Способ дезинтеграции материалов и устройство для его осуществления

Изобретение относится к технологии обработки эластомеров и многокомпонетных материалов, включающих эластомеры, и может быть использовано для переработки изношенных шин. Способ дезинтеграции материалов включает воздействие на материал вращающимся обрабатывающим инструментом, скорость вращения и число рабочих частей которого выбирают из условия обеспечения возникновения в зоне обработки материала высокочастотных колебаний в акустическом и/или ультразвуковом диапазонах. Обрабатываемый материал подвергают предварительной подготовке с целью увеличения его жесткости и изменения частоты собственных колебаний. Обеспечивают ударно-волновое воздействие инструмента в единицу времени за счет изменения скорости вращения инструмента до соответствия частоты ударов инструмента частоте собственных колебаний обрабатываемого массива. Для осуществления способа предусмотрено устройство для дезинтеграции материалов, включающее обрабатывающий инструмент с совокупностью рабочих частей, соединенный с приводом. Устройство снабжено системой предварительной подготовки обрабатываемого материала, выполненной в виде фильеры, установленной на неподвижной опоре, и системой принудительной подачи обрабатываемого материала в виде совокупности вращающихся валков, подающих обрабатываемый материал в фильеру, выходное отверстие которой расположено с минимальным зазором относительно обрабатывающего инструмента, оказывающего на обрабатываемый материал ударно-волновое воздействие с высокой частотой. Неподвижная опора выполнена в виде столика, форма и профиль которого выбрана из условия организации его боковыми гранями пилообразного профиля кумулятивных волн разгрузки. Устройство снабжено регулятором скорости вращения обрабатывающего инструмента. Изобретение обеспечивает эффективную обработку различных материалов. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к технологиям обработки эластомеров и мнгокомпонентных материалов, включающих эластомеры, и может быть использовано в различных технологических процессах, например, для переработки изношенных автомобильных и авиационных шин при их утилизации.

Для оценки новизны и изобретательского уровня заявленного технического решения рассмотрим ряд известных из уровня техники решений аналогичного назначения.

Известен способ обработки материалов с магнитострикционными компонентами в сростках рудной и нерудной фаз, включающий воздействие на них переменным магнитным полем и механической нагрузкой, согласно которому воздействие магнитным полем осуществляют в диапазоне звуковых частот с напряженностью в области проявления магнитострикционного эффекта, после чего без задержки во времени воздействуют механической нагрузкой, см. а.с. СССР №1811421, В 02 С 19/18.

Недостатками данного способа являются низкая эффективность при обработке пластичных материалов, невозможность использования при переработке изношенных шин.

Известен способ обработки и переработки материалов, при котором воздействуют на обрабатываемый материал перемещающимся режущим инструментом и создают в зоне обработки материала колебания ультразвуковой частоты, см. патент Великобритании №2004200.

Недостатками аналога является низкая эффективность обработки эластомеров, обусловленная их высокой пластичностью, высоким коэффициентом трения.

Известен способ обработки и переработки материалов, заключающийся в воздействии на обрабатываемый материал перемещающимся режущим инструментом и создании в зоне обработки материала колебаний ультразвуковой частоты, характеризующийся тем, что при обработке и переработке материалов задают мощность привода не менее 100-300 кВт, скорость вращения обрабатывающего инструмента выбирают 3000-12000 об/мин, число режущих кромок инструмента выбирают из соотношения ω·n>800, где ω - угловая скорость вращения инструмента, n - число режущих кромок инструмента, и угол атаки инструмента выбирают 85-95° и удаляют отделившиеся части материала, заглубленные в режущую часть обрабатывающего инструмента потоком среды, состоящей из газа или жидкости или их совокупности, поток среды подают под избыточным давлением и подают обрабатываемый материал к инструменту или наоборот в возвратно-поступательном или старт-стопном режиме, см. патент РФ №2162411, В 29 В 17/00, В 02 С 19/18, В 02 С 19/22, автором изобретения по которому является автор заявленного изобретения.

По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату данное техническое решение выбрано за наиболее близкий аналог первого независимого объекта настоящего изобретения.

В прототипе реализуют дезинтеграцию эластомеров в условиях высокой частоты и скорости обработки за счет вывода автоколебаний, неизбежно возникающих в системе "инструмент-материал", на более высокие резонансные частоты, обеспечивающие в зоне воздействия рабочих частей обрабатывающего инструмента на обрабатываемый материал кумулятивных струй с высокой плотностью энергии, достаточной для образования в теле обрабатываемого материала опережающих трещин. При этом создают условия, обеспечивающие при воздействии режущего инструмента разрушение эластомеров и повышение чистоты поверхности при обработке металлов.

В то же время в прототипе отсутствует возможность наиболее эффективной работы по дезинтеграции материалов на резонансных частотах массива обрабатываемого материала, что приводит к неоправданным затратам энергии, снижает эффективность получения в качестве выходного продукта аллотропных соединений углерода, например фуллеренов.

Указанное обусловлено тем, что в прототипе отсутствуют средства для оценки собственных частот обрабатываемого массива, отсутствует возможность изменения собственных частот обрабатываемого массива, а также отсутствует возможность изменения скорости вращения обрабатывающего инструмента с целью обеспечения различных линейных скоростей для выбора конечного желаемого вида продукта дезинтеграции и обязательного соответствия ультразвуковой частоты воздействия обрабатывающего инструмента на массив обрабатываемого материала резонансной частоте этого массива, не организовано ударно-волновое воздействие инструмента с частотами, в том числе ультразвуковыми, на объект.

Сущность первого независимого объекта заявляемого изобретения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше технического результата.

Способ дезинтеграции материалов, включающий воздействие на материал вращающимся обрабатывающим инструментом действия, скорость вращения и число рабочих частей которого выбирают из условия обеспечения возникновения в зоне обработки материала высокочастотных колебаний в акустическом и/или ультразвуковом диапазонах, характеризуется тем, что обрабатываемый материал подвергают предварительному воздействию с целью увеличения его жесткости и изменения частоты собственных колебаний, после чего обеспечивают подачу обрабатываемого материала к инструменту со скоростью, обеспечивающей отсутствие перегрева обрабатываемого материала, при этом обеспечивают ударно-волновое воздействие инструмента на обрабатываемый материал путем подбора частоты ударов инструмента в единицу времени за счет изменения скорости вращения инструмента до соответствия частоты ударов инструмента частоте собственных колебаний обрабатываемого массива.

В этом заключается совокупность существенных признаков первого независимого объекта изобретения, обеспечивающая получение указанного выше технического результата.

Кроме этого, первый независимый объект заявленного изобретения имеет признаки, характеризующие частные случаи его реализации, а именно:

- при изменении в скорости вращения инструмента, приводящей к попаданию в нежелательный режим линейных скоростей обработки, оптимизацию режима осуществляют за счет изменения собственных колебаний обрабатываемого массива;

- мощность привода обрабатывающего инструмента выбирают из условия обеспечения при обработке материала времени, необходимого для начала образования в обрабатываемом материале трещин;

- диапазон скоростей вращения обрабатывающего инструмента разделяют на ряд поддиапазонов, при этом конкретный поддиапазон выбирают исходя из желаемого конечного вида продуктов дезинтеграции.

Для оценки новизны и изобретательского уровня второго независимого объекта заявленного технического решения рассмотрим ряд известных из уровня техники решений аналогичного назначения.

Известно устройство для измельчения резиновых отходов, содержащее камеру давления с отверстиями для сжижения и размещенный в камере с возможностью перемещения в осевом направлении поршень, в котором с целью снижения расхода энергии на измельчение отходов и необходимого давления отверстия выполнены в поперечном направлении к оси корпуса, см. патент РФ №1122211, В 29 Н 19/00.

Недостатками данного устройства являются сложность конструкции, обуславливающая низкую надежность, низкую эффективность и высокую стоимость переработки резиновых отходов.

Известно устройство для обработки и переработки материалов, содержащее корпус с патрубками для ввода исходного материала и вывода готовой продукции, внутри которого на валу установлен обрабатывающий инструмент, соединенный с приводом, и поверхность обрабатывающего инструмента образована совокупностью режущих кромок, см. а.с. СССР №1066643.

Известно устройство для обработки и переработки материалов, содержащее корпус с патрубками для ввода исходного материала и вывода готовой продукции, внутри которого на валу установлен обрабатывающий инструмент, соединенный с приводом, и поверхность обрабатывающего инструмента образована совокупностью режущих кромок, отличается тем, что между смежными режущими кромками выполнены заглубленные в корпусе обрабатывающего инструмента каналы, полости которых посредством фигурных каналов сообщены с источником среды под давлением, а угол атаки режущих кромок выбран в пределах 85-95°, мощность привода составляет от 100 до 300 кВт и скорость вращения инструмента выбрана 3000-12000 об/мин, а также тем, что обрабатывающий инструмент выполнен в виде набора стянутых шпильками дисков, на периферии каждого из которых выполнены режущие кромки, а на боковых поверхностях - выемки, образующие фигурные каналы для подачи среды под давлением, см. патент РФ №2162411.

По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату данное известное техническое решение выбрано за наиболее близкий аналог второго независимого объекта изобретения.

В основу изобретения положено решение задачи создания высокопроизводительного устройства для дезинтеграции, различных материалов, в особенности эластомеров.

Сущность второго независимого объекта заявляемого изобретения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше технического результата.

Устройство для реализации вышеописанного способа дезинтеграции материалов, включающее соединенный с приводом обрабатывающий инструмент ударно-периодического действия с совокупностью рабочих частей, характеризуется тем, что оно снабжено системой предварительной подготовки обрабатываемого материала, выполненной в виде фильеры, установленной на неподвижной опоре, и системой принудительной подачи обрабатываемого материала в виде совокупности вращающихся валков, подающих обрабатываемый материал на фильеру, выходное отверстие которой расположено с минимальным зазором относительно обрабатывающего инструмента, воздействие которого на обрабатываемый материал организовано в виде ударно-волнового воздействия с высокой, в т.ч. ультразвуковой, частотой, при этом неподвижная опора выполнена в виде столика, форма и профиль которого выбрана из условия организации его боковыми гранями волн разгрузки, кроме того, установка снабжена регулятором скорости вращения обрабатываемого инструмента, вентиляторной системой охлаждения рабочей зоны и обрабатывающего инструмента, а также системой отвода и сепарации продуктов дезинтеграции, включающей вентилятор, охладитель и магнитный сепаратор.

В этом заключается совокупность существенных признаков второго независимого объекта изобретения, обеспечивающая получение указанного выше технического результата.

Кроме этого, второй независимый объект изобретения характеризуется рядом факультативных признаков, характеризующих частные случаи его реализации:

- величину зазора между выходным срезом окна фильеры и рабочим инструментом выбирают из условия обеспечения возможности развития в выходящем из окна фильеры обрабатываемом материале эластичных деформаций, встречных ударному воздействию обрабатывающего инструмента;

- обрабатывающий инструмент ударно-волнового действия может быть выполнен со смещением смежных рабочих частей друг относительно друга.

Заявленное техническое решение является новым, так как заявленные независимые объекты характеризуются единым изобретательским замыслом и наличием новых совокупностей признаков, отсутствующих в известных из уровня техники аналогичных решениях.

За счет реализации существенных признаков изобретения достигаются важные новые свойства объекта, заключающиеся в повышении эффективности обработки различных материалов, в особенности эластомеров, а также в повышении однородности готового продукта за счет вышеописанного сочетания заявленных факторов, параметров и условий обработки.

Указанное позволяет признать заявляемое техническое решение соответствующим критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен вид сверху заявленного устройства, на фиг.2 - то же, но вид сбоку, на фиг.3 - разрез по фильере системы предварительной обработки материала.

Устройство для дезинтеграции материалов включает обрабатывающий инструмент 1 ударно-периодического действия с совокупностью рабочих частей, соединенный с приводом 2, снабженным регулятором скорости вращения (не показан). Средства для охлаждения обрабатывающего инструмента выполнены в виде совокупности вентиляторов 3 и вентилятора 4 для отвода воздуха из зоны обработки. Система предварительной подготовки обрабатываемого материала выполнена в виде фильеры 5, установленной на неподвижном столике, и системы принудительной подачи обрабатываемого материала, выполненной в виде совокупности вращающихся валков 6, подающих обрабатываемый материал 7 (изношенную автомобильную шину с металлическим кордом) на фильеру 5, выходное окно 8 которой расположено с зазором порядка 10 мкм относительно обрабатывающего инструмента 1. Установка также снабжена системой отвода и сепарации продуктов дезинтеграции, включающей вентилятор 9, охладитель 10 и магнитный сепаратор 11.

Способ дезинтеграции материалов с помощью заявленного устройства реализуют следующим образом.

Валки 6 системы предварительной подготовки материала подают подлежащий дезинтеграции материал 7, например изношенную автомобильную шину, в фильеру 5, окно 8 которой имеет переменное сечение. Происходит сжатие шины, в результате чего повышается ее жесткость и шина подается на обрабатывающий инструмент 1 через зазор, величину которого выбирают исходя из условий обеспечения возможности развития в обрабатываемом материале необходимой эластичной деформации. Форма столика фильеры 5 имеет регулярный пилообразный профиль, который выбирается расчетным путем и должен боковыми гранями организовывать волны разгрузки, а угол между ними определяет мощность кумулятивной струи. При деформации эластомера на плоскости рабочего столика необходимо обеспечить полноценную реакцию опоры (волны разгрузки), а также избежать затаривания эластомера под столик без его дезинтеграции. Это достигается выбором расстояния между обрабатывающим инструментом 1 и столиком фильеры 5 не менее 10 мкм, а также выбором угла подъема столика, который выбирают равным 0,8 угла трения между эластомером - резиной и материалом столика.

Поверхность обрабатывающего инструмента 1 снабжена достаточным количеством режущих кромок. Угол атаки режущих кромок выбран в пределах 85-95°. Мощность привода 2 составляет 100-300 кВт, скорость вращения инструмента 1 составляет 3000-12000 об/мин. Скорость вращения обрабатывающего инструмента 2, а также количество режущих кромок обрабатывающего инструмента 1 выбирают из условия создания в зоне обработки колебаний ультразвуковой частоты. Большое количество режущих кромок на обрабатывающем инструменте 1 увеличивает количество единичных ударных воздействий обрабатывающего инструмента на обрабатываемый материал 7. Воздействие инструмента на обрабатываемый материал организовано в виде ударно-волнового воздействия с высокой, в т.ч. ультразвуковой, частотой. Ультразвуковые колебания, воздействуя на обрабатываемый материал 7 в зоне обработки, существенно снижают энергетические затраты на обработку за счет повышения температуры стеклования эластомеров, а также за счет энерговыделения на границах и дефектах структуры обрабатываемого материала, который разрушается по границам надмолекулярных структур, в результате чего продукт дезинтеграции представляет собой крошку с размером не более 2 мкм. С помощью регулятора скорости вращения обрабатывающего инструмента 1 можно добиться соответствия ультразвуковой частоты воздействия обрабатывающего инструмента 1 на обрабатываемый массив резонансной частоте этого массива, что повышает эффективность работы. Посредством выбора диапазона скоростей обработки можно получать желаемый вид конечных продуктов дезинтеграции.

Охлаждение рабочей зоны и обрабатывающего инструмента 1 производится за счет вентиляторного эффекта, создаваемого самим обрабатывающим инструментом 1, а также с помощью совокупности вентиляторов 3 и вентилятора 4 для отвода воздуха из зоны обработки.

Продукты дезинтеграции (горячая крошка с частицами металлического корда шины) отводятся вентилятором 9 к охладителю 10, где они остывают ниже точки Кюри, а затем поступают на магнитный сепаратор 11 ударного действия, где происходит сепарация металлических включений. Система отвода и сепарации продуктов дезинтеграции исключает образование застойных зон, где возможно возгорание горячей крошки. Кроме того, предусмотрены средства для снятия с элементов установки электростатических зарядов. В дальнейшем резиновая крошка отделяется от дымового потока, который очищается и используется в замкнутом цикле для охлаждения и транспорта потока.

Использование заявленного изобретения по сравнению со всеми известными средствами аналогичного назначения обеспечивает существенное повышение эффективности обработки материалов, в том числе эластомеров и многокомпонентных материалов, включающих металлы. При обработке эластомеров, например изношенных автомобильных шин с металлическим кордом, достигаются высокая дисперсность и однородность готовых продуктов (резиновая и металлическая крошка), которые представляют собой ценное сырье для различных технологических процессов. При определенных скоростях обработки возможно получение аллотропных соединений углерода, например фуллеренов. При обработке древесины возможно значительное увеличение скорости вращения инструмента без прижигания древесины, при этом увеличивается производительность, качество обрабатываемой поверхности обеспечивается получением дисперсных частиц вместо традиционной стружки.

1. Способ дезинтеграции материалов, включающий воздействие на материал вращающимся обрабатывающим инструментом, скорость вращения и число рабочих частей которого выбирают из условия обеспечения возникновения в зоне обработки материала высокочастотных колебаний в акустическом и/или ультразвуковом диапазонах, отличающийся тем, что обрабатываемый материал подвергают предварительной подготовке с целью увеличения его жесткости и изменения частоты собственных колебаний, при этом обеспечивают ударно-волновое воздействие инструмента на обрабатываемый материал путем подбора частоты ударов инструмента в единицу времени за счет изменения скорости вращения инструмента до соответствия частоты ударов инструмента частоте собственных колебаний обрабатываемого массива.

2. Устройство для дезинтеграции материалов, включающее обрабатывающий инструмент с совокупностью рабочих частей, соединенный с приводом, отличающееся тем, что оно снабжено системой предварительной подготовки обрабатываемого материала, выполненной в виде фильеры, установленной на неподвижной опоре, и системой принудительной подачи обрабатываемого материала в виде совокупности вращающихся валков, подающих обрабатываемый материал в фильеру, выходное отверстие которой расположено с минимальным зазором относительно обрабатывающего инструмента, оказывающего на обрабатываемый материал ударно-волновое воздействие с высокой частотой, при этом неподвижная опора выполнена в виде столика, форма и профиль которого выбрана из условия организации его боковыми гранями пилообразного профиля кумулятивных волн разгрузки, при этом устройство снабжено регулятором скорости вращения обрабатывающего инструмента.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что обрабатывающий инструмент воздействует на обрабатываемый материал с ультразвуковой частотой.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что величина зазора между выходным срезом окна фильеры и рабочим инструментом выбрана из условия обеспечения возможности развития в выходящем из окна фильеры обрабатываемом материале деформаций встречных ударно-волновому воздействию обрабатывающего инструмента.