一種鋰電池正極材料生產(chǎn)用翻轉(zhuǎn)清掃一體化設(shè)備研制

宋超 汪訓(xùn)浪 石秀彬

在鋰電池正極材料自動(dòng)化生產(chǎn)線中，對(duì)卸料后匣缽的殘余粉料清掃是其中不可或缺的一道工序。為實(shí)現(xiàn)清掃和倒殘料在單工位上雙個(gè)功能的整合，本文從設(shè)備整體布局、部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、相關(guān)參數(shù)確定等方面，較全面地介紹了翻轉(zhuǎn)清掃一體化設(shè)備的研制思路以及實(shí)際使用中可能出現(xiàn)的問(wèn)題。所設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)清掃設(shè)備布局緊湊、結(jié)構(gòu)合理、工作可靠、能夠有效降低成本，可完全滿足自動(dòng)化生產(chǎn)的工藝要求。

粉料;匣缽;翻轉(zhuǎn);清掃;自動(dòng)線

引言

隨著鋰電池在新能源行業(yè)的大量生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用，鋰電池正極材料的需求也在日益增多。目前鋰電池行業(yè)正極材料的生產(chǎn)制備均需通過(guò)電子窯爐燒結(jié)工藝來(lái)達(dá)到特定的性能要求，而在燒結(jié)前需要將粉體物料裝入到方形匣缽內(nèi)，然后通過(guò)配套的循環(huán)生產(chǎn)線輸送到各個(gè)工位實(shí)現(xiàn)連續(xù)的自動(dòng)化生產(chǎn)。其中裝載粉料的匣缽在燒結(jié)并完成卸料后依然會(huì)有部分殘余粉料依附于缽內(nèi)壁面上，若不加以清掃處理，會(huì)對(duì)后道檢測(cè)以及粉料燒結(jié)質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。對(duì)于流動(dòng)性較好的粉料常采用氣吹清掃方式，而對(duì)于流動(dòng)性差易粘壁的粉料清掃問(wèn)題則難以解決：目前大部分都需人工取下清掃，工作效率低、粉塵污染大;或采用毛刷清掃工位+翻轉(zhuǎn)倒料工位的組合形式，配置繁復(fù)，設(shè)備成本高。因此，亟需開(kāi)發(fā)一種結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高的翻轉(zhuǎn)清掃一體化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)高效清潔匣缽，同時(shí)回收殘留粉料的目的。

1.翻轉(zhuǎn)清掃設(shè)備在自動(dòng)化生產(chǎn)線中的配置和相關(guān)技術(shù)參數(shù)

1.1 自動(dòng)化生產(chǎn)線整體配置

用于鋰電池正極材料的燒結(jié)窯爐較為典型的配套自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)備配置主要包括：上料工位、卸料工位、兩組升降機(jī)、清掃工位以及帶緩存功能的輸送線體（如下圖1所示）。對(duì)于不同物料的不同工藝要求，還會(huì)配置生/熟料切塊、搖勻、分疊缽等工位，此處不作細(xì)述。其中，清掃工位配置是用于清掃并回收卸料后匣缽內(nèi)的殘存粉料。

如引言中所述，對(duì)于磷酸鐵鋰、鈦酸鋰等流動(dòng)性較好的粉料目前常采用氣吹清掃的方式，其原理是通過(guò)仿型回字壓蓋將頂起后的匣缽壓緊密封，然后在蓋板四周及中間5處進(jìn)氣點(diǎn)通入壓縮空氣，形成整體螺旋式吹氣，最后高壓除塵風(fēng)機(jī)將殘料從除塵接口抽至除塵布袋中回收。其原理示意圖如下圖2所示：

對(duì)于高鎳三元系正極材料其流動(dòng)性較差，卸料后容易出現(xiàn)粘壁現(xiàn)象，氣吹無(wú)法到達(dá)清潔目的。目前解決這一技術(shù)問(wèn)題相對(duì)高端的方式是采取多自由度機(jī)械臂將匣缽搬離線體至獨(dú)立的清掃裝置進(jìn)行清掃、傾倒和收集殘料，但相應(yīng)地大幅增加了設(shè)備成本，且難于保證防塵、密封。較常規(guī)的方式則是配置毛刷清掃工位先將殘料從缽壁刷落，然后至后續(xù)翻轉(zhuǎn)倒料工位傾倒回收，雙工位配置較為繁復(fù)。故本文基于此對(duì)清掃和倒殘料在單工位上進(jìn)行兩個(gè)功能的整合，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的一體化，以精簡(jiǎn)設(shè)備配置，提高經(jīng)濟(jì)性。

1.2 翻轉(zhuǎn)清掃一體化設(shè)備相關(guān)技術(shù)參數(shù)

（1）匣缽?fù)庑纬叽纾?20*320*150（帶豁口）

（2）匣缽重量/粉料裝載量： 8kg/7 kg

（3）設(shè)備主體長(zhǎng)*寬*高：1832*1265*1450mm

（4）設(shè)備總功率：1.5KW

（5）線體傳輸速度：約10m/min

（6）工位處理節(jié)拍：45S

（7）廢料殘余率：≤5%

（8）傳動(dòng)方式：電動(dòng)輥筒，直徑Φ60mm

（9）翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)：帶抱剎伺服電機(jī)+配套減速器

（10）清掃件：普通電機(jī)+定制毛刷

（11）清掃升降裝置：同步帶-滑軌式直線模組

（12）升降行程：200mm

（13）翻轉(zhuǎn)倉(cāng)密封方式：斜壓式密封自動(dòng)門

（14）設(shè)備稼動(dòng)率：≥98%

2.工序流程分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 設(shè)備的工序流程分析

按照翻轉(zhuǎn)清掃設(shè)備預(yù)實(shí)現(xiàn)的功能要求，其工序流程應(yīng)包括如下步驟：

S1：卸料完畢后的匣缽?fù)ㄟ^(guò)前置輸送線體經(jīng)進(jìn)口倉(cāng)門被送入翻轉(zhuǎn)倉(cāng)內(nèi)。

S2：行程開(kāi)關(guān)檢測(cè)匣缽到達(dá)預(yù)定位置后被阻擋，夾持機(jī)構(gòu)將匣缽?qiáng)A緊限位。

S3：旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)翻轉(zhuǎn)盤(pán)翻轉(zhuǎn)180°使匣缽倒扣（帶機(jī)械限位避免掉缽）。

S4：清掃組件升到高位，電機(jī)帶動(dòng)毛刷旋轉(zhuǎn)清掃匣缽內(nèi)壁。

S4：清掃完畢后，清掃組件降至低位，匣缽翻轉(zhuǎn)復(fù)位，阻擋夾持松開(kāi)。

S5：匣缽?fù)ㄟ^(guò)后置輸送線體經(jīng)出口倉(cāng)門被送至下一道工序。

2.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）在翻轉(zhuǎn)卸料設(shè)備基礎(chǔ)上對(duì)翻轉(zhuǎn)裝置及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使翻轉(zhuǎn)盤(pán)總體尺寸更小，保證清掃組件有足夠的升降高度和安裝空間。

（2）如何實(shí)現(xiàn)匣缽的阻擋、夾持和翻轉(zhuǎn)的一系列動(dòng)作，且在翻轉(zhuǎn)清掃過(guò)中不會(huì)發(fā)生匣缽掉落和竄動(dòng)現(xiàn)象。

（3）清掃及升降設(shè)計(jì)：在工作面高度885mm限制的前提下，如何實(shí)現(xiàn)清掃組件低位避讓匣缽翻轉(zhuǎn)、高位毛刷清掃的功能要求。同時(shí)在高粉塵環(huán)境下其結(jié)構(gòu)可靠性也很關(guān)鍵。

（4）設(shè)備整體的密封和防塵措施：需做好固定件與運(yùn)動(dòng)件之間的密封，防止粉塵污染避免匣缽清掃過(guò)程中造成粉塵飛揚(yáng)外溢等。

3.設(shè)備主要結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)

為了滿足匣缽翻轉(zhuǎn)清掃的工序要求，本設(shè)備采用串行式箱體結(jié)構(gòu)，由翻轉(zhuǎn)盤(pán)組件、電動(dòng)滾筒、兩側(cè)阻擋夾持機(jī)構(gòu)、前后自動(dòng)門裝置、密封腔體、清掃裝置、接料盒等部件構(gòu)成。具體結(jié)構(gòu)如下圖4所示。

3.1 翻轉(zhuǎn)裝置及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

由于翻轉(zhuǎn)倉(cāng)內(nèi)空間限制較大，特采用電動(dòng)滾筒傳動(dòng)輸送匣缽，以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。通過(guò)翻轉(zhuǎn)主軸、滾筒和兩側(cè)翻轉(zhuǎn)盤(pán)等共同構(gòu)成旋轉(zhuǎn)體，由伺服驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，如下圖4所示：

翻轉(zhuǎn)盤(pán)最小尺寸對(duì)應(yīng)匣缽體對(duì)角線長(zhǎng)度及阻擋夾持機(jī)構(gòu)安裝尺寸，經(jīng)設(shè)計(jì)確定其直徑為D=500m，其間均布4組電動(dòng)滾筒，間距120mm（不可大于140mm），避免匣缽經(jīng)過(guò)兩軸時(shí)因空擋過(guò)大在重力作用下發(fā)生傾斜，從而保證傳輸?shù)钠椒€(wěn)性。滾筒直徑與主線體輥輪直徑保持一致為Φ60mm，線速度5～10m/min配調(diào)速器可控。同時(shí)，在一側(cè)翻轉(zhuǎn)盤(pán)上安裝臥式機(jī)械行程開(kāi)關(guān)以檢測(cè)匣缽到位。翻轉(zhuǎn)組件整體結(jié)構(gòu)緊湊，易于拆卸和維修。

此外，在翻轉(zhuǎn)主軸一端上安裝機(jī)械限位機(jī)構(gòu)以確保翻轉(zhuǎn)角度是在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，且在0°和180°兩處極限位置分別安裝接近開(kāi)關(guān)，檢測(cè)轉(zhuǎn)盤(pán)的實(shí)際翻轉(zhuǎn)角度，避免翻轉(zhuǎn)盤(pán)出現(xiàn)誤動(dòng)作。

3.2 匣缽阻擋夾持機(jī)構(gòu)

匣缽到位即處于翻轉(zhuǎn)中心軸前后對(duì)稱時(shí)需對(duì)其進(jìn)行阻擋和夾持限位。特設(shè)計(jì)一種夾爪—空心軸套式的夾持阻擋結(jié)構(gòu)，分別安裝于兩翻轉(zhuǎn)盤(pán)外側(cè)且套設(shè)在翻轉(zhuǎn)主軸上，具體結(jié)構(gòu)如下圖5所示：

在此機(jī)構(gòu)的阻擋和上限位處安裝尼龍塊、夾持處安裝彈性橡膠墊，并分別穿過(guò)翻轉(zhuǎn)盤(pán)上對(duì)應(yīng)的槽口（見(jiàn)圖4）;空心軸套段內(nèi)襯耐磨滑動(dòng)膜，外裝自調(diào)心滾動(dòng)軸承，軸承外圈安裝于推板的孔座上;由兩側(cè)導(dǎo)桿氣缸分別通過(guò)推板帶動(dòng)阻擋夾持機(jī)構(gòu)沿著翻轉(zhuǎn)主軸滑動(dòng)，在其可隨翻轉(zhuǎn)組件一起旋轉(zhuǎn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)夾板的開(kāi)合動(dòng)作。采用這種將匣缽周邊“框”住和側(cè)面壓緊的方式能夠可靠限位匣缽避免在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中滑落以及清掃時(shí)發(fā)生竄動(dòng)現(xiàn)象。而且由于執(zhí)行氣缸是安裝在翻轉(zhuǎn)倉(cāng)外，可以規(guī)避在粉塵環(huán)境下容易卡頓故障的問(wèn)題。

3.3 清掃組件及升降模組

匣缽在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中清掃組件須與之避讓，翻轉(zhuǎn)180°到位后匣缽倒扣，清掃組件升起清掃匣缽四壁及底部。計(jì)算得出升降行程S=200mm，鑒于底部高度空間十分有限且環(huán)境粉塵較大，普通氣缸或者絲杠類升降結(jié)構(gòu)無(wú)法適用。為此選用一種同步帶-滑軌式直線模組，具備抗振動(dòng)、耐沖擊和高粉塵等特點(diǎn)，可滿足于此此類苛刻工況的使用要求。此外，毛刷形式為十字型定制毛刷，設(shè)計(jì)保證其輪廓清掃時(shí)時(shí)與匣缽的貼合度最大化，以減小清掃死角。具體結(jié)構(gòu)如下圖6所示：

3.4 設(shè)備整體的密封和防塵

為防止清掃匣缽過(guò)程中產(chǎn)生揚(yáng)塵外溢，在翻轉(zhuǎn)倉(cāng)上部采用整體式密封腔安裝于框架平臺(tái)上。腔體兩端設(shè)計(jì)斜壓式密封自動(dòng)門裝置;兩側(cè)開(kāi)觀察窗和維修窗，便于觀察以及故障時(shí)取缽維修;頂部設(shè)計(jì)除塵接口與高壓風(fēng)機(jī)相連進(jìn)行除塵，且保持倉(cāng)內(nèi)微負(fù)壓，具體結(jié)構(gòu)如下圖7所示?？蚣芟虏克闹芊獍迕芊?，底部配抽屜式廢料收集盒便于廢料回收。主要電氣元器件包括伺服裝置、氣缸、毛刷電機(jī)、直線模組等安裝防塵罩。

4.設(shè)備其他相關(guān)問(wèn)題分析

（1）將毛刷清掃工位和翻轉(zhuǎn)倒殘料工位集成到一個(gè)翻轉(zhuǎn)清掃工位上，可以較大幅度降低設(shè)備成本，但也會(huì)導(dǎo)致處理節(jié)拍有所增加?？赏ㄟ^(guò)優(yōu)化各執(zhí)行器件的動(dòng)作時(shí)間達(dá)到整線節(jié)拍要求，若無(wú)法滿足則可考慮配置兩組翻轉(zhuǎn)清掃設(shè)備并行處理。

（2）由于匣缽為方形凹狀結(jié)構(gòu)，單自由度的毛刷旋轉(zhuǎn)清掃方式必然會(huì)存在一定的清掃死角，只能通過(guò)優(yōu)化毛刷結(jié)構(gòu)以以降低廢料殘余率。當(dāng)然理論上可采取多自由度行走清掃方式實(shí)現(xiàn)無(wú)死角清掃，相應(yīng)的設(shè)備成本會(huì)提高，結(jié)構(gòu)也會(huì)更復(fù)雜。

（3）取決于整線工作面高度要求，使得本設(shè)備采取的廢料收集方式為抽屜式廢料收集盒需人工定期收料。對(duì)于可滿足設(shè)計(jì)所需高度或設(shè)備布局在抬升后的鋼平臺(tái)上的情況則可安裝收料漏斗，底部收料接口接除塵風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收料。

5.總結(jié)

（1）根據(jù)鋰電池正極材料的自動(dòng)化生產(chǎn)工序要求、匹配整線配置，設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)清掃設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)形式并確定了設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)。

（2）翻轉(zhuǎn)盤(pán)組件、阻擋夾持機(jī)構(gòu)、清掃組件和升降模塊是本設(shè)備的核心零部件，相應(yīng)地在翻轉(zhuǎn)或靜止時(shí)，保持匣缽有效阻擋夾持定位且不影響其轉(zhuǎn)動(dòng);在高粉塵環(huán)境下能夠可靠地升降清掃;輔以整體密封和防塵措施，是本設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

（3）定性分析了本設(shè)備可結(jié)合實(shí)際情況做改進(jìn)和完善的幾個(gè)問(wèn)題點(diǎn)。但總言之，通過(guò)研制一種翻轉(zhuǎn)清掃一體化工位，可解決目前鋰電池正極材料自動(dòng)化生產(chǎn)中流動(dòng)性不好的粉料難于清掃的技術(shù)難題，有效降低設(shè)備成本、減少人工干預(yù)、提高生產(chǎn)效率。

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作者簡(jiǎn)介：宋超（1983.10-），男，河北唐山人，大學(xué)本科，畢業(yè)于南京理工大學(xué)，自動(dòng)化專業(yè)，于2007年7月加入中國(guó)電子科技集團(tuán)公司合肥恒力裝備有限公司。