高速液壓式紐扣電池封口機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任港賢，韋相貴，張恒，張燦煌

（1.北部灣大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，廣西 欽州 535000；2.廣西奧佳華新能源科技有限公司，廣西 欽州 535000）

0 引言

自21世紀(jì)以來，人們所面臨的能源問題和環(huán)境問題已經(jīng)迫在眉睫，開發(fā)新能源科技成為以后全球的重要任務(wù)[1]。隨著科技發(fā)展，電子設(shè)備的更新也日新月異，且整體趨勢從以前的大型設(shè)備、家居型設(shè)備朝著便攜式發(fā)展，這樣的便攜電子設(shè)備內(nèi)的能源需要具有長續(xù)航、能量穩(wěn)定、安全性能好等特點(diǎn)[2]。而紐扣電池作為新能源的重要代表，完全能滿足以上要求，能適應(yīng)現(xiàn)在的電子設(shè)備的發(fā)展趨勢[3]。而封口作為紐扣電池的加工工藝之一，至為重要。封口是用模具壓住紐扣電池正極杯與負(fù)極頂壓合在一起的半成品的負(fù)極，使電池正極折彎包邊，這是為了防止電池內(nèi)部的電解液的泄漏，是確保電池質(zhì)量可靠的重要工序。

雖然目前國內(nèi)大部分紐扣電池公司已經(jīng)能自主生產(chǎn)電池加工設(shè)備，不需要依托國外進(jìn)口。但是自主研發(fā)的設(shè)備存在加工質(zhì)量不好、產(chǎn)品良率不高等問題[4]。研制紐扣電池封口機(jī)，不僅能打破外國在這方面的技術(shù)封鎖，也能提高國內(nèi)紐扣電池制造企業(yè)的生產(chǎn)效益，加快提升企業(yè)的自動(dòng)化進(jìn)程。

1 現(xiàn)有封口機(jī)的分析

目前，紐扣電池封口機(jī)主要有電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)沖壓模塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)和液壓沖床兩種方式。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)沖壓模塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)這種驅(qū)動(dòng)方式的封口機(jī)雖然結(jié)構(gòu)簡單，控制方式也較方便，但是也存在不少問題，例如：由于離合器的頻繁運(yùn)行導(dǎo)致的機(jī)械磨損嚴(yán)重、修理頻繁；凸輪間歇運(yùn)動(dòng)帶來的沖床振動(dòng)，導(dǎo)致沖壓模塊下模頂針磨損較大、精度下降，需要經(jīng)常更換和調(diào)試頂針；頻繁的修理和調(diào)試，導(dǎo)致電池封口高度差波動(dòng)較大；還有自動(dòng)化程度不高、人工成本較大等問題。

由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式的封口機(jī)封壓力度大、控制較為精準(zhǔn)、自動(dòng)化程度高[5]，但是這種封口機(jī)的有一個(gè)缺點(diǎn)，就是噪聲過大，影響車間工作人員的身體健康。

本文針對(duì)廣西奧佳華新能源有限公司的紐扣電池封口機(jī)進(jìn)行分析，如圖1（圖1（a）為封口機(jī)整體，圖1（b）為封壓模塊）。

圖1 廣西奧佳華新能源有限公司的紐扣電池封口機(jī)

現(xiàn)該機(jī)采用三相交流電動(dòng)機(jī)通過離合器帶動(dòng)凸輪、曲軸來實(shí)現(xiàn)封口工作。每臺(tái)機(jī)器采用一沖二出模式，單價(jià)約12 000 元。廣西奧佳華新能源有限公司現(xiàn)有封口機(jī)223臺(tái)，其中有36臺(tái)新機(jī)未安裝，余下187臺(tái)平均每天工作11 h，每年封口電池2600萬～2800萬顆，即平均每臺(tái)機(jī)器每分鐘可封口紐扣電池約210～220顆。

2 對(duì)現(xiàn)有封口機(jī)改進(jìn)的思路

2.1 對(duì)企業(yè)生產(chǎn)效益的考慮

因考慮到企業(yè)的生產(chǎn)效益問題，所以液壓系統(tǒng)采用雙泵供油及差動(dòng)連接快速回路，保證了封口機(jī)的工作效率。考慮到成本問題，液壓系統(tǒng)方案將采用不同于與現(xiàn)有市面上大部分采用高壓大流量泵的方法，更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的增壓回路，在考慮到經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)也保證了紐扣電池的封口成型壓力。預(yù)計(jì)液壓式紐扣電池封口機(jī)每分鐘可沖壓成型約360～400顆紐扣電池，預(yù)計(jì)效益可提升63%～90%。

2.2 對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的考慮

對(duì)現(xiàn)有封口車間進(jìn)行了多次粗略測試，測出車間聲音分貝大約在81～87 dB，現(xiàn)發(fā)現(xiàn)噪聲來源主要是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力源噪聲、曲柄機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)及沖壓模具與紐扣電池的接觸。采用液壓驅(qū)動(dòng)的封口機(jī)后，液壓泵及電動(dòng)機(jī)將取代原有封口機(jī)的電動(dòng)機(jī)及皮帶輪，液體的傳動(dòng)將取代曲軸及凸輪的間歇運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力源及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的噪聲將會(huì)大幅減少。液壓式紐扣電池封口機(jī)將采用“快下→慢壓→快退”的封口動(dòng)作，將會(huì)降低封口時(shí)沖壓模具與紐扣電池接觸帶來的噪聲。在系統(tǒng)中設(shè)置了蓄能器，能吸收液壓泵工作時(shí)產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)，減少噪聲的產(chǎn)生。

3 液壓系統(tǒng)方案及工作原理

高速液壓式紐扣電池封口機(jī)系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)工作原理如下：三位四通電磁換向閥15右位工作，高壓泵的油液經(jīng)二位二通電磁閥13和經(jīng)過液動(dòng)換向閥7右位的低壓泵油液一起經(jīng)過三位四通電磁換向閥15 右位，進(jìn)入液壓缸無桿腔，液壓缸有桿腔的油液經(jīng)過液動(dòng)換向閥7 和三位四通電磁換向閥15右位進(jìn)入液壓缸無桿腔，組成了差動(dòng)快速回路。液壓缸下行，在觸碰到紐扣電池時(shí)，系統(tǒng)壓力增大，達(dá)到液動(dòng)換向閥7設(shè)定壓力，其左位工作，低壓泵卸荷，差動(dòng)連接斷開。且同時(shí)二位二通電磁閥12、13右位工作，高壓泵油液經(jīng)二位二通電磁閥12右位，油液使液壓馬達(dá)帶動(dòng)高壓泵旋轉(zhuǎn)，高壓泵通過三位四通電磁換向閥15右位向液壓缸無桿腔輸出高壓油。到達(dá)壓力繼電器8設(shè)定壓力后，三位四通電磁閥15切換到左位，二位二通電磁閥12、13切換為左位，且液動(dòng)換向閥7切換為右位，液壓缸無桿腔負(fù)載消失。低壓泵和高壓泵同時(shí)向液壓缸有桿腔供油，液壓缸快速向上運(yùn)動(dòng)，完成一個(gè)工作循環(huán)。此循環(huán)完成了快進(jìn)→加壓→快退的工作需求。

系統(tǒng)采用了液壓馬達(dá)與高壓小流量液壓泵的軸剛性連接的增壓回路，對(duì)比市面上現(xiàn)有采用高壓大流量液壓泵的液壓機(jī)，有較好的經(jīng)濟(jì)性，且能提高系統(tǒng)局部壓力，確保封口時(shí)達(dá)到封口壓力標(biāo)準(zhǔn)，從而提升封口良品率。為了提升生產(chǎn)效益，系統(tǒng)采用了雙泵供油方式和差動(dòng)連接快速回路，保證了液壓封口機(jī)在空載快進(jìn)及快退時(shí)的快速運(yùn)動(dòng)。與市面上大部分液壓機(jī)采用的行程控制不同，系統(tǒng)采用液動(dòng)與壓力繼電器等液壓元件的壓力控制，使油路換向更加精確，提升了紐扣電池封口良品率。系統(tǒng)采用液動(dòng)換向閥、電磁換向閥、壓力繼電器等控制元件，使液壓系統(tǒng)更方便地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行[6]。

系統(tǒng)壓力由溢流閥調(diào)定，單向節(jié)流閥控制輸入液壓馬達(dá)的流量，以此來控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度[7]。在機(jī)器停止工作時(shí)，高壓泵和低壓泵的油液通過電磁換向閥卸荷。因?yàn)榧~扣電池封口機(jī)經(jīng)常處于長時(shí)間的封口工作狀態(tài)，所以考慮到液壓油溫度升高，在系統(tǒng)中設(shè)置了冷卻器。此外設(shè)置了蓄能器，能吸收或緩和系統(tǒng)在液壓泵突然啟動(dòng)或停止、液壓控制閥突然關(guān)閉或開啟、執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)的突然停止時(shí)所出現(xiàn)的液壓沖擊，也能吸收液壓泵工作時(shí)的壓力脈動(dòng)，減少噪聲，降低因振動(dòng)而損壞液壓元件的概率[8]。

4 液壓系統(tǒng)基本參數(shù)設(shè)定

因現(xiàn)有封口機(jī)為一沖二出（封口模塊為2個(gè)沖頭，即完成一次工作循環(huán)時(shí)封壓兩顆紐扣電池）封壓，封壓紐扣電池需要63 kN力，考慮到后續(xù)為了生產(chǎn)效益增加沖頭，則設(shè)定該系統(tǒng)最大工作負(fù)載F=80 kN，屬于中低壓系統(tǒng)。因?yàn)橄到y(tǒng)采用增壓回路，高壓小流量泵3額定壓力選為16 MPa,低壓大流量泵2額定壓力確定為7 MPa[7]。

擬定液壓馬達(dá)9與高壓泵10排量比為1.5，則高壓泵10輸出壓力為p1=1.5p0=1.5×16=24 MPa，故高壓泵10額定壓力選為24 MPa。

根據(jù)現(xiàn)有封口機(jī)工作要求，擬定該系統(tǒng)最大工作行程為45 mm，空載下行行程為30 mm，沖壓階段行程為3 mm，空載回程為33 mm。由于系統(tǒng)采用液壓馬達(dá)與液壓泵的軸剛性連接的增壓回路[10]，所以系統(tǒng)高壓工作壓力為高壓泵10的額定壓力，為24 MPa。所以系統(tǒng)的調(diào)定壓力為p=24×0.8=19.2 MPa，即溢流閥11設(shè)定壓力為19.2 MPa。

4.1 液壓缸參數(shù)計(jì)算

增壓回路運(yùn)作時(shí)，系統(tǒng)調(diào)定壓力為19.2 MPa，系統(tǒng)最大工作負(fù)載80 kN，擬定系統(tǒng)工作阻力為10 kN。工作時(shí)活塞受力為

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 2348-8O規(guī)定（如表1），選取液壓缸內(nèi)徑D=80 mm。

表1 液壓缸的缸筒內(nèi)徑尺寸系列 mm

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 2348-8O（如表2、表3），選取活塞桿直徑d=0.7D，D=56 mm。

表2 液壓缸工作壓力與活塞桿直徑 mm

表3 液壓缸活塞桿外徑尺寸系列 mm

4.2 泵的參數(shù)設(shè)定

擬定工作頻率f=200 次/min。則在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)，液壓泵向液壓缸的排油量應(yīng)與液壓缸向油箱的排油量相等。所以系統(tǒng)需要的總流量為Q=πD2Sf/4=35.2 L/min。所以選用高壓小流量泵理論流量q1=10 L/min，低壓大流量泵理論流量q2=30 L/min，擬定轉(zhuǎn)速n1=n2=1000 r/min。則排量為：V1=q1/n=10 mL/r；V2=q2/n=30 mL/r。

綜上所述，高壓小流量泵選用斜軸端面配流軸向柱塞泵，額定壓力為16 MPa，排量V1=10 mL/r，轉(zhuǎn)速n=1000 r/min；低壓大流量泵選用內(nèi)嚙合擺線轉(zhuǎn)子式齒輪泵，額定壓力為7 MPa，排量V2=30 mL/r，轉(zhuǎn)速n=1000 r/min。

4.3 液壓封口機(jī)封壓頻率驗(yàn)算

根據(jù)現(xiàn)有封口機(jī)工作要求，擬定該系統(tǒng)最大工作行程45 mm, 空載下行為30 mm，沖壓階段為3 mm，空載回程為33 mm。

則一次工作循環(huán)總時(shí)間為0.328 s, 即每分鐘可沖壓182次，每分鐘可封口電池364顆，預(yù)計(jì)提升生產(chǎn)效益約65%。且系統(tǒng)中設(shè)置了蓄能器，在必要時(shí)既能提升封壓速率，也能吸收液壓泵工作時(shí)的壓力脈動(dòng)，減少機(jī)器工作噪聲的產(chǎn)生。

5 結(jié)論

紐扣電池的封口工藝是電池生產(chǎn)流程中至關(guān)重要的一環(huán)，影響著紐扣電池的外觀及性能[11]。現(xiàn)在國內(nèi)大部分電池制造公司所使用的封口設(shè)備基本上為自主研發(fā)、自己使用的模式，從該模式制造出的設(shè)備雖然滿足了日常的生產(chǎn)需求，但是有維修頻繁、生產(chǎn)精度不高、自動(dòng)化程度較低等缺點(diǎn)[12]。本文開發(fā)了一臺(tái)新型封口機(jī)，通過不斷學(xué)習(xí)來推進(jìn)液壓技術(shù)的發(fā)展，提高液壓產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和水平，具有一定的參考價(jià)值。