用于鋅空電池正極片制備的均化成型裝置的設(shè)計(jì)與仿真

肖艷軍，孟憲樂，李永聰，劉 蕊

（河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130）

0 引言

鋅空電池是以金屬鋅為負(fù)極、空氣中的氧為正極、氫氧化鉀為電解質(zhì)的一種金屬空氣電池，有著比能量高、成本低、無污染、放電電壓平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。然而由于氧的動力學(xué)過程很慢，其放電電流密度偏低，鋅空電池并未得到廣泛應(yīng)用。

采用提高鋅空電池正極空氣擴(kuò)散面積的方法可在一定程度上增大放電電流，但會加大鋅空電池漏液和爬堿的可能性；提高催化劑的催化活性可提高氧氣在反應(yīng)界面的反應(yīng)速度，也能起到增大放電電流的作用，但高效催化劑的價(jià)格往往偏高。若從正極極片的制造工藝上開發(fā)和探究，將鋅空電池的正極材料從原料價(jià)格、配比和原理上加以改善，將使得鋅空電池電極的電流密度得到很大的提高。

1 新工藝的提出

目前較為先進(jìn)的生產(chǎn)鋅空電池的正極極片材料的工藝為：將5g活性炭用體積濃度為10%的稀硝酸處理，然后過濾，經(jīng)蒸餾水多次洗滌后在90℃溫度下烘干，再經(jīng)研磨、過目（400 目篩）后降溫至5℃以下；移取0℃～ 5℃的18ml的TiCl4純?nèi)芤郝⑷胩幚砗蟮幕钚蕴恐校粩鄶嚢?，直至無白色酸霧逸出，水解完成，反應(yīng)產(chǎn)物在400℃下煅燒，冷卻至室溫后研磨得所述TiO2/AC催化劑。取重量百分比為35%的上述催化劑，45%的碳材料（重量比為6：1的活性炭和乙炔黑），5%的聚乙二醇，5%的無水乙醇以及10%的聚四氟乙烯混合碾壓制成催化層；取重量百分比為60%的碳材料（重量比為6：1的活性炭和乙炔黑），20%的聚乙二醇，6%的無水乙醇以及20%的聚四氟乙烯混合碾壓，制成鋅空電池正極極片。

上述過程制造的極片雖在大電流放電時(shí)可以保持其相對穩(wěn)定的材料特性，但其電極的制備目前還很難解決其制備工藝和制備技術(shù)的缺陷。電極制備過程中極片材料具有很大的特殊性。首先其成型材料為一種絮狀的石墨膏體，材料之間并無很大的粘性；當(dāng)上述石墨膏體在模具壓制成型或普通的軋制工藝后不能形成相對穩(wěn)定的物理結(jié)構(gòu)，不能用做生產(chǎn)制備過程中的中間產(chǎn)品；材料在普通軋制制備后沒有形成均勻的極片集流層，實(shí)際的電子流通性并不是很好，極片使用實(shí)際值低于期望值，很難被推廣應(yīng)用和實(shí)際生產(chǎn)。

針對上述對于鋅空電池正極極片的各項(xiàng)參數(shù)分析可知，鋅空電池正極片的制備要求較高，需要很好的均勻性與材料的一致性，而且在極片內(nèi)部要有很好的韌性，不能用常規(guī)的粉末模具壓制和普通的粉末成型設(shè)備來進(jìn)行生產(chǎn)軋制。需要在常規(guī)的極片制造工藝中增加均化成型工藝，即對正極極片的原材料進(jìn)行充分的前期揉搓均化，從而對極片的放電平穩(wěn)性和高載荷電流下極片的工作效率加以改進(jìn)，以達(dá)到預(yù)期的生產(chǎn)制造目的。

2 均化成型裝置的設(shè)計(jì)及模型的建立

文章根據(jù)以上的生產(chǎn)要求，進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)均化成型工藝的均化成型裝置的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，并對該成型裝置進(jìn)行相關(guān)運(yùn)動、可靠性及其動力系統(tǒng)功耗的分析。

2.1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

均化成型裝置的基本功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。均化成型裝置主要由架體1、氣缸2、框料倉3、均化機(jī)構(gòu)4、底托板5和上料工位6組成。

均化成型裝置的工作原理為：

1）上料工位6開始上料，并檢測該工位上料狀態(tài)；

2）氣缸2把框料倉直線拉動到工作位，并進(jìn)行到位檢測；

3）通過液壓裝置提供動力把底托板5升到上位，并進(jìn)行到位檢測；

4）均化機(jī)構(gòu)4開始工作；

5）均化完成后氣缸把框料倉移到出料口；

6）氣缸把框料倉移到上料口，進(jìn)行下一輪均化。

圖1 均化成型裝置

2.2 模型的建立

均化成型在極片成型過程中占有關(guān)鍵地位，均化成型裝置直接影響到其下一個(gè)工序拉纖成型的產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品效率，對整個(gè)鋅空電池正極極片自動化生產(chǎn)的效率有很大影響。而均化成型部分的運(yùn)動規(guī)律及其相關(guān)的參數(shù)直接影響到均化成型設(shè)備的工作，在此應(yīng)用ADAMS對均化成型裝置進(jìn)行建模與分析，給出機(jī)構(gòu)中各個(gè)關(guān)鍵部件的運(yùn)動學(xué)參數(shù)，便于研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與其他性能，為鋅空電池正極極片制造奠定理論基礎(chǔ)。

2.2.1 連桿機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的建立

連桿機(jī)構(gòu)是一種應(yīng)用非常廣泛的機(jī)構(gòu)，這是由于連桿機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動副一般為低副，可以很好的滿足重型機(jī)械的要求，并且能通過改變各構(gòu)件的相對長度，使得從動件得到不同的運(yùn)動規(guī)律和運(yùn)動曲線，能夠傳遞動力并實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動形式，所以對連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析有重要意義。傳統(tǒng)的分析方法主要應(yīng)用幾何綜合法和解析綜合法，幾何方法簡單直觀，精度較低；解析方法精度較高，但計(jì)算的工作量大，隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAE、CAE技術(shù)的發(fā)展，特別是ADAMS等軟件的引入。但其最根本的分析理論是不變的。

四連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)也較為方便，但在較復(fù)雜的機(jī)械工程應(yīng)用中，四連桿機(jī)構(gòu)很難滿足使用要求，此時(shí)就要設(shè)計(jì)多連桿機(jī)構(gòu)來滿足更高的要求：如取得有利的傳動角，獲得較大的機(jī)械利益，改變從動件的運(yùn)動學(xué)特性等。文章以均化成型裝置涉及到的六連桿機(jī)構(gòu)為研究對象進(jìn)行模型的建立與分析。

六連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型如下：

設(shè)定點(diǎn)P位于坐標(biāo)系的原點(diǎn)處，令R1=0。六個(gè)向量的長度和方向由向量的行列式來確定：

2.2.2 均化裝置三維模型的建立

鋅空電池極片均化成型裝置其特征在于該成型裝置采用連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行對原物料的均化成型，均化成型機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)架上，主要包括連桿機(jī)構(gòu)、動力驅(qū)動臂、底托板機(jī)構(gòu)等，核心部件為連桿機(jī)構(gòu)和動力驅(qū)動臂，而底托板機(jī)構(gòu)主要起支撐作用。

根據(jù)研究對象的功能特征，在進(jìn)行實(shí)體建模及仿真分析的過程中面對下面五個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了模型簡化：

1）連桿機(jī)構(gòu)中的連桿應(yīng)該為富有軸套、軸承的連接板，但為了建模簡介也不影響分析，此處忽略模型的軸承和其連接輔助原件；

2）連接板上含有密封裝置，此處也進(jìn)行簡化；

3）連接側(cè)板和連接板內(nèi)側(cè)上都防粘料涂層，為了研究方便把涂層及粘貼的其他材料省去；

4）動力驅(qū)動臂上還有其他的抗腐蝕、抗氧化涂層，在此也進(jìn)行簡化，而且驅(qū)動臂上端與連接板的配合為軸承與軸套配合，在此不影響運(yùn)動分析的前提下簡化為圓筒與軸的配合；

5）連桿機(jī)構(gòu)的托板連桿本來是分離的兩個(gè)構(gòu)件，在此為了模擬仿真的一致性和物料的密封性，在進(jìn)行均化機(jī)構(gòu)的仿真時(shí)，可以把托板與均化連桿進(jìn)行合并。

根據(jù)零件機(jī)構(gòu)及模型簡化的特征，在UG中構(gòu)建該機(jī)構(gòu)的零部件實(shí)體模型。連桿機(jī)構(gòu)實(shí)為連接板機(jī)構(gòu)，包括5個(gè)連接板、連接銷及其相應(yīng)的密封裝置。均化裝置的三維模型如圖2所示，模型中的連接板與連接板之間通過銷軸連接，實(shí)現(xiàn)了板與板之間的相互轉(zhuǎn)動，并能限制其在連接銷軸向的相對運(yùn)動。驅(qū)動臂與連接板之間有直線軸承，起到驅(qū)動連桿機(jī)構(gòu)的作用，在此簡化。底托板與連接板也通過銷軸連接，實(shí)際中不是一體的，在此為了研究方便，簡化為一體式托板。

圖2 均化裝置的三維模型

3 仿真與分析

在建立了均化機(jī)構(gòu)的三維模型后，將建立的模型導(dǎo)入到ADAMS中，其模型如圖3所示。

圖3 均化機(jī)構(gòu)的ADAMS模型

為了研究方便，定義模型中的各桿的標(biāo)號和轉(zhuǎn)動副的標(biāo)號，具體如圖4所示。

圖4 模型簡圖

文章以沖壓桿和桿1、4、6進(jìn)行分析。

3.1 沖壓桿的仿真與分析

從仿真結(jié)果中添加沖壓桿的位移“Position”和加速度“Acceleration”，其仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 沖壓桿仿真結(jié)果

從圖中可看出，當(dāng)沖壓桿的位移在極限位置處時(shí)，其加速度都有很大的波動，即在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大的加速度變化，這與沖壓桿采用液壓驅(qū)動的液壓力的抖動相符，即液壓驅(qū)動時(shí)要盡量在極限位置時(shí)有一定的保壓時(shí)間，但保壓時(shí)間過長會導(dǎo)致生產(chǎn)效率的降低，此處抖動時(shí)間可以定義為最小保壓時(shí)間，即避免了由于加速度變化快導(dǎo)致的震動，也使得生產(chǎn)效率得到了保障。

3.2 桿1的仿真與分析

圖6 桿1仿真結(jié)果

圖6中，在一個(gè)周期內(nèi)，加速度有兩次突變，當(dāng)桿1在最高位置時(shí)候和桿1在由最低向最高位置的中間時(shí)刻加速度發(fā)生突變，與實(shí)際工作中桿1由最高點(diǎn)的自由下落和桿1的加速度最大時(shí)刻相對應(yīng)。此時(shí)加速度影響到了桿1與沖壓頭之間的正壓力，對物料本身有強(qiáng)大的沖擊，而最低點(diǎn)到最高點(diǎn)的加速度變化能使得桿1與沖壓頭擠壓更緊密，使得物料受力均衡，極片成型更好。

綜合以上對各桿件和軸的分析，連接板之間存在很好的速度、加速度的耦合性，但在極限位置和個(gè)別的突變點(diǎn)存在瞬態(tài)變化，對整個(gè)極片成型設(shè)備產(chǎn)生震動和交變載荷，縮短了設(shè)備的使用壽命，通過改變連接板的材料特性來增加設(shè)備的穩(wěn)定性，有效的提高了極片制造的質(zhì)量，為極片成型提供了理論依據(jù)和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的解決辦法。

3.3 桿6和桿4的仿真分析

圖7 桿6仿真結(jié)果

桿6的位移是最大的，桿6與桿3位移之和正好是桿1的位移矢量，桿6的豎直位移＞桿1的豎直位移＞桿3的豎直位移。

圖8 桿4仿真結(jié)果

桿4的速度變化抖動較明顯，是交變載荷最為復(fù)雜的一個(gè)連接板，故在均化機(jī)構(gòu)中板4和與之對稱的板1都采用熱處理后的材料，以免在材料成型過程中變形過大而導(dǎo)致設(shè)備損壞和產(chǎn)品的質(zhì)量受到影響。有效的解決了均化機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和設(shè)備的可靠性。

4 結(jié)論

本章從極片制造的關(guān)鍵技術(shù)出發(fā)提出了極片制造的難題，針對極片制造的技術(shù)難題提出了均化成型的必要性。對簡化的均化成型裝置的建立了分析模型，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及軟件ADAMS進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析，得出了均化成型裝置的可靠性及其存在的問題，并提出了進(jìn)一步的解決辦法，完成了均化成型的設(shè)計(jì)，證明了該方法的可行性，對后續(xù)研究具有良好的指導(dǎo)意義。

[1]肖艷軍,王旭,陳宏,等.鋅空電池極片張力 PID 控制系統(tǒng)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2013(8)：139-141.

[2]張彥華.工程材料與成型技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

[3]范書超.鋅空燃料電池極片干嵌法成形過程機(jī)械模型的研究 [D].天津：河北工業(yè)大學(xué),2007.

[4]宋健.基于ADAMS 的虛擬樣機(jī)技術(shù)研究綜述[J].濰坊學(xué)院學(xué)報(bào),2007,6(6)：72-75.

[5]關(guān)玉明,張勇,王鵬飛,等.粉料均勻布料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].現(xiàn)代制造工程,2010(4)：28-30.

[6]林建冬,原思聰,王發(fā)展.虛擬樣機(jī)技術(shù)在ADAMS中的實(shí)踐[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2007,19(6)：66-68.