АНАЛИЗ СПОСОБОВ ДРОБЛЕНИЯ ОТХОДОВ КАБЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ПРОМЫШЛЕННЫХ ШРЕДЕРАХ

АННОТАЦИЯ

В статье приведен анализ основного технологического оборудования, предназначенного для переработки кабельных отходов -шредер. Предложена классификация шредеров: одно-, двух-, трех- и четырехвалковых шредеров. Отмечено, переработка отходов делится на дробление и измельчения, применение которой определяет требованиями к технологии. Приведены основные стадии переработки кабельно-проводниковой продукции с точки зрения оборудования, но часто требует специфического подхода к выбору режимов переработки. Рассмотрена классификация оборудования и отмечена целесообразность его работы.

ABSTRACT

The article provides an analysis of the main technological equipment intended for the processing of cable waste - shredder. The classification of shredders is proposed: one-, two-, three- and four-roll shredders. It is noted that waste processing is divided into crushing and grinding, the use of which in technology is determined by the requirements for the final degree of grinding of the loaded material (cable and wire waste). The main stages of processing of cable and wire products from the point of view of the use of technological equipment are given. However, this often requires a specific approach to the selection of processing modes. The classification of the equipment is considered and the expediency of its application is noted.

Ключевые слова: отходы кабельного производства; дробление; измельчение; фракция материала; технология; ножи, технологическое оборудование; шкалы Мооса; твердость; динамическая нагрузка (удар); раздавливание; истирание; раскалывание; резание; загруженная масса; крупнозерновая крошка.

Keywords: cable production waste; crushing; grinding; material fraction; technology; blades, technological equipment; Mohs scales; hardness; dynamic load (impact); smashing; abrasion; splitting; cutting; loaded mass; coarse-grained crumbs.

В настоящий момент шредеры работают в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства и офисах. В переводе с английского слово «shred» означает «рвать на клочки, кромсать» из чего следует его основное назначение - измельчение различного рода материалов, к которым относятся: картон, древесина, пластмасса, резина, отходы кабельно-проводниковой продукции, продукты сельского хозяйства [1].

В настоящий момент, промышленные шредеры работают на грубое первичное измельчение материала до фракции 15–250 мм. Они ориентированы прежде всего на эффективное измельчение крупных отходов, отходов кабельного производства (токоведущей жилы, пластмассовой и полимерной изоляции).

Для измельчения загруженной массы кабельных отходов в крупнозернистую крошку (дробленку) применяют шредеры имеющие начальную стадию переработки, которая называется грубый помол [1]. Эта операция является основнойв технологии рециклинга, т.к. качество измельчения кусков кабеля и провода, определяет процент выхода очищенных токопроводящих металлов (медь и алюминий) из общего количества отходов кабеля подлежащих переработке.

Согласно технологии - операция измельчение осуществляет многократное разрушение кусков кабеля и проводов на более мелкие части, за счет действия в рабочей зоне машины встречных, разннаправленных сил [1, 2]. Эффективность технологического процесса измельчения и дробления определяется прочностью частиц загрузки при сжатии/изломе и их твердости.

Рисунок 1. Шедер: 1- электродвигатель; 2- муфта упругая; 3- короб с ротором; 4- приемное окно или загрузочный бункер; 5- зажим сита; 6- подшипниковый узел; 7- корпус шредера; 8-жесткая сварная рама -станина; 9-окно выгрузки.

Конструктивно промышленные шредеры выполняются: одно-, двух-, трех- и четырехроторными. В стандартный состав шредера (рис. 1) входит: электродвигатель (1); муфта упругая (2); короб с ротором (3); приемное окно или загрузочный бункер (4); зажим и сита (5); подшипниковый узел (6); корпус шредера (7); станина (8); окно выгрузки (9).

Шредеры однороторного (одоновального) типа (рис.2), представляют собой низкооборотный измельчитель, рассчитанный на дробление крупно габаритных отходов, имеющих высокое сопротивление к измельчению. Загрузка данного технологического оборудования осуществляется как механическим, так и ручным способом. В загрузочный бункер (2) загружается материал, где он сдвигается в рабочую зону к ножам (3) и деформируется. Ротор (1) продавливает поступивший материал к находящимся на внутренних стенках рабочей камеры режущим ножам (3). Последующее измельчение массы осуществляется между ножами установленными на стенках корпуса и ребрами ротора. Далее раздробленная масса материала продавливается ротором к ситу, которое расположено в конце корпуса шредера. На выходе размер гранул дробленки должен соответствовать диаметру ячейки сита. Вышедшие за пределы допуска куски дробленной массы, не прошедшие сито, остаются в корпусе шредера и повторно подвергаются измельчению в рабочей зоне до тех пор, пока вся загруженная масса материала не станет равномерно измельченной. Допустимый геометрический размер измельченных частиц материала загрузки определяется диаметром ячейки сита (15–150 мм) [1, 2].

Рисунок 2. Конструкция одновалкового шредера: 1-ротор; 2- окно загрузки; 3-режущий нож; 4- опорная пластина; 5- корпус шредера; 6- окно выгрузки.

Для увеличения срока эксплуатации ротора его рабочую поверхность покрывают слоем износоустойчивого сплава, а винтовое закрепление режущих ножей в внутреннем корпусе шредера обеспечивает высокую производительность оборудования [1, 2]. Выделение тепла при переработке загруженной массы может пагубно сказаться на эффективность технологии, поэтому применяют профилированную конструкцию ротора, которая обеспечивает равномерное распределение теплоты по всей длине и рабочей площади ротора, в том числе и по корпусу оборудования, что компенсирует выделяющееся тепло от трения рабочих деталей и узлов с загрузкой, а следовательно устраняет проявление перегрева, слипания перерабатываемых масс материала и намотки их на вращающейся ротор шредера.

Рисунок 3. Одновалковый шредер (внешний вид)

Применение двухвального шредера (рис.4) дает возможность перерабатывать отходы любой сложности за счет высокого крутящего момента [2]. Передвижение загрузочной массы по корпусу шредера обеспечивается встречным вращением двух валков (роторов). При загрузке отходов в загрузочном бункере происходит их захват крюковидными ножами и режущими дисками, смонтированными на двух валах, которые двигаясь навстречу друг другу измельчают их до требуемой фракции. Наличие боковых накладок на корпусе, в рабочей зоне шредера, обеспечивает очищение ножей, дисков, а также ссыпание материала рабочую зону шредера.

Рисунок 4. Двухвалковый шредер

Трех- и четырехвальные шредеры (рис. 5) рассчитаны на переработку отходов повышенной твердости. При этом четырехвалковые шредеры имеют очень важную конструктивную особенность наличие четырех валков: два из них являются основными, а остальные два – вспомогательными. Вспомогательные валы начинают измельчать загруженную массу, а основные валки завершают измельчение до установленной глубины помола.

а)                                                                  б)

Рисунок 5. Трехвалковый (а) и четырехвалковый (б) шредеры

Выбор типа шредера зависит от технологических особенностей процесса измельчения (таблица-1), а именно от вида кабельно-проводниковой продукции (прочность при сжатии/изломе и твердость) [2]. Определение твердости загрузочной массы (материалы конструкции кабеля) проводят по шкале Мооса. Этот технологический параметр является основополагающим для выбора параметров измельчения, и определяет скорость изнашивания задействованных в технологии рабочих узлов машин.

Таблица 1

Прочность дробленки кабельных отходов при сжатии и изломе

Отходы кабельного производства – это масса загрузки, которая содержит разнородные частицы конструктивных элементов кабеля с разными геометрическими размерами и свойствами, имеющие большой числовой диапазон [2]:

• размер частиц – d_max и d_min;
• размах варьирования R = d_min/d_max;
• средний диаметр частиц d_cp.

Учитывая особенности технологии дробления отходов кабеля и проводов исходный (загружаемый) материал может иметь разную твердость и неправильную форму, а значит математические расчеты должны быть ориентированы на эквивалентный диаметр - размер отверстий ячеек сита (сетки), сквозь которые они продавливаются.

Основной технологической характеристикой процесса измельчения является степень измельчения i, которая определяется отношением средних размеров частиц до измельчения d_cp.н. и после измельчения d _cp.к.

i = d _cp.н./ d _cp.к.                                                             (1)

Выбор типа оборудования также зависит от требований технологии, которые определяются степенью измельчения загруженной массы [2]:

• машины крупного измельчения i=3...8,
• машины мелкого и тонкого измельчения – до i=100.

Размер частиц исходной загрузки и конечная величина полученной крошки кабеля определяет вид технологии переработки: дробление (таблица-2) или измельчение (таблица-3).

Дробление — это сухой способ переработки, где куски кабеля после грубой обработки, в зависимости от геометрического размера, проходят на последующие стадии: среднее и тонкое дробление (таблица-2).

Таблица 2

Стадии дробления

Измельчение – это более глубокая стадия переработки кабельных отходов, которая сопровождается большим пылеобразованим (таблица-3).

Таблица 3

Стадии измельчения

Основным усилием, вызывающим разрушение исходных частиц загрузке при переработке является динамическая нагрузка (удар), сочетающая в себе раздавливание, истирание, раскалывание и резание загруженной массы [3].

При раздавливании загруженных отходов определяющим напряжением является сжатие частиц под действием статической нагрузки возникающей между рабочими органами машины. Это также сопровождается изгибающими напряжениями и напряжениями сжатия при статических нагрузках рабочих органов, за счет напряжения сдвига [12].

При усилии истирания возникают разрушающие напряжения – напряжение сдвига, которое действуют вместе с усилием раздавливания частиц дробленной массы [4].

При раскалывании отходов кабеля создаются изгибающие напряжения, которые вызывают их измельчение, а при резании - возникают напряжения сдвига.

Ударная нагрузка обеспечивает в кусках загруженной массы отходов кабеля напряжения, которые приводят к его последующему разрушению.

Таким образом, из общей теории переработки следует, что разрушение загруженной массы возможно при [3, 4]:

• стесненном ударе, при воздействии двух и более рабочих органов на массу загрузки;
• свободном ударе, при столкновении дробленых частиц с движущейся частью машины или другим частицами дробленной массы.

Анализ технической литературы позволил произвести классификацию шредеров [3, 4]:

– по организации процесса (периодические и непрерывные);

–по крупности измельчаемой массы (машины крупного, среднего и мелкого дробления, тонкого и коллоидного измельчения);

–по применяемому в них способу измельчения: раскалывающего, разламывающего, истирающего, раздавливающего, ударного действия; коллоидное измельчение.

-по виду энергии: механические дробилки; механические мельницы; аэродинамические и пневмомеханические мельницы, и т.д.

Таким образом, выбор типа технологического оборудования зависит от ряда факторов: маркопозиция, состав, исходный размер кусков кабельных отходов, диаметры кабелей и проводов, материал конструкции кабельно-проводниковой продукции, количество, требуемая степень измельчения, конечный размер дробленки и др. [3, 4, 5].

Начальной операцией по технологии, для кабелей больших сечений, является подготовка отходов к дроблению и последующему их измельчению, где предварительно проводят разделку кабеля, освободив сердечник от оболочки, шланга и защитных покровов с последующей резкой равных по длине кусков [5, 6]. Измельчение дробленки осуществляют на мельницах ножевого типа, где размер выходных частиц лежит в диапазоне от 0,1-0,5 мм. Измельчение массы происходит между встречными по направлению ножами, закрепленными в неподвижном (стационарном) положении на внутренних стенках корпуса и вращающемся роторе [14, 15]. В результате технологии, на выходе из машины, получается крупнозернистая крошка (более 2мм).

Особенностью данного оборудования является обязательное наличие сменных решеток (диаметр ячейки 2,5-10 мм). Технология дробления отходов кабеля и проводов сопровождается выделением большого количества тепла, поэтому в конструкции используется водяное охлаждение корпуса дробилки, что повышает его производительность несмотря на усложнение машины [7].

Список литературы:

1. А.С. Гринин, Н.В. Новиков. Промышленные и бытовые отходы: Хранение, утилизация, переработка. Изд–во ФАИР-ПРЕСС, Москва, 2002, С.149–153.
2. С.М. Найман, Н.Х. Газеев, А.Н. Глебов, Д.В. Фролов. Техника и технология переработки и утилизации отходов. Изд-во Казан.гос.техн.ун-та, Казань, 2011. 418 с.
3. М.Ф. Иванова, А.А. Москвин. История одного бессмертия. Сбор, переработка и дальнейшее использование пластиковых бутылок. Рециклинг отходов, 1, 25, 15-17 (2010)
4. В.В. Абрамов, Н.М. Чалая. Вторичная переработка полимерных отходов: анализ существующих методов. Твердые бытовые отходы, 1, С.21-24 (2012).
5. Е.Г.Любешкина. Полимерная упаковка: решение проблемы. Твердые бытовые отходы, 11, С.20-26 (2012).
6. Ю.Г. Лисицын. Дробилки-измельчители и пневмотранспорты для переработки полимеров. Твердые бытовые отходы, 8, С.20-21 (2012).
7. Изучение вопроса рециклинга кабельных отходов с использованием интеллектуализированной системы // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. Цыпкина В.В., Иванова В.П. [и др.]. 2020. 11(80). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/10972 (дата обращения: 15.10.2021).
8. Колбасин, А.М. Оптимизация состава многокомпонентной смеси при детерминированных ограничениях / А.М. Колбасин, А.В. Либенко // Новые технологии в автоматизации управления: сборник научных трудов. – М.: МАДИ, 2006. – С. 69–72.
9. Пугачев B.C. Теория случайных функций и ее применение к задачам автоматического управления. Технико-теоретическая литература, М.: 1957. -408 с.
10. Колбасин, А.М. Принципы связного дозирования многокомпонентных смесей / А.М. Колбасин, А.В. Либенко // Новые технологии в автоматизации управления: сборник научных трудов. – М.: МАДИ, 2006. – С. 73–75
11. Марсов, В.И. Особенности построения математической модели структуры композиций с элементами сферической формы / В.И. Марсов, А.В. Илюхин, Е.И. Бокарев // Вестник МАДИ. – 2012. – № 2. – С. 123–125.
12. Вопросы эффективности процесса производства токопроводящих жил на основе композиционных материалов для кабельно-проводниковой продукции // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Цыпкина В.В., Иванова В.П., Исамухамедов Д.Н., Ортикова М.Ж., Атамухамедова Р.Ф. 2021. 5(86). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/11826 (дата обращения: 15.10.2021).
13. Вопросы цифровой трансформации кабельного предприятия // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Пирматов Н.Б., Иванова В.П., Цыпкина В.В., Назруллаева О.А., Раматов А.Н.. 2021. 6(87). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/12024 (дата обращения: 15.10.2021).
14. V.P. Ivanova, V.V. Tsypkina, Improving the reliability of power supply to active consumers by improving the technology for manufacturing cable product, Rudenko International Conference “Methodological problems in reliability study of large energy systems” (RSES 2020), ISSN: 2267-1242, E3S Web of Conferences 216, 01152 (2020) RSES 2020, Volume 216 (2020)
15. V.P. Ivanova, V.V. Tsypkina, D.B. Madrakhimov Improving the reliability of cable lines operation in hot climates, Rudenko International Conference “Methodological problems in reliability study of large energy systems” (RSES 2020), ISSN: 2267-1242, E3S Web of Conferences 216, 01151 (2020) RSES 2020, Volume 216 (2020)