废旧易拉罐破碎熔融造型一体机的设计_宋萌萌.pdf

我国每年产生的废旧易拉罐总量在20万t以上.基于我国的可持续发展战略要求，研究一种用于废旧易拉罐破碎、熔融、铸造、成型于一体的小型智能装置，具有极大的必要性和实用性1-2.曹国忠等3通过进化树的迭代方法设计一款高强度碎纸机刀具用于小量废旧易拉罐的破碎加工，加工后的铝碎片平均直径不超过3 mm，但该文未对破碎加工的刀具进行强度分析，而是凭借经验来表明刀具强度满足工艺要求，从而缺少理论依据.罗京兆4研究废旧易拉罐碎片的高温脱漆工艺，采用高温和振荡的双重作用可以达到良好的脱漆效果，但废旧易拉罐碎片如何破碎和熔融的工艺是不清晰的.鉴于上述文献的研究，在文献3的基础上通过有限元强度分析，设计一款用于少量易拉罐破碎的刀具，研究一种轻量级的易拉罐回收处理的工艺方法，达到废旧易拉罐破碎熔融一体的良好效果.1方案设计文中设计的废旧易拉罐破碎熔融造型一体机装置如图 1所示.装置主要包括破碎部分、收集部分和铝熔液倾倒部分，其中破碎部分用于破碎易拉罐，漏斗用于收集破碎铝皮块，然后铝皮块在重力作用下落入石墨坩埚中，使用ZVS电磁感应加热方式对铝皮块进行加热，最后由倾倒部分倒出铝液，铝液自然凝固成铝锭.平台骨架结构主要由铝型材和铸铁角码构成，其作用是提供支撑和固定.通过异形孔配合保证刀具的周向固定，轴向使用套筒固废旧易拉罐破碎熔融造型一体机的设计宋萌萌1，刘续1，韩俊霞2，阮凌宇1，张育林1（1.宁德师范学院 信息与机电工程学院，福建 宁德 352100；2.国网山西省电力公司文水县供电公司，山西吕梁 032100）摘要：针对日常生活中的易拉罐如何变废为宝的问题，设计一款适用于少量易拉罐的处理装置.确定装置的总体机械结构和易拉罐处理流程，着重研究刀片与漏斗等关键零部件的结构设计，并制作了一台废旧易拉罐破碎焙融一体机样机.研究结果表明，刀片与漏斗的强度满足实际要求，设计的装置具有加热时间短、融化效率高的特点.关键词：易拉罐；破碎熔融；方案设计；强度分析中图分类号：TH122文献标识码：A文章编号：2095-2481（2023）02-0158-06收稿日期：2022-04-11作者简介：宋萌萌（1982-），女，副教授.E-mail：基金项目：福建省大学生创新创业计划项目（S202110398026）;宁德师范学院科研创新团队（2020T02）.第 35 卷第 2 期2023 年 6 月宁德师范学院学报(自然科学版)Journal of Ningde Normal University（Natural Science)Vol.35 No.2Jun.2023图1设计方案的装配体国标2020铝材倾覆部分轴承座破碎部分轴承座刀具装配体破碎部分电机倾覆部分电机联轴器石墨坩埚ZVS加热铜管DOI:10.15911/ki.35-1311/n.2023.02.016第2期宋萌萌，等：废旧易拉罐破碎熔融造型一体机的设计定，动力源用12 V直流减速电机.通过同步带传动动力到刀具主动轴，为破碎提供动力，漏斗由钣金工艺制作而成.倾倒部分使用步进电机驱动，电机轴与倾倒部分伸出轴使用联轴器连接.2关键零部件设计与计算2.1刀具的设计与计算2.1.1刀具的设计文中实验数据来源于日常生活中的铝质两片罐，铝罐厚度一般为 0.2700.280mm.270铝材主要用于生产330 mL易拉罐，280铝材用于生产500 mL易拉罐.根据查阅资料，选用材料为Q345的碳钢制作刀片,刀片硬度不低于345 HB，单刀片的模型如图2所示.在破碎过程中，由于易拉罐存在一定的柔性，会卡在刀片与刀片的缝隙中，致使后续工作难以进行，且破碎程度不高.为防止碎片卡入刀片缝隙，在刀具左右各放一个插齿板，用来清除已加工易拉罐碎片.破碎部分及插齿板组装示意模型如图3所示.图 2单刀片模型图3刀具与插齿板装配体2.1.2刀具的尺寸参数计算刀齿方向与刀片轴向存在倾斜角，故套筒的宽度应略大于刀片的空间宽度，以保证刀具在工作过程中不会被卡死.刀倾斜角=30，刀齿弯曲长度L=6 mm，刀齿钢板厚度T=2mm，套筒宽度D=T+Lsin.参考文献5中轴的设计，取=30时，D5 mm，故套筒宽度 D取5.1 mm.单根异形轴设计安装21片刀片和与之相应的20个套筒，左右台肩设计宽度M3 mm.两轴端分别留出固定长度B=15 mm、C=10 mm用于固定异形轴，异形轴长度L1=M2+D20+T21+B+C=172 mm.2.2漏斗的设计与计算2.2.1漏斗的设计在实际工作中，ZVS电磁感应加热会产生局部高温，并通过传动轴传导至步进电机，影响步进电机的正常工作.为了不增加装置的复杂性，故选择增加石墨坩埚与步进电机的距离以减小温度对步进电机工作的影响.考虑到铝碎片的边缘较锋利，会长期擦划漏斗表面，故使用硬度较高的冷轧钢板（SPCC）为漏斗材料.材料厚度的设计尺寸为2 mm，漏斗制作工艺为钣金加工.设计漏斗的俯视图和轴测图如图4所示.（a）漏斗俯视图（b）漏斗轴测图图4漏斗的三维模型-159宁德师范学院学报(自然科学版)2023年6月2.2.2漏斗的尺寸参数计算石墨坩埚位于装置几何对称中心，漏斗料孔几何中心需要有一定的偏距，确保破碎物能够落入石墨坩埚中.若漏斗料孔不设置偏距，漏斗侧面坡度较为平缓，可能会导致破碎物不能顺利滑落至石墨坩埚.因此文中将基于以上问题进行设计.铝碎片与钢的摩擦系数0.7，漏斗设计高度H=100 mm，漏斗侧面最小倾斜角=arctan 35.漏斗外轮廓上开口设计长L2=270 mm，宽L3=140 mm，高度H1=100 mm，容积V=1.9710-3m3.漏斗侧面最小倾斜角1=arctan H1/(L2/2)=36.5 满足设计要求.3关键零部件强度分析3.1刀具的强度分析文中易拉罐用铝的硬度约100 HB，故刀片硬度不低于345 HB.刀片齿的宽度为钢板厚度T=2 mm.设圆周高度h=0.5 mm，单个刀齿作用面积为S，刀片作用力为F.则S和F的计算式为S=Thcos 0.866 mm2，（1）F=SP86.6 N.（2）将刀具的单个刀片通过有限元分析模拟实际工作状态，分析结果如图5所示.由图5的结果可以看出，图5（a）最小总变形为0 mm，最大总变形为8.166 110-3mm；图5（b）的最大等效弹性应变为 3.401 210-4mm，最小等效弹性应变为 1.211 910-10mm；图 5（c）的最大等效应力为63.295 MPa，最小等效应力为1.309 710-5MPa；图5（d）的最大应变能为4.320 310-3mJ，最小应变能为5.284 710-15mJ.通过查询机械设计手册7可知，刀片的强度满足理论的许用要求.（a）总变形云图（b）等效弹性应变云图（c）等效应力云图（d）应变能云图图5刀具的有限元分析-160第2期宋萌萌，等：废旧易拉罐破碎熔融造型一体机的设计3.2漏斗的强度分析消费者使用后抛弃的易拉罐主要有单片罐、二片罐、三片罐和其他的容器罐.废料组成主要有铝、铁、铜、锌等金属和部分塑料罐等有机物，其中铝合金易拉罐密度=2.7103 kgm-3，故设计漏斗容积V1=1.9710-3m3，最大装载质量M=V5.4 kg.为了分析漏斗的每个侧面的强度，对其加载15 N的竖直力进行有限元分析，分析结果如图6所示.（a）总变形云图（b）等效弹性应变云图（c）等效应力云图（d）应变能云图图6漏斗的有限元分析-161宁德师范学院学报(自然科学版)2023年6月由图6的结果可以看出，图6（a）的最大总变形为3.442 910-4mm，最小总变形为0 mm；图6（b）的最大等效弹性应变为 9.443 110-7mm，最小等效弹性应变为 3.38210-8mm；图 6（c）的最小等效应力为1.817 210-3MPa，最大等效应力为0.187 33 MPa；图6（d）的最大应变能为7.361 910-7mJ，最小应变能为8.605 310-10mJ.通过查询机械设计手册7可知，刀片的强度满足理论的许用要求.4样机制作与实验测试样机制作前期，主要进行破碎功能实验，刀片主要承受切向力的影响，对剪切强度有较高的要求，故刀片材料选用Q345碳钢.安装轴承主要承受径向力的影响，轴向力可忽略不计，故选用角接触球轴承，可提高安全系数.其余部分使用国标铝型材组装而成.对于熔融加热部分，使用ZVS高频感应加热机，熔炼易拉罐碎片.实验表明，当熔融易拉罐碎片质量约为200 g时，加热时间只需10 s左右，具体时间跟实验的环境温度和散热速度有很大关系.熔融过程和样机实物如图7、图8所示.图7熔融过程图8样机实物5结语文中提出一种废旧易拉罐破碎、熔炼的方案，通过对现有碎纸机刀具的优化设计，提高刀具强度，并对所设计刀具和漏斗进行有限元分析，结果表明该装置强度安全可靠.1）对少量易拉罐处理提供一种可行方案，即通过破碎熔炼形成铝锭，从而减少环境污染和提高资源再利用率.2）通过对关键零部件即刀具和漏斗的强度分析，结果表明总变形、等效弹性应变和应变能等均在理论的许用范围.3）制作一台废旧易拉罐破碎熔融样机，并开展熔融实验.结果表明，设计的样机不仅能有效地熔炼易拉罐碎片，而且加热时间短、融化效率高.参考文献：1 杨立民，刘畅.废旧易拉罐处理工艺 J.有色金属加工,2019,48(6):12-16.2 顾华锋.铝制易拉罐材料产业发展现状、市场前景及关键技术 C/2019年中国铝加工产业年度大会暨中国（邹平）铝加工产业发展高峰论坛论文集.山东：中国有色金属加工工业协会,2019:221-236.3 曹国忠，刘孟然，万子薇.基于进化树的碎纸机刀具变型设计 J.机械设计,2019,36(10):121-126.4 罗京兆.废旧铝质易拉罐回收及再生铝合金改性研究 D.西安:西安理工大学,2018.5 濮良贵.机械设计 M.10版.北京：高等教育出版社,2018.6 孙恒.机械原理 M.8版.西安：西北工业大学,2015.7 成大先.机械设计手册:第1卷 M.3版.北京：化学工业出版社,1994.-162第2期宋萌萌，等：废旧易拉罐破碎熔融造型一体机的设计Design of an integrated machine for crushing,melting andmolding of waste cansSONG Meng-meng1,LIU Xu1,HAN Jun-xia2,RUAN Ling-yu1,ZHANG Yu-lin1(1.College of Information,Mechanical&Electrical Engineering,Ningde Normal University,Ningde,Fujian 352100,China;2.Wenshui County Power Supply Company,State Grid Shanxi Province Electric Power Company,Lliang,Shanxi 032100,China)Abstract:Aiming at the problem of how to turn cans into valuables in daily life,a processing device has beendesigned for a small number of cans.This study determines the overall mechanical structure of the device andthe processing flow of the can,focuses on the structural design of key parts such as blades and funnels,andmakes a prototype of the all-in-one machine for crushing and melting waste cans.The simulation results showthat the stren