии, прямо пропорциональна площади поверхности контакта металлической проволоки с резиновым бортом. При извлечении бортового кольца, площадь контакта постоянно меняется, так как бортовое кольцо изгибается в двух местах и процесс отслоения резины с металлическим кордом проходит не равномерно, а скачками.
При извлечении бортового кольца из шин 3й группы, был проведён диаметральный разрез бортовой части колеса, таким образом усилием 
, необходимым для разрыва резиновой оболочки можно пренебречь. Для компенсации усилий 
, введём поправочный коэффициент К, равный 0,9. Таким образом, уравнение 1 будет иметь вид:
(7)
На рис. 9 изображено усилие для преодоления адгезионной прочности во времени для исследуемых шин 3ей группы.
Рис. 9. Усилие, необходимое для преодоления адгезии между стальной проволокой и резиновой оболочкой
во времени для колёс 3-й группы
Сравнивая процессы при извлечении бортовых колец из колес схожих по техническим характеристикам 18.4-26 группы 3 и 315/80 группы 2, можно сделать вывод, что на преодоление адгезии между металлом и резиновым слоем уходит около 60 % от общего усилия.
Выводы. В данной статье была представлена комплексная оценка процесса извлечения бортового металлического кольца из резиновой оболочки грузовых и крупногабаритных шин. Путем экспериментальных исследований установлены ключевые факторы, влияющие на эффективность этого процесса, такие как характеристики шин, их типоразмеры и особенности конструкции. Результаты эксперимента продемонстрировали, что наличие адгезии между резиновым бортом и металлическим кольцом требует значительных усилий для преодоления, что подчеркивает важность оптимизации технологии извлечения. Полученные данные могут быть использованы для дальнейших исследований и разработки более эффективных методов утилизации шин, что, в свою очередь, способствует сокращению негативного воздействия на окружающую среду.
1. Шаховец С.Е., Курлянд С.К., Сиротинкин Н.В., Рюткянен Е.А. О состоянии макромолекулярной структуры протекторных резин в течение эксплуатации и переработки шин // Известия СПбГТИ (ТУ). 2019. №51 (77) С. 39–41.
2. Grinchuk P.S., Fisenko S.P. Heat Exchange with Air and Temperature Profile of a Moving Oversize Tire // J Eng Phys Thermophy 2016. №89. Pp. 1369–1373. DOIhttps://doi.org/10.1007/s10891-016-1503-8
3. Федосеев И. В, Баркан М. Ш., Прохоцкий Ю. М, Ласкина Н.Е., Логинова А.Ю. Технология утилизации отработанных резинотехнических изделий // Экологические системы и приборы. 2013. № 8. С. 32–39.
4. Goryunov S., Khoreshok A., Grigoryeva N., Preis E., Alitkina O. The research of operational temperatures of dump trucks tires // E3S Web of Conferences. The conference proceedings Sustainable Development of Eurasian Mining Regions: electronic edition. 2019. DOIhttps://doi.org/10.1051/e3sconf/201913401014
5. Zhetesova G.S., Dandybaev E.S., Zhunuspekov D.S, Zhekibaeva K.K. Improvement of the organization of maintenance and repair of dump-cars // Material and Mechanical Engineering Technology. 2020. № 1. Pp. 33–38 DOIhttps://doi.org/10.17580/gzh.2022.04.15
6. Приказ Росприроднадзора от 22.05.2017 № 242 (ред. от 02.11.2018) Об утверждении Федерального классификационного каталога отходов (с изм. и доп., вступ. в силу с 04.10.2021).
7. Невядомская А. И., Дериглазов А. А. Утилизация и переработка шин в крошку // Молодой ученый. 2014. № 17 (76). С. 310–313.
8. Перлина Ж.В., Марьев В.А., Шувалов Ю.А. Переработка использованных шин: международный опыт // Твердые бытовые отходы. 2012. № 12(78). С. 58–63
9. Федеральный закон от 24.06.1998 № 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления» (Принят ГД РФ 22.05.1998, действующая редакция)
10. Bochkaryov Y., Ishkov А. Тhe operational reliability of quarry dump trucks belaz-7540 in the placer deposits // 20th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2020. Pp. 325–332. DOI:https://doi.org/10.5593/sgem2020/1.2/s03.042
11. Лучин И.В., Кравченко И.М, Конкин М.Ю. Методика расчёта процесса разрушения изношенных автомобильных шин и резино-технических изделий при утилизации // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2014 №8.4. С. 11–15.
12. Кострова З.А., Михеев А.В., Бушуева М.Е., Беляков В.В., Митяков С.Н. Утилизация пневматических и безвоздушных шин // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2016. № 3(114). С. 120–130.
13. Чуев К.В., Кравченко В.М., Мутовалов Э.А. Основные виды утилизации резинотехнических изделий // Образование. Наука. Производство: Сборник докладов XV Международного молодежного форума, Белгород, 23–24 октября 2023 года. Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2023. С. 49–52.
14. Пат. 201698, Российская Федерация, МПК B29B 17/02. Установка для удаления троса из боковой части шины при утилизации: / В.Я. Дуганов, Н.А. Архипова, К.В. Чуев, Ю.А. Чуева; заявитель ФГБОУ ВО «БГТУ им. Шухова» № 2020133204 : заявл. 08.10.2020 : опубл. 28.12.2020
15. Дуганов В.Я., Дуюн Т.А., Чуев К.В., Архипова Н.А., Кравченок В.М., Чуева Ю.А. Проблемы утилизации крупногабаритных автомобильных шин // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2023. № 11. С. 103–112. DOI:https://doi.org/10.34031/2071-7318-2023-8-11-103-112
16. Duganov V.Ya., Duyun T.A., Chuev K.V., Arhipova N.A., Kravchenok V.M., Chueva Yu.A. Problems of recycling large car tires [Problemy utilizacii krupnogabaritnyh avtomobil'nyh shin]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov 2023. No. 11. Pp. 103–112. DOI:https://doi.org/10.34031/2071-7318-2023-8-11-103-112. (rus)
