全自動(dòng)鉛酸蓄電池包片機(jī)設(shè)計(jì)研究

丁治中，黃毅松

(河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213022)

鉛酸蓄電池所消耗的鉛占全球總耗鉛量的82%[1]，生產(chǎn)過(guò)程中重金屬鉛及其氧化物排放導(dǎo)致職業(yè)病高發(fā)、造成環(huán)境污染。為降低鉛及其氧化物的危害性，鉛酸蓄電池行業(yè)強(qiáng)力實(shí)施清潔生產(chǎn)技術(shù)，在生產(chǎn)過(guò)程中最大限度地利用資源和能源，在追求經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)將對(duì)環(huán)境的污染降到最低[2]。

鉛酸蓄電池的生產(chǎn)工藝成熟，鉛塵的產(chǎn)生環(huán)節(jié)為制粉工序、和膏工序、涂板工序、分片刷耳工序、秤片工序、包片工序6個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)[3]。大多數(shù)工序都使用自動(dòng)化設(shè)備在密封狀態(tài)生產(chǎn)，有效降低了鉛塵的危害，但包片工序由于種種原因仍采用手工或半自動(dòng)的生產(chǎn)方式。

本文結(jié)合鉛酸蓄電池包片工序生產(chǎn)現(xiàn)狀，綜合考慮包片工序的人、機(jī)、原材料等因素研制環(huán)保高效的全自動(dòng)包片專機(jī)設(shè)備，彌補(bǔ)鉛酸蓄電池生產(chǎn)全過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié)。

1 包片生產(chǎn)現(xiàn)狀分析

包片是指用隔板紙包裹電池正負(fù)極板并合攏包膜制成電池集群。該工序可分解為取片、放隔板紙、疊片、壓緊、合攏包膜、入盒等動(dòng)作，其中疊片必須正負(fù)極板交替進(jìn)行。包片的前道工序?yàn)槌悠纸M，后道工序?yàn)楹附?。目前包片的方式主要有兩種，即手工包片與用半自動(dòng)包片機(jī)包片，都存在人為因素大，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工效低的問(wèn)題[4]。

1.1 手工包片

由于包片動(dòng)作復(fù)雜，長(zhǎng)期以來(lái)鉛酸蓄電池包片主要依靠手工操作來(lái)完成。手工包片優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在對(duì)設(shè)備要求低、可同時(shí)生產(chǎn)不同規(guī)格產(chǎn)品。

手工包片劣勢(shì)表現(xiàn)為鉛塵污染大、生產(chǎn)效率低。包片過(guò)程中操作工坐在工作臺(tái)前，使用如圖1 所示的專用工具保證極板對(duì)齊、提高工作效率。操作工離極板距離近，必須戴防毒面具以防吸入鉛塵；極板取放完全手工，必須帶橡皮手套防止與極板接觸。極板自重大，包片勞動(dòng)強(qiáng)度高；包片流程重復(fù)動(dòng)作多，操作工極易疲勞。此外，需要進(jìn)行隔板紙裁切、專用工具選配等輔助工作。

1.2 半自動(dòng)包片

半自動(dòng)包片采用如圖2 所示的專用包片機(jī)，操作工交替使用正負(fù)極板沿預(yù)設(shè)定長(zhǎng)壓痕刮下隔板，省去裁切、放置隔板紙動(dòng)作。工作臺(tái)面安裝單管旋風(fēng)有效降低鉛塵污染。定長(zhǎng)壓痕裝置由兩組相互平行、位置固定、壓痕方向相反的機(jī)構(gòu)組成，在上進(jìn)行長(zhǎng)度設(shè)置即可完成電池產(chǎn)品規(guī)格的變更。

圖2 半自動(dòng)包片機(jī)

半自動(dòng)包片機(jī)簡(jiǎn)化了包片動(dòng)作，可靠性高、定長(zhǎng)準(zhǔn)確、操作方便、適用性廣，能減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，有效收集鉛塵、降低污染；但包片過(guò)程與手工包片基本一致，未從根本上解決鉛塵污染問(wèn)題實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。

2 全自動(dòng)鉛酸蓄電池包片機(jī)總體方案

包片是鉛酸蓄電池裝配的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)開(kāi)發(fā)自動(dòng)化程度高的裝配設(shè)備，減少鉛塵排放，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率[5-6]。全自動(dòng)鉛酸蓄電池包片機(jī)必須實(shí)現(xiàn)負(fù)壓環(huán)境下全封閉生產(chǎn)，自動(dòng)清理、回收鉛塵；簡(jiǎn)化包片動(dòng)作，減少人工操作，提高生產(chǎn)效率。

2.1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)鉛酸蓄電池包片工藝要求，全自動(dòng)鉛酸蓄電池包片機(jī)的設(shè)計(jì)要滿足以下幾點(diǎn)：

(1)環(huán)保安全。確保設(shè)備在負(fù)壓環(huán)境下全封閉生產(chǎn)，使用專用夾具輸送工件避免人與鉛塵接觸，配備自動(dòng)除塵裝置自動(dòng)清除并集中收集鉛塵。降低操作工勞動(dòng)強(qiáng)度，生產(chǎn)操作由單一的體力勞動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榫邆浼夹g(shù)含量的數(shù)控操作。

(2)經(jīng)濟(jì)高效。設(shè)計(jì)工作效率為每48 s 生產(chǎn)1 個(gè)電池組(包含6 個(gè)集群，共90 個(gè)電池板、42 層隔板紙)。單機(jī)可替代各環(huán)節(jié)共8 個(gè)熟練操作工，聯(lián)機(jī)運(yùn)行還可進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，有助于降本增效。

(3)功能齊全。能夠完成鉛酸蓄電池包片工序所有動(dòng)作，無(wú)需人工或其他設(shè)備輔助?？砂b10～24 Ah 各規(guī)格電池板，進(jìn)行1～8 片等多種組合，生產(chǎn)不同規(guī)格產(chǎn)品。

(4)穩(wěn)定可靠。充分考慮了識(shí)別性、安全性、通用性原則，采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊獨(dú)立運(yùn)行，便于維修、調(diào)試。確保產(chǎn)品一致性，外形尺寸公差控制在±0.05 mm。

2.2 工作原理

全自動(dòng)鉛酸蓄電池包片機(jī)工作原理：極板自動(dòng)上料裝置將正負(fù)極板輸送至各工位，同時(shí)隔板紙自動(dòng)放卷裝置預(yù)放定長(zhǎng)隔板紙，隔板紙切斷裝置切紙；然后極板推送裝置分別推送正負(fù)極板進(jìn)入隔板倉(cāng)中，用隔板紙包裹極板確保正負(fù)極板絕緣；最后推送裝置將包片后的正負(fù)極板壓緊、合攏包膜、入盒，用輸送帶將組裝好的電池集群送出。設(shè)備底部配備自動(dòng)除塵裝置，可將電池極板脫落的有害粉塵自動(dòng)清除并集中收集處理，密封入袋。不同規(guī)格電池的技術(shù)參數(shù)調(diào)整由技術(shù)人員導(dǎo)入控制系統(tǒng)。為方便觀察設(shè)備工作狀態(tài)還配備觀測(cè)窗與照明系統(tǒng)。

2.3 優(yōu)化工藝流程

產(chǎn)品功能原理方案的優(yōu)劣，決定著產(chǎn)品的性能水平、成本和競(jìng)爭(zhēng)力[7]。全自動(dòng)鉛酸蓄電池包片機(jī)工作原理以手工包片和半自動(dòng)包片為依據(jù)，優(yōu)化了包片動(dòng)作，用自動(dòng)化技術(shù)替代人工操作。根據(jù)工作原理及各動(dòng)作特征如圖3 所示優(yōu)化工藝流程、縮短生產(chǎn)時(shí)間，利用不同裝置同步進(jìn)行極板與隔板紙的物料輸送，改良包片方式將推送極板與包片動(dòng)作結(jié)合。

圖3 自動(dòng)包片工藝流

2.4 設(shè)計(jì)方案分析

根據(jù)工藝流程分析可知，壓緊、合攏包膜、入盒動(dòng)作是包片完成后的輔助動(dòng)作，對(duì)設(shè)備工作效率影響不大。包片、堆疊是關(guān)鍵動(dòng)作，如表1 所示有兩種實(shí)施方案：(1)模擬手工包片正負(fù)極板依次疊片，多次包片、堆疊完成一個(gè)電池集群；(2)正負(fù)極板疊片同時(shí)進(jìn)行，電池集群一次成型。由于極板堆疊方式、推送行程距離不同，涉及的物料輸送方式不同，兩種方案的設(shè)備組成部分及布局差異很大。

表1 包片、堆疊實(shí)施方案

兩種實(shí)施方案技術(shù)水平接近。包片堆疊一次成型需要多個(gè)隔板切斷裝置、極板推送裝置和極板包入裝置，增加了部件數(shù)量和物料輸送距離，影響設(shè)備穩(wěn)定性，增加設(shè)備成本；依次包片堆疊影響單機(jī)生產(chǎn)效率。綜合考慮各種因素，方案一更為合理。

2.5 設(shè)備基本組成

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合工作原理優(yōu)化工藝流程、分析設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)全自動(dòng)鉛酸蓄電池包片機(jī)。該設(shè)備包片模塊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4 所示。

(1)隔板紙自動(dòng)放卷裝置：配合包片動(dòng)作自動(dòng)輸送隔板紙，根據(jù)極板長(zhǎng)度控制隔板紙長(zhǎng)度。

(2)隔板紙切斷裝置：根據(jù)需要將隔板紙切割成一定長(zhǎng)度，防止裁切時(shí)撕裂。

(3)極板自動(dòng)上料裝置：每次推送前將極板輸送一個(gè)片厚高度。

圖4 全自動(dòng)鉛酸蓄電池包片機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

(4)極板推送裝置：每次從夾具中推送一片極板至指定位置。

(5)極板包入裝置：確保隔板紙包裹極板，保證極板、隔板紙對(duì)齊。

(6)合攏包膜入盒裝置：進(jìn)行包片后的極板堆疊，用等間距隔板限定包片后的極板位置；疊片完成后將隔板紙、正負(fù)極板壓緊，外部包膜放入周轉(zhuǎn)盒中。

本設(shè)備還包含PLC 程序控制系統(tǒng)、自動(dòng)除塵裝置、輸送帶和照明系統(tǒng)。

3 全自動(dòng)包片機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題

包片工序復(fù)雜，確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行、保證產(chǎn)品質(zhì)量還需要解決一些關(guān)鍵問(wèn)題。

3.1 極板質(zhì)量

人工包片或半自動(dòng)包片過(guò)程中可以人工篩選極板，對(duì)極板精度要求相對(duì)較低；全自動(dòng)包片則是全封閉生產(chǎn)，一旦極板形變過(guò)大或相互粘連將導(dǎo)致故障。因此，需要嚴(yán)控極板厚度、形變量、濕度、光潔度。

3.2 極板上料

正負(fù)極板上料需分開(kāi)進(jìn)行確保相互絕緣。輸送方式有兩種，從頂部取片需要配備頂升機(jī)構(gòu)，從底部取片靠極板自重下落。從頂部取片在一組極板輸送完成后，頂升機(jī)構(gòu)需要快速回落歸位，造成生產(chǎn)過(guò)程間斷。從底部取片由于極板自重大易造成變形，此外增大極板間摩擦力導(dǎo)致鉛塵脫落。綜合考慮各種因素，一般采用頂部取片。

3.3 極板推送

用限位機(jī)構(gòu)確保每次都順利推送一片極板至指定位置，確保隔板紙將極板包裹。每個(gè)電池集群正負(fù)極板數(shù)量不一致，最后一次堆疊僅推送負(fù)極板。

3.4 合攏

疊片過(guò)程中極板、隔板紙之間留有空隙，壓緊動(dòng)作使極板嵌入隔板紙中，不再發(fā)生移位，確保極板間絕緣。為確保合攏精度，前期疊片過(guò)程中極板必須對(duì)齊，否則集群尺寸誤差大無(wú)法入盒。

4 結(jié)語(yǔ)

為了解決當(dāng)前鉛酸蓄電池包片工序鉛塵污染大、生產(chǎn)效率低的問(wèn)題，進(jìn)行了全自動(dòng)鉛酸蓄電池包片機(jī)設(shè)計(jì)。根據(jù)包片生產(chǎn)現(xiàn)狀提出設(shè)計(jì)要求，分析工作原理；結(jié)合手工包片及半自動(dòng)包片優(yōu)化工藝流程，并進(jìn)行設(shè)計(jì)方案探討；根據(jù)優(yōu)選方案分析設(shè)備基本組成。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，防止鉛塵污染，解決環(huán)保問(wèn)題；簡(jiǎn)化操作難度，降低工作強(qiáng)度，減少用工需求，降低用工條件。運(yùn)用自動(dòng)化理念、技術(shù)設(shè)計(jì)制造工藝與裝備，實(shí)現(xiàn)鉛酸蓄電池生產(chǎn)綠色、高效需求。

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