貫流式旋轉(zhuǎn)閥機(jī)械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)實(shí)踐

葛海平

(上海明子實(shí)業(yè)有限公司,上海200434)

國際石油資源越來越少,這些年呈萎縮的趨勢,每個(gè)國家在開發(fā)新能源的領(lǐng)域爭先恐后,我國也出臺(tái)了一系列的扶持和減稅的政策大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)鏈。新能源領(lǐng)域,三元鋰電池的發(fā)展首當(dāng)其沖。三元鋰電池的制作工藝中,鎳鈷錳的物料輸送模塊是重中之重。物料輸送模塊中,旋轉(zhuǎn)閥的壓力輸送、定量供給、定時(shí)供給系統(tǒng)不可或缺。所以貫流式旋轉(zhuǎn)閥在整個(gè)氣流輸送系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色。整個(gè)三元鋰電池生產(chǎn)過程中,若旋轉(zhuǎn)閥部件之間運(yùn)行不暢、或者機(jī)械部件之間相互摩擦的話,伴隨著一系列嚴(yán)重的問題,比如噪音和異物混入。噪音的問題通常是由部件之間的摩擦引起的,部件之間的相互摩擦?xí)茐牟考砻娴奶蓟u熔射層,造成異物混入物料。異物混入在鋰電池的生產(chǎn)過程中,屬于重大事故。

1 產(chǎn)線介紹

廈門鎢業(yè)順應(yīng)國家大力發(fā)展新能源材料的號(hào)召,在鎢精礦、鎢鉬中間制品、粉末產(chǎn)品、三元正極材料等鋰電池材料及其它能源新材料的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售方面加大研發(fā)和投入。三元鋰電池前驅(qū)體制作工程的氣流輸送這個(gè)項(xiàng)目,是整個(gè)三元鋰電池前驅(qū)體制作工程中很小的一個(gè)模塊,已經(jīng)完成并投入使用了。

貫流式旋轉(zhuǎn)閥上面是高濃度氣流輸送裝置,高濃度氣流輸送裝置上面是自動(dòng)投料裝置。

貫流式旋轉(zhuǎn)閥連接陶瓷管道,貫流式旋轉(zhuǎn)閥下面(轉(zhuǎn)下頁)是正壓風(fēng)機(jī)。三元材料鎳鈷錳物料通過自動(dòng)投料系統(tǒng)投入到高濃度氣流輸送裝置后,由貫流式旋轉(zhuǎn)閥進(jìn)行定時(shí)、定量的供給,再利用正壓風(fēng)機(jī)的壓力,通過陶瓷管道輸送給下一道工序。詳見圖1：高濃度氣流輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 高濃度氣流輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 問題出現(xiàn)

2.1 貫流式旋轉(zhuǎn)閥的工作原理。貫流式旋轉(zhuǎn)閥的主軸,一端連接主軸箱,電機(jī)由鏈傳動(dòng)通過主軸箱帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。一端伸入到貫流式旋轉(zhuǎn)閥的閥體內(nèi)部。側(cè)板型轉(zhuǎn)子葉片的主軸部分,在閥體內(nèi)部呈懸空的狀態(tài)。側(cè)板型轉(zhuǎn)子在主軸的固定方式為過盈配合,傳動(dòng)方式為過盈式四角連接的方式。主軸、側(cè)板型轉(zhuǎn)子葉片、旋轉(zhuǎn)閥閥體和端蓋材質(zhì)均為不銹鋼SUS316。閥體內(nèi)腔、旋轉(zhuǎn)閥端蓋和側(cè)板型轉(zhuǎn)子葉片表面均經(jīng)過碳化鎢熔射處理,厚度為0.3-0.4mm。詳見圖2：轉(zhuǎn)子葉片端結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 轉(zhuǎn)子葉片端結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 問題的產(chǎn)生及原因分析。物料傳輸系統(tǒng)運(yùn)行半年后有兩臺(tái)貫流式旋轉(zhuǎn)閥出現(xiàn)空轉(zhuǎn)的時(shí)候無異常,但是在帶料運(yùn)行、高濃度氣流輸送裝置內(nèi)部壓力達(dá)到130kpa 的時(shí)候,出現(xiàn)刺耳的異響的問題。在通過旋轉(zhuǎn)閥供給、正壓風(fēng)機(jī)輸送的下一道工序內(nèi),物料取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),物料中的鐵元素超過允許值10 倍。這是異物混入重大事故,異物混入在三元正極材料的生產(chǎn)制作中是絕對禁止的。

首先有一點(diǎn)很明確,異響肯定來自側(cè)板式轉(zhuǎn)子葉片與旋轉(zhuǎn)閥閥體內(nèi)腔或者兩端端蓋的接觸。有碳化鎢熔射層的金屬部件相互摩擦產(chǎn)生刺耳的異響,相互摩擦之后造成表面碳化鎢熔射層的磨損和破壞。熔射層破壞之后,不銹鋼部件之后相互摩擦,不但造成刺耳的異響,還造成摩擦產(chǎn)生的不銹鋼粉末混入物料,形成異物混入。具體分析可能來自如下幾個(gè)原因：第一,因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上,主軸伸入旋轉(zhuǎn)閥閥體內(nèi)部的一端是懸空的結(jié)構(gòu),物料的重力以及高濃度空氣輸送裝置腔體內(nèi)的壓力,可能造成主軸的一端撓性彎曲。從而造成了側(cè)板型轉(zhuǎn)子葉片與閥體內(nèi)壁接觸,以及側(cè)板型轉(zhuǎn)子葉片與閥體左右端蓋接觸和摩擦。第二,因?yàn)樾D(zhuǎn)閥的主軸和側(cè)板式轉(zhuǎn)子是過盈式配合,傳動(dòng)是通過四角連接。四角連接是一個(gè)不緊密的連接方式,隨著使用時(shí)間的加長,側(cè)板式轉(zhuǎn)子的四角結(jié)構(gòu)和主軸之間會(huì)產(chǎn)生越來越松動(dòng)和間隙,從而產(chǎn)生摩擦和振動(dòng)。因?yàn)閭?cè)板式轉(zhuǎn)子葉片的四角結(jié)構(gòu)和主軸表面的四角結(jié)構(gòu)是不銹鋼SUS316 材質(zhì),如果長時(shí)間摩擦和振動(dòng),會(huì)造成表面磨損,從而產(chǎn)生不銹鋼粉末混入物料中,造成物料中的鐵元素嚴(yán)重超標(biāo)。

3 貫流式旋轉(zhuǎn)閥機(jī)械結(jié)構(gòu)改造方案

3.1 貫流式旋轉(zhuǎn)閥拆解分析。基于上面的分析,對發(fā)生異響和異物混入的貫流式旋轉(zhuǎn)閥進(jìn)行了現(xiàn)場拆解。拆解的結(jié)果發(fā)現(xiàn),旋轉(zhuǎn)閥閥體內(nèi)部、端蓋、側(cè)板式轉(zhuǎn)子葉片上均有劃痕,如圖1、2、3。側(cè)板型轉(zhuǎn)子從主軸上拆解的時(shí)候,感覺到非常容易拆下,松動(dòng)已經(jīng)很明顯,已經(jīng)是近似間隙配合的狀態(tài)。

圖3 旋轉(zhuǎn)閥端蓋

圖4 旋轉(zhuǎn)閥閥體內(nèi)腔

圖5 轉(zhuǎn)子葉片

根據(jù)主軸的長度和材質(zhì),計(jì)算出在正常工作狀態(tài)壓力下,主軸伸入旋轉(zhuǎn)閥閥體的一端,發(fā)生撓性彎曲,進(jìn)而造成側(cè)板型轉(zhuǎn)子葉片和閥體、側(cè)板型轉(zhuǎn)子葉片和兩端端蓋接觸的可能性極小,從而排除主軸撓性彎曲的原因。進(jìn)而推斷可能是側(cè)板式轉(zhuǎn)子和主軸之間的四角傳動(dòng)連接,是結(jié)構(gòu)上的缺陷,也是造成這次異響和異物混入的主要原因。

3.2 貫流式旋轉(zhuǎn)閥機(jī)械機(jī)構(gòu)改進(jìn)方案。

3.2.1 旋轉(zhuǎn)閥主軸四角連接改造。旋轉(zhuǎn)閥主軸和側(cè)板型轉(zhuǎn)子葉片之間原來的設(shè)計(jì)有一些弊端：側(cè)板型轉(zhuǎn)子的輪轂和主軸之間是過盈配合,轉(zhuǎn)子輪轂的一端和主軸上的四角連接也是過盈配合。過盈配合是一種不緊密的配合方式,旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)子在工作狀態(tài),會(huì)承受來自高濃度氣流輸送裝置腔體內(nèi)的壓力和物料的壓力,旋轉(zhuǎn)過程中,要承受相當(dāng)?shù)呐ちΑ６D(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力,完全來自主軸和轉(zhuǎn)子之間的過盈配合。使用時(shí)間長了之后,過盈配合會(huì)發(fā)生松動(dòng),進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生間隙。間隙產(chǎn)生后,轉(zhuǎn)子輪轂和主軸之間就會(huì)產(chǎn)生摩擦和振動(dòng)。振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生異響,摩擦?xí)a(chǎn)生金屬粉末進(jìn)入物料,造成異物混入物料。所以,轉(zhuǎn)子與主軸之間的過盈配合連接和過盈配合式驅(qū)動(dòng),是貫流式旋轉(zhuǎn)閥的結(jié)構(gòu)缺陷,也是造成這次異響、異物混入事故的首要原因。

圖6 改造前：主軸與轉(zhuǎn)子四角連接示意圖

圖7 改造后：主軸與轉(zhuǎn)子鍵連接示意圖

改造方案：把旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)子和主軸之間的驅(qū)動(dòng)方式,由四角連接改造為平鍵連接。平鍵連接在主軸驅(qū)動(dòng)方面有天然的優(yōu)勢：第一,傳遞的扭矩大,第二,配合嚴(yán)緊,裝拆方便。第三,運(yùn)行安全平穩(wěn),無噪音,振動(dòng)小。詳見圖6：改造前：主軸與轉(zhuǎn)子四角連接示意圖、圖7：改造后：主軸與轉(zhuǎn)子鍵連接示意圖。

3.2.2 旋轉(zhuǎn)閥側(cè)板型轉(zhuǎn)子輪轂,空心設(shè)計(jì)改造。貫流式旋轉(zhuǎn)閥原設(shè)計(jì),側(cè)板型轉(zhuǎn)子和主軸之間是過盈配合,驅(qū)動(dòng)是四角傳動(dòng)。四角驅(qū)動(dòng)所受的扭力較小,所以側(cè)板型轉(zhuǎn)子的輪轂,采用的是空心設(shè)計(jì)。詳見圖2(7)部位?？招脑O(shè)計(jì)保證了轉(zhuǎn)子的重量較小,更容易被驅(qū)動(dòng),但是也有弊端,空心設(shè)計(jì)承受壓力的能力較小,容易彈性變形,在長時(shí)間地運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,如果發(fā)生彈性變形,容易造成旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)子葉片和旋轉(zhuǎn)閥閥體內(nèi)腔、轉(zhuǎn)子葉片和旋轉(zhuǎn)閥兩端端蓋之間的接觸和摩擦。另一方面,空心設(shè)計(jì)更容易產(chǎn)生振動(dòng)和噪音。

側(cè)板型轉(zhuǎn)子和主軸之間的驅(qū)動(dòng)改造為平鍵連接之后,比原設(shè)計(jì)能承受更大的扭力,所以,如果把轉(zhuǎn)子的輪轂改為實(shí)心設(shè)計(jì)的話,能使整個(gè)系統(tǒng)更穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.2.3 旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)子葉片與閥體之間、側(cè)板型轉(zhuǎn)子和閥體端蓋之間的間隙改造。原設(shè)計(jì)中,為了實(shí)現(xiàn)貫流式旋轉(zhuǎn)閥更精確的定量供給的功能,旋轉(zhuǎn)閥側(cè)板型轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)閥閥體之間、側(cè)板型轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)閥兩端端蓋之間的間隙都是設(shè)計(jì)為1mm。詳見圖2：(3)(5)(6)部位。實(shí)際上在正常的工作狀態(tài),不需要非常精確。間隙過小的話,還容易造成轉(zhuǎn)子葉片在承受來自高濃度氣流輸送裝置內(nèi)的氣壓和物料的重力時(shí)產(chǎn)生微小的彈性變形。彈性變形容易造成側(cè)板式轉(zhuǎn)子葉片和旋轉(zhuǎn)閥閥體、轉(zhuǎn)子葉片和兩端端蓋之間的接觸,只要接觸發(fā)生,就有金屬部件之間的摩擦。金屬部件之間的摩擦,造成了金屬表面碳化鎢熔射層的摩擦和破壞。不銹鋼部件之間的摩擦,會(huì)產(chǎn)生金屬粉末進(jìn)入物料中,從而造成異物混入。

結(jié)合上述原因,如果將側(cè)板型轉(zhuǎn)子葉片和旋轉(zhuǎn)閥閥體內(nèi)腔之間、轉(zhuǎn)子葉片和兩端端蓋之間的間隙改造為2mm,對于實(shí)際的運(yùn)轉(zhuǎn)、對于有效的定量供給,并不會(huì)產(chǎn)生很大的影響。所以最終將上述的兩個(gè)間隙,改造為2mm。

4 改造后的貫流式旋轉(zhuǎn)閥運(yùn)行測試

基于上述三點(diǎn)改造方案確定之后,重新設(shè)計(jì)了貫流式旋轉(zhuǎn)閥的主軸、側(cè)板型轉(zhuǎn)子葉片和閥體的結(jié)構(gòu)和尺寸,分別找到制造商進(jìn)行加工制作。制作后的側(cè)板型轉(zhuǎn)子葉片、旋轉(zhuǎn)閥閥體內(nèi)腔、兩端端蓋,嚴(yán)格按照改造圖紙進(jìn)行碳化鎢熔射。因?yàn)榫纫蠛芨?所以各個(gè)部件加工前后和碳化鎢熔射前后都進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量管理。各部件完成后,重新組裝,旋轉(zhuǎn)閥單件空轉(zhuǎn)測試良好,運(yùn)行平穩(wěn)、無異響。

把貫流式旋轉(zhuǎn)閥安裝到工廠現(xiàn)場氣流輸送裝置中去,再次進(jìn)行空載測試,結(jié)果良好,無異響,振動(dòng)測試結(jié)果：振動(dòng)速度值為1.3mm/s, A 級(jí)。再次進(jìn)行帶料測試,結(jié)果依然是良好,無異響,振動(dòng)測試結(jié)果依舊是1.3mm/s, A 級(jí)。在貫流式旋轉(zhuǎn)閥的下道工序,鎳鈷錳物料取料進(jìn)行化學(xué)成分測試,結(jié)果良好,含鐵元素的百分比在允許范圍之內(nèi)。

貫流式旋轉(zhuǎn)閥改造完成現(xiàn)系統(tǒng)已運(yùn)行一年半,目前整個(gè)氣流輸送系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn),振動(dòng)、噪音無異常,下道工序物料取樣化學(xué)成分測試結(jié)果良好,無異物混入情況發(fā)生。

5 結(jié)論

本文基于廈門鎢業(yè)三元正極材料項(xiàng)目中,物料氣流輸送模塊的貫流式旋轉(zhuǎn)閥出現(xiàn)的異響、三元前驅(qū)體材料鎳鈷錳物料中有大量鐵元素混入的問題點(diǎn),進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的分析。鐵元素的混入,一定是不銹鋼金屬部件摩擦導(dǎo)致,并迅速找到了問題產(chǎn)生的關(guān)鍵因素,對貫流式旋轉(zhuǎn)閥進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)上的改造。把側(cè)板型轉(zhuǎn)子和主軸的連接方式由過盈配合改造為平鍵連接,把側(cè)板型轉(zhuǎn)子的輪轂由空心設(shè)計(jì)改造為實(shí)心設(shè)計(jì),把側(cè)板型轉(zhuǎn)子葉片和旋轉(zhuǎn)閥閥體之間的間隙、轉(zhuǎn)子葉片和兩端端蓋之間的間隙由1mm 改造為2mm。經(jīng)過長達(dá)一年半多的實(shí)際運(yùn)作,結(jié)果依舊是很平穩(wěn)、無異響、無異物混入,證明對貫流式旋轉(zhuǎn)閥的機(jī)械結(jié)構(gòu)改造工程取得圓滿成功。