鋰電池分切機放卷張力波動研究

王昆 陳哲 康文杰

[摘 ? ?要 ]分切機的張力控制是分切機控制的核心，控制好張力對卷繞的順利進行，產品質量的保證具有關鍵的作用。文章論述了分切機放卷軸卷徑變化和放卷線速度對張力波動的影響。

[關鍵詞]分切機;張力;張力波動;張力控制

[中圖分類號]TM912 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）06–00–02

[Abstract]The tension control of the slitting machine is the core of the slitting machine control. A good tension control plays a key role in the smooth progress of the winding and the guarantee of product quality. This article discusses the influence of slitter unwinding shaft roll diameter change and unwinding line speed on tension fluctuations.

[Keywords]slitting machine; tension; tension fluctuation; tension control

1 分切機簡介

分切機是一種將寬幅箔材（鋰電池正負極片的鋁箔和銅箔、紙張或薄膜）分切成多條窄幅箔材的機械設備，常用于鋰電池行業、造紙機械及印刷包裝機械等。分切機是公司研發制造的主要設備之一。

如圖1所示，分切機可分為放卷、牽引、收卷三大部分。

（1）放卷部分是將已經卷繞成型的寬幅原始材料通過一定控制方式使被放卷材料中存在一定的張力，使材料緊繃，防止松散。其中放卷部分的驅動機構的輸出力矩方向與放卷輥的旋轉方向相反，從而產生一個與放卷線速度方向相反的張力。[1]通常放卷部分的張力控制采用恒張力放卷。

（2）牽引部分由牽引輥與壓輥等組成，為基材牽引提供動力，同時隔斷放卷和收卷之間張力的相互影響，實現放卷部分與收卷部分的張力單獨控制。

（3）收卷部分主要對分切后的基材進行收卷，為維持相應的張力，其驅動機構產生的力矩的方向與收卷線速度方向相同。其中，為保證極片收卷的質量，收卷過程主要采用恒張力收卷或者錐度張力收卷。

2 張力控制的意義

張力控制是指能夠持久維持基材（極片）在設備上輸送、卷繞等工藝時所需張力的能力[2]。在極片卷繞中，合理的張力能避免帶材因部分金屬延伸不均而造成波浪，并保證極片平整，同時還能減少單位軋制應力和帶材的寬展[3]。另外，保持帶材所受張力的穩定，可避免因張力過大而導致極片產生塑性變形，張力太小而使卷材出現松弛的現象而影響繞卷的質量。因此，卷繞過程控制好張力對卷繞的順利進行，產品質量的保證具有關鍵的作用。

3 放卷軸對張力波動的分析

3.1 卷徑變化、放卷線速度對張力波動影響

設放卷線速度V1，卷徑D1，磁粉輸出轉矩Md，料軸轉動慣量J0，料軸直徑d0，極片密度ρ，寬度b，厚度h，摩擦系數Bf。放卷過程，為保持放卷張力的穩定性，由公式n1=V1/（πD1），知放卷電機轉速n1隨D1減小而成反比的增大。在磁粉制動器為執行元件的放卷張力系統中，張力T為主動力，列力矩平衡方程可得[4]。

在實際情況中，其對應的J0、d0，ρ、b、h以及Bf為常量[5]。由式（1），可知放卷張力T與Md，V1，卷徑D1相關。

3.2 案例分析

（1）為了研究連續放卷狀況下張力T，忽略式（1）中的2Md/D1項，且穩定狀態下dV1/dt=0，給定相應參數如表1，對應不同直徑下的張力曲線，如圖2所示。

圖2中可以看出，在磁粉制動器不輸出力矩的狀況下，隨著料卷卷徑D1的減小，張力T的變化呈非線性增加趨勢，其變化率越來越快。

（2）在給定張力T，放卷線速度V1以及料卷卷徑D1的情況下，可以求出在連續放卷狀態下磁粉制動器或伺服電機輸出扭矩Md（忽略減速比）公式如下。

T=100 N，其他已知數據見表2，可得出曲線，如圖3所示。

從圖3中可以看出，在恒張力T的狀態下，隨著料卷直徑D1，扭矩M呈線性減小趨勢。

（3）速度變化對張力的擾動。穩態下加速度a=0，可得公式（3）。

①在其他條件不變時，張力隨放卷速度成比例地增大。

②放卷線速度的較小變化會產生張力的波動。

從圖4中可以看出，在恒張力放卷的過程中，理論上是維持放卷線速度V1為恒定值。但實際生產過程中，由于機械誤差，控制系統的遲滯型等原因，實際速度相對于理論線速度V1會產生偏差，從而導致實際張力值會在設定值附近進行微小的波動。

綜上所述：①張力T與放卷線速度V1、卷徑D、輸出轉矩M等因素相關。②隨著料卷半徑D1的減小，張力T的變化呈非線性增加趨勢，且變化率越來越快。此規律對于放卷軸電機或者磁粉制動器的控制有一定參考意義。例如，恒張力放卷隨著料卷直徑D1減小，需控制扭矩M線性減小。③恒張力放卷的過程中，實際速度的波動會引起實際張力值在設定值附近進行微小的波動。控制線速度V1的穩定，對減小張力波動量有好處。

4 結束語

文章論述了分切機放卷軸的卷徑變化和放卷線速度微小擾動對張力波動的影響，對分切機實際工程應用中減小張力波動具有一定的參考價值，進而提升分切機的分切效果，對提高鋰電池極片分切的品質具有積極意義。

參考文獻

[1] 周春雷.柔性膜非連續放卷系統張力控制建模、仿真及實驗[D].武漢：華中科技大學，2004.

[2] 浦廣益，宋廣雷，張裕中.高剪切均質機內部三維流場分析[J].輕工機械，2010（1）：28-31.

[3] 唐贊謙.磷酸鐵鋰正極漿料分散性能研究[J].遼寧化工，2009（4）：222-225.

[4] 孫志高，張裕中，承子微.工業豆渣微細粉碎機理與試驗研究[J].食品工業，2007（6）：51-53.

[5] 任俊，盧壽慈.超細粉體在液相中的分散[J].中國粉體工業，2006（5）：13-17.