用于鋅空電池正極片制備的均化成型裝置的設計與仿真

肖艷軍，孟憲樂，李永聰，劉 蕊

（河北工業大學 機械工程學院，天津 300130）

0 引言

鋅空電池是以金屬鋅為負極、空氣中的氧為正極、氫氧化鉀為電解質的一種金屬空氣電池，有著比能量高、成本低、無污染、放電電壓平穩等優點。然而由于氧的動力學過程很慢，其放電電流密度偏低，鋅空電池并未得到廣泛應用。

采用提高鋅空電池正極空氣擴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界面的反應速度，也能起到增大放電電流的作用，但高效催化劑的價格往往偏高。若從正極極片的制造工藝上開發和探究，將鋅空電池的正極材料從原料價格、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

目前較為先進的生產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，經蒸餾水多次洗滌后在90℃溫度下烘干，再經研磨、過目（400 目篩）后降溫至5℃以下；移取0℃～ 5℃的18ml的TiCl4純溶液慢慢注入處理后的活性炭中，不斷攪拌，直至無白色酸霧逸出，水解完成，反應產物在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可以保持其相對穩定的材料特性，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定的物理結構，不能用做生產制備過程中的中間產品；材料在普通軋制制備后沒有形成均勻的極片集流層，實際的電子流通性并不是很好，極片使用實際值低于期望值，很難被推廣應用和實際生產。

針對上述對于鋅空電池正極極片的各項參數分析可知，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，而且在極片內部要有很好的韌性，不能用常規的粉末模具壓制和普通的粉末成型設備來進行生產軋制。需要在常規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行充分的前期揉搓均化，從而對極片的放電平穩性和高載荷電流下極片的工作效率加以改進，以達到預期的生產制造目的。

2 均化成型裝置的設計及模型的建立

文章根據以上的生產要求，進行了實現均化成型工藝的均化成型裝置的結構方案設計，并對該成型裝置進行相關運動、可靠性及其動力系統功耗的分析。

2.1 結構方案設計

均化成型裝置的基本功能結構如圖1所示。均化成型裝置主要由架體1、氣缸2、框料倉3、均化機構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；

2）氣缸2把框料倉直線拉動到工作位，并進行到位檢測；

3）通過液壓裝置提供動力把底托板5升到上位，并進行到位檢測；

4）均化機構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鍵地位，均化成型裝置直接影響到其下一個工序拉纖成型的產品質量和產品效率，對整個鋅空電池正極極片自動化生產的效率有很大影響。而均化成型部分的運動規律及其相關的參數直接影響到均化成型設備的工作，在此應用ADAMS對均化成型裝置進行建模與分析，給出機構中各個關鍵部件的運動學參數，便于研究機構設計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。

2.2.1 連桿機構數學模型的建立

連桿機構是一種應用非常廣泛的機構，這是由于連桿機構中的運動副一般為低副，可以很好的滿足重型機械的要求，并且能通過改變各構件的相對長度，使得從動件得到不同的運動規律和運動曲線，能夠傳遞動力并實現多種運動形式，所以對連桿機構進行運動學分析有重要意義。傳統的分析方法主要應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，但計算的工作量大，隨著計算機輔助設計CAE、CAE技術的發展，特別是ADAMS等軟件的引入。但其最根本的分析理論是不變的。

四連桿機構結構簡單，設計也較為方便，但在較復雜的機械工程應用中，四連桿機構很難滿足使用要求，此時就要設計多連桿機構來滿足更高的要求：如取得有利的傳動角，獲得較大的機械利益，改變從動件的運動學特性等。文章以均化成型裝置涉及到的六連桿機構為研究對象進行模型的建立與分析。

六連桿機構運動的數學模型如下：

設定點P位于坐標系的原點處，令R1=0。六個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構進行對原物料的均化成型，均化成型機構安裝在機架上，主要包括連桿機構、動力驅動臂、底托板機構等，核心部件為連桿機構和動力驅動臂，而底托板機構主要起支撐作用。

根據研究對象的功能特征，在進行實體建模及仿真分析的過程中面對下面五個機構進行了模型簡化：

1）連桿機構中的連桿應該為富有軸套、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，此處也進行簡化；

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

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

5）連桿機構的托板連桿本來是分離的兩個構件，在此為了模擬仿真的一致性和物料的密封性，在進行均化機構的仿真時，可以把托板與均化連桿進行合并。

根據零件機構及模型簡化的特征，在UG中構建該機構的零部件實體模型。連桿機構實為連接板機構，包括5個連接板、連接銷及其相應的密封裝置。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，實現了板與板之間的相互轉動，并能限制其在連接銷軸向的相對運動。驅動臂與連接板之間有直線軸承，起到驅動連桿機構的作用，在此簡化。底托板與連接板也通過銷軸連接，實際中不是一體的，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

在建立了均化機構的三維模型后，將建立的模型導入到ADAMS中，其模型如圖3所示。

圖3 均化機構的ADAMS模型

為了研究方便，定義模型中的各桿的標號和轉動副的標號，具體如圖4所示。

圖4 模型簡圖

文章以沖壓桿和桿1、4、6進行分析。

3.1 沖壓桿的仿真與分析

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

圖5 沖壓桿仿真結果

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

3.2 桿1的仿真與分析

圖6 桿1仿真結果

圖6中，在一個周期內，加速度有兩次突變，當桿1在最高位置時候和桿1在由最低向最高位置的中間時刻加速度發生突變，與實際工作中桿1由最高點的自由下落和桿1的加速度最大時刻相對應。此時加速度影響到了桿1與沖壓頭之間的正壓力，對物料本身有強大的沖擊，而最低點到最高點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，但在極限位置和個別的突變點存在瞬態變化，對整個極片成型設備產生震動和交變載荷，縮短了設備的使用壽命，通過改變連接板的材料特性來增加設備的穩定性，有效的提高了極片制造的質量，為極片成型提供了理論依據和現實應用的解決辦法。

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仿真結果

桿4的速度變化抖動較明顯，是交變載荷最為復雜的一個連接板，故在均化機構中板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致設備損壞和產品的質量受到影響。有效的解決了均化機構的穩定性和設備的可靠性。

4 結論

本章從極片制造的關鍵技術出發提出了極片制造的難題，針對極片制造的技術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，利用虛擬現實技術及軟件ADAMS進行了運動學分析，得出了均化成型裝置的可靠性及其存在的問題，并提出了進一步的解決辦法，完成了均化成型的設計，證明了該方法的可行性，對后續研究具有良好的指導意義。

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