石秀彬 李遠(yuǎn)安 楊波 汪訓(xùn)浪

通過雙缽翻轉(zhuǎn)設(shè)備研制，對雙缽翻轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)、密封結(jié)構(gòu)及材料、精確定位系統(tǒng)、以及電氣控制系統(tǒng)多個方面進(jìn)行了設(shè)計和改進(jìn)，從而滿足高產(chǎn)能、快節(jié)拍、高密封性的鋰電池正極材料生產(chǎn)工藝要求。

鋰電正極材料;雙缽翻轉(zhuǎn);180°翻轉(zhuǎn);定位設(shè)計

1引言

鋰電正極材料作為電池材料的四大核心材料之一，制約著電池的綜合性能。正極材料能繼承前驅(qū)體的形貌和結(jié)構(gòu)特點，所以前驅(qū)體的結(jié)構(gòu)，制備工藝對正極材料的性能有著至關(guān)重要的影響。

從產(chǎn)值方面來看，據(jù)SPIR數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2017年中國僅三元材料產(chǎn)值為175億元，同比增長119%，2018-2019年新能源動力電池需求會持續(xù)增大。目前主流翻轉(zhuǎn)卸料工位多采用電機(jī)翻轉(zhuǎn)、氣缸翻轉(zhuǎn)、機(jī)械手翻轉(zhuǎn)卸料方式。國外廠家如日本則武、日本NGK等。日本設(shè)備優(yōu)點顯著，性能優(yōu)越，但缺點突出，如：設(shè)備售價較高，維修性差且易受中日國際形勢影響。國內(nèi)廠家多無經(jīng)驗積累，多為國外廠家代工。在日益提高的產(chǎn)能需求中，國外設(shè)備仍保持選擇單缽翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，單缽節(jié)拍最快可達(dá)45s，仍不能滿足生產(chǎn)需求?？旃?jié)拍，高產(chǎn)能仍然是各方面的共同需求。

2雙缽翻轉(zhuǎn)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文研制的是一種鋰電池正極材料生產(chǎn)用雙缽翻轉(zhuǎn)設(shè)備，主要包括密封門系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、翻轉(zhuǎn)定位系統(tǒng)和阻擋到位系統(tǒng)。本設(shè)備可單次有效翻轉(zhuǎn)兩缽，可有效將單缽處理節(jié)拍提升至20s，極大節(jié)省成本，提升生產(chǎn)效率，增加設(shè)備穩(wěn)定性;同時貫穿無粉塵外泄、高密封性、杜絕銅鐵鋅等設(shè)計理念。

工作原理及動作：傳輸方向由左向右。密封門系統(tǒng)通過氣缸打開密封門，阻擋到位系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)工作，阻擋到位系統(tǒng)為氣缸驅(qū)動連桿結(jié)構(gòu)，連桿伸出阻擋后，傳動系統(tǒng)通過輥筒調(diào)速器驅(qū)動電動輥筒依次將載體送入翻轉(zhuǎn)倉內(nèi)，行程開關(guān)檢測到載體到位后，密封門系統(tǒng)通過氣缸驅(qū)動關(guān)閉密封門，翻轉(zhuǎn)定位系統(tǒng)通過伺服電機(jī)控制器驅(qū)動伺服電機(jī)帶動翻轉(zhuǎn)盤翻轉(zhuǎn)180°。翻轉(zhuǎn)定位系統(tǒng)帶有機(jī)械阻擋器，有效保證電機(jī)異常失效后，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)處于安全位置。載體卸料完成后，翻轉(zhuǎn)定位系統(tǒng)通過伺服電機(jī)控制器驅(qū)動伺服電機(jī)帶動翻轉(zhuǎn)盤反向翻轉(zhuǎn)180°，阻擋到位系統(tǒng)工作，連桿結(jié)構(gòu)縮回;傳動系統(tǒng)及密封門系統(tǒng)工作，密封門系統(tǒng)通過氣缸打開密封門，電動輥筒依次將載體送出翻轉(zhuǎn)倉。

3、密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋰電池正極材料物料粉塵粒徑多處于2-10um范圍內(nèi)，具有極強(qiáng)的穿透性、腐蝕性和吸水性。國家對環(huán)境保護(hù)日益重視，污染、粉塵排放要求日益增高，故對設(shè)備密封性提出較高要求。

進(jìn)出口門密封設(shè)計，主要考慮如何選用合適執(zhí)行元件及機(jī)構(gòu)，保證在預(yù)留匣缽進(jìn)出口高度尺寸下，有效保證進(jìn)出口的密封性，門密封主要涉及2、3、5。

擬采用氣缸組件斜壓門板擠壓密封墊方式進(jìn)行密封，斜壓時，氣缸對門板作用力分解為沿門板方向力F1和與門板垂直方向力F2。可知F2=F*Sinα，F(xiàn)2越大，擠壓密封墊，密封性能越好，故結(jié)合實際情況，確定α角度為60°。

翻轉(zhuǎn)定位系統(tǒng)密封設(shè)計，主要考慮密封罩、收料處與架體靜態(tài)密封及如何有效保證定位，系統(tǒng)與密封罩動密封，主要涉及1、4、6、7、8。

靜態(tài)密封處主要采用密封墊與法蘭配合進(jìn)行密封，動態(tài)密封處分別為主動端動密封主要采用毛氈密封圈，被動端密封主要采用骨架油封。

4傳動系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于鋰電正極材料物料的高穿透性，選用執(zhí)行元件時需考慮結(jié)構(gòu)的實用性及密封性，有效保證執(zhí)行元件的使用壽命。

電動輥筒具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高、噪音低、使用壽命長、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、工作可靠、密封性好、占據(jù)空間小，安裝方便等諸多優(yōu)點，適合惡劣環(huán)境下工作。故擬選用電動輥筒為主要執(zhí)行元件。

鋰電正極材料對銅鐵鋅材質(zhì)敏感，故翻轉(zhuǎn)倉內(nèi)與物料接觸部分均采用SUS304噴涂PTFE或非金屬材質(zhì)，其中電動輥筒采用外表面包丁晴橡膠，傳動軸采用SUS304鍍鉻來杜絕金屬異物引入。

5翻轉(zhuǎn)定位系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計

主流翻轉(zhuǎn)卸料工位多采用電機(jī)、氣缸、機(jī)械手等方式。氣缸翻轉(zhuǎn)較電機(jī)翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高。機(jī)械手翻轉(zhuǎn)卸料密封性差、價格貴、節(jié)拍長。普通電機(jī)頻繁啟動、加速性能、控制精度等均遠(yuǎn)差于伺服電機(jī)，在此擬選用伺服電機(jī)對翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)及精確定位。

定位板進(jìn)行原點校準(zhǔn)，載體到位后，伺服電機(jī)可通過定扭定速轉(zhuǎn)動，有效緩解雙缽翻轉(zhuǎn)過程中慣量的不均勻性，對翻轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性及精確定位精度有較大提高，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速可根據(jù)實際需要進(jìn)行調(diào)整，適用范圍廣。當(dāng)出現(xiàn)異常斷電或電機(jī)故障時，機(jī)械阻擋器將有效保護(hù)翻轉(zhuǎn)定位系統(tǒng)，并防止造成進(jìn)一步傷害。

6阻擋到位系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計

主流翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)關(guān)于載體到位定位功能性較差，日本則武采用氣缸直接定位方式，國內(nèi)各家多采用無動力自重下落方式或氣缸阻擋夾持方式，均無法有效解決匣缽的到位問題，使用過程中故障仍頻。執(zhí)行器件在翻轉(zhuǎn)倉內(nèi)部時，會經(jīng)受粉塵侵蝕，需要經(jīng)常更換保養(yǎng)，且執(zhí)行器件位于翻轉(zhuǎn)倉內(nèi)，拆卸不便;無動力自重下落式會導(dǎo)致載體到位異常頻發(fā)，易造成載體脫落，機(jī)構(gòu)損壞等故障。

為有效解決阻擋到位問題，降低故障發(fā)生頻率，主要從以下兩個方面進(jìn)行設(shè)計：

a：選用氣缸為執(zhí)行器件，將執(zhí)行器件與翻轉(zhuǎn)倉內(nèi)部隔離，減少粉塵對執(zhí)行器件的侵蝕。

b：通過機(jī)械結(jié)構(gòu)將執(zhí)行器件位移與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動相結(jié)合，并采用動密封，保證腔體密封。

即保證以下功能：轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時，阻擋桿跟隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，進(jìn)行阻擋，轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)時，阻擋桿通過氣缸驅(qū)動推桿控制阻擋桿阻擋。通過執(zhí)行器件與翻轉(zhuǎn)倉隔離并增加機(jī)械連桿結(jié)構(gòu)，可有效降低設(shè)備運轉(zhuǎn)故障率。

7電氣控制系統(tǒng)

鋰電池正極材料生產(chǎn)用雙缽翻轉(zhuǎn)設(shè)備電器控制系統(tǒng)主要包括控制系統(tǒng)設(shè)計及軟件系統(tǒng)設(shè)計兩個部分。①控制系統(tǒng)：采用德國倍福嵌入式計算機(jī)控制系統(tǒng)，進(jìn)行邏輯控制。② 軟件系統(tǒng)：1、采用分級登錄功能監(jiān)控系統(tǒng)采取分級管理和登錄機(jī)制。2、采用實時顯示。3、采用報警信息提示。4、帶有數(shù)據(jù)記錄查看功能。

8總結(jié)

本文主要基于鋰電正極材料實際生產(chǎn)需要翻轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)行分析研發(fā)及設(shè)計。突破性的解決生產(chǎn)中存在的快節(jié)拍、高密封要求帶來的問題。論述了研制的一種鋰電池正極材料生產(chǎn)用雙缽翻轉(zhuǎn)設(shè)備，為打破國外的技術(shù)封鎖，掌握具有自主產(chǎn)權(quán)的雙缽翻轉(zhuǎn)卸料機(jī)構(gòu)，助力國產(chǎn)鋰電正極材料開疆拓土有重大積極意義。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：石秀彬（1992-），男，安徽淮南人，畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)（徐州），學(xué)士，機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)。