過輥軸對分切機張力波動的影響研究

康文杰　王通　陳哲

摘? 要：本文針對分切機在勻速運行時過輥軸的機械參數如偏心距，過輥軸直徑，轉動慣量等因素對分切機張力波動大小的影響進行了理論推導和計算，結果表明，分切機在勻速運行過程中，過輥軸的偏心量越大，轉動慣量越大，造成的張力波動越大。

關鍵詞：分切機;過輥軸;張力波動

1.引言

分切機是指將大寬度的成卷基材如銅箔，鋁箔，塑料等分切成小直徑小寬度的適用卷材的機器。其中，在分切機分切基材的過程中，張力波動會影響到整個基材的分切和收卷的質量[1]。隨著鋰電行業近些年來的飛速發展，對應的基材（鋁箔，銅箔）的厚度越來越薄，基材在相應的張力作用下更加容易產生變形或者拉斷現象，要求分切機在運行過程中允許張力波動的范圍很小，進而對整個卷繞系統的張力要求越來越高。而設備在正常的運過程中，對應過輥軸的機械精度、材料的幾何缺陷工藝、工藝條件，過輥軸的安裝平行度，過輥軸的剛性變形等因素的作用下均會對整機的張力穩定造成影響。如果張力波動過大，則會更加容易導致極片發生塑形變形或者被拉斷的狀況，影響收卷的質量以及整臺設備的正常運行，故要研究如何控制整個系統的張力波動。

目前，許多的文章主要針對分切機的整機張力控制系統進行研究，通過安裝張力傳感器，浮輥等張力閉環等方式來實現對整機的張力調節[2][3]，可以實現分切機張力的實時調節。但是，張力閉環控制只是解決張力控制的一方面，但從設計的角度來說，研究如何盡可能的減少分切機本身結構所造成的張力波動也非常重要。過輥軸在分切機上主要對極片起支撐跟導向作用，在分切機上的安裝數量比較多，其自身的機械結構參數也會對分切機的張力波動造成影響。文主要針對過輥軸的機械參數對分切機正常運行狀態下的張力波動影響進行數學建模和計算，計算結果表明分切機在勻速運行過程中，過輥軸的偏心量越大，轉動慣量越大，造成的張力波動越大，可以分切機的過輥軸設計制造提供一定參考依據。

2.過輥軸的張力波動數學模型

在分切機上，為保證整個極片切邊工藝的順利實施，往往需要在機臺上安裝數量較多的過輥軸來進行支撐和導向。而實際的過輥軸加工與安裝過程中，均無法保證其實際旋轉中心與幾何中心完全重合，存在一定的偏心，如圖1所示，設旋轉中心O'與幾何中心O的距離為e，過輥相對于旋轉中心半徑為r，r2=R2+e2+2Recosφ;φ為輥轉角，變量;J為輥軸轉動慣量;v為輥軸線速度;R為過輥軸不偏心時的半徑。

在風切機的正常運行過程中，過棍軸在極片摩擦力的作用下被動旋轉，旋轉過程中的轉矩方程為：

3.過輥軸機械參數對張力波動的影響

3.1過輥軸偏心距對張力波動的影響

實際的輥軸加工與裝配過程無法保證過輥軸中心與旋轉中心完全重合，會存在一定的偏心，在連續放料過程中會對極片的走帶產生張力波動。在不考慮分切機啟動階段的加速過程時，根據過輥軸偏心對張力的波動公式可以為整機的設計提供計算依據。下面通過案例計算來說明過輥軸機械參數對張力波動的影響。

如圖2所示，設在某分切機上的某過輥軸的直徑為110mm，對應的線速度為60m/min（可以理解成分切速度），轉動慣量為7672.55 Kg/m2。

假設對應過輥軸在設計或者加工，安裝過程中所產生的偏心量e分別為0.02mm，0.04mm以及0.08mm，分別將三個參數帶入式（4）中，并通過設定不同的過輥轉動角度φ計算出對應的張力波動值，最終通過EXCEL進行數據處理，可以得出張力波動ΔT隨著過輥的轉動角度變化的關系如圖3所示。

從上圖可以看出，單個過輥軸的偏心量對整機的張力波動隨著其轉過的角度呈正弦變化規律，對應的偏心距越大，造成整機張力波動的量就越大。

3.2過輥軸轉動慣量對張力波動的影響

過輥軸的轉動慣量與其半徑以及質量相關，為研究轉動慣量對分切機張力波動的影響，本文分別設定過輥的半徑以及對應的轉動慣量如表1所示，分別將對應的參數帶入式（4）中，并通過設定不同的過輥轉動角度φ計算出對應的張力波動值，通過EXCEL進行數據處理，可以得出張力波動ΔT隨著過輥的轉動角度變化的關系如圖4所示。

從圖4可以看出，單個過輥軸的轉動慣量對整機的張力波動隨著其轉過的角度呈正弦變化規律，對應的轉動慣量越大，造成整機張力波動的量就越大。

綜上所述，過輥軸的機械參數會對分切機正極的張力波動造成影響，波動的規律成正弦變化，對應的偏心量越大，線速度越大，轉動慣量越大，所造成的張力波動越大。

4.結論

文主要針對過輥軸的機械參數對分切機正常運行狀態下的張力波動影響進行數學建模和計算，計算結果表明分切機在勻速運行過程中，過輥軸的偏心量越大，轉動慣量越大，造成的張力波動越大，可以分切機的過輥軸設計制造提供一定參考依據。

參考文獻

[1]劉曄.厚箔分切機張力控制系統的設計[J].輕合金加工技術，1999，027（012）：20-22

[2]陳建魁.非連續卷繞系統動力學建模與張力/位置控制及其應用.華中科技大學，2010.

[3]熊濤.卷繞放料系統的基板張力和橫向偏移建模與控制研究[D].華中科技大學，2015.