丁治中，黃毅松

(河海大學機電工程學院，江蘇常州213022)

鉛酸蓄電池所消耗的鉛占全球總耗鉛量的82%[1]，生產過程中重金屬鉛及其氧化物排放導致職業(yè)病高發(fā)、造成環(huán)境污染。為降低鉛及其氧化物的危害性，鉛酸蓄電池行業(yè)強力實施清潔生產技術，在生產過程中最大限度地利用資源和能源，在追求經(jīng)濟效益的同時將對環(huán)境的污染降到最低[2]。

鉛酸蓄電池的生產工藝成熟，鉛塵的產生環(huán)節(jié)為制粉工序、和膏工序、涂板工序、分片刷耳工序、秤片工序、包片工序6個關鍵點[3]。大多數(shù)工序都使用自動化設備在密封狀態(tài)生產，有效降低了鉛塵的危害，但包片工序由于種種原因仍采用手工或半自動的生產方式。

本文結合鉛酸蓄電池包片工序生產現(xiàn)狀，綜合考慮包片工序的人、機、原材料等因素研制環(huán)保高效的全自動包片專機設備，彌補鉛酸蓄電池生產全過程中的薄弱環(huán)節(jié)。

1 包片生產現(xiàn)狀分析

包片是指用隔板紙包裹電池正負極板并合攏包膜制成電池集群。該工序可分解為取片、放隔板紙、疊片、壓緊、合攏包膜、入盒等動作，其中疊片必須正負極板交替進行。包片的前道工序為秤片分組，后道工序為焊接。目前包片的方式主要有兩種，即手工包片與用半自動包片機包片，都存在人為因素大，勞動強度大，工效低的問題[4]。

1.1 手工包片

由于包片動作復雜，長期以來鉛酸蓄電池包片主要依靠手工操作來完成。手工包片優(yōu)勢體現(xiàn)在對設備要求低、可同時生產不同規(guī)格產品。

手工包片劣勢表現(xiàn)為鉛塵污染大、生產效率低。包片過程中操作工坐在工作臺前，使用如圖1 所示的專用工具保證極板對齊、提高工作效率。操作工離極板距離近，必須戴防毒面具以防吸入鉛塵；極板取放完全手工，必須帶橡皮手套防止與極板接觸。極板自重大，包片勞動強度高；包片流程重復動作多，操作工極易疲勞。此外，需要進行隔板紙裁切、專用工具選配等輔助工作。

1.2 半自動包片

半自動包片采用如圖2 所示的專用包片機，操作工交替使用正負極板沿預設定長壓痕刮下隔板，省去裁切、放置隔板紙動作。工作臺面安裝單管旋風有效降低鉛塵污染。定長壓痕裝置由兩組相互平行、位置固定、壓痕方向相反的機構組成，在上進行長度設置即可完成電池產品規(guī)格的變更。

圖2 半自動包片機

半自動包片機簡化了包片動作，可靠性高、定長準確、操作方便、適用性廣，能減輕勞動強度、提高產品質量和生產效率，有效收集鉛塵、降低污染；但包片過程與手工包片基本一致，未從根本上解決鉛塵污染問題實現(xiàn)清潔生產。

2 全自動鉛酸蓄電池包片機總體方案

包片是鉛酸蓄電池裝配的重要環(huán)節(jié)，應開發(fā)自動化程度高的裝配設備，減少鉛塵排放，減輕勞動強度、提高生產效率[5-6]。全自動鉛酸蓄電池包片機必須實現(xiàn)負壓環(huán)境下全封閉生產，自動清理、回收鉛塵；簡化包片動作，減少人工操作，提高生產效率。

2.1 設計要求

根據(jù)鉛酸蓄電池包片工藝要求，全自動鉛酸蓄電池包片機的設計要滿足以下幾點：

(1)環(huán)保安全。確保設備在負壓環(huán)境下全封閉生產，使用專用夾具輸送工件避免人與鉛塵接觸，配備自動除塵裝置自動清除并集中收集鉛塵。降低操作工勞動強度，生產操作由單一的體力勞動轉變?yōu)榫邆浼夹g含量的數(shù)控操作。

(2)經(jīng)濟高效。設計工作效率為每48 s 生產1 個電池組(包含6 個集群，共90 個電池板、42 層隔板紙)。單機可替代各環(huán)節(jié)共8 個熟練操作工，聯(lián)機運行還可進一步提高生產效率，有助于降本增效。

(3)功能齊全。能夠完成鉛酸蓄電池包片工序所有動作，無需人工或其他設備輔助?？砂b10～24 Ah 各規(guī)格電池板，進行1～8 片等多種組合，生產不同規(guī)格產品。

(4)穩(wěn)定可靠。充分考慮了識別性、安全性、通用性原則，采用模塊化設計，各模塊獨立運行，便于維修、調試。確保產品一致性，外形尺寸公差控制在±0.05 mm。

2.2 工作原理

全自動鉛酸蓄電池包片機工作原理：極板自動上料裝置將正負極板輸送至各工位，同時隔板紙自動放卷裝置預放定長隔板紙，隔板紙切斷裝置切紙；然后極板推送裝置分別推送正負極板進入隔板倉中，用隔板紙包裹極板確保正負極板絕緣；最后推送裝置將包片后的正負極板壓緊、合攏包膜、入盒，用輸送帶將組裝好的電池集群送出。設備底部配備自動除塵裝置，可將電池極板脫落的有害粉塵自動清除并集中收集處理，密封入袋。不同規(guī)格電池的技術參數(shù)調整由技術人員導入控制系統(tǒng)。為方便觀察設備工作狀態(tài)還配備觀測窗與照明系統(tǒng)。

2.3 優(yōu)化工藝流程

產品功能原理方案的優(yōu)劣，決定著產品的性能水平、成本和競爭力[7]。全自動鉛酸蓄電池包片機工作原理以手工包片和半自動包片為依據(jù)，優(yōu)化了包片動作，用自動化技術替代人工操作。根據(jù)工作原理及各動作特征如圖3 所示優(yōu)化工藝流程、縮短生產時間，利用不同裝置同步進行極板與隔板紙的物料輸送，改良包片方式將推送極板與包片動作結合。

圖3 自動包片工藝流

2.4 設計方案分析

根據(jù)工藝流程分析可知，壓緊、合攏包膜、入盒動作是包片完成后的輔助動作，對設備工作效率影響不大。包片、堆疊是關鍵動作，如表1 所示有兩種實施方案：(1)模擬手工包片正負極板依次疊片，多次包片、堆疊完成一個電池集群；(2)正負極板疊片同時進行，電池集群一次成型。由于極板堆疊方式、推送行程距離不同，涉及的物料輸送方式不同，兩種方案的設備組成部分及布局差異很大。

表1 包片、堆疊實施方案

兩種實施方案技術水平接近。包片堆疊一次成型需要多個隔板切斷裝置、極板推送裝置和極板包入裝置，增加了部件數(shù)量和物料輸送距離，影響設備穩(wěn)定性，增加設備成本；依次包片堆疊影響單機生產效率。綜合考慮各種因素，方案一更為合理。

2.5 設備基本組成

根據(jù)設計要求，結合工作原理優(yōu)化工藝流程、分析設計方案，設計全自動鉛酸蓄電池包片機。該設備包片模塊機構簡圖如圖4 所示。

(1)隔板紙自動放卷裝置：配合包片動作自動輸送隔板紙，根據(jù)極板長度控制隔板紙長度。

(2)隔板紙切斷裝置：根據(jù)需要將隔板紙切割成一定長度，防止裁切時撕裂。

(3)極板自動上料裝置：每次推送前將極板輸送一個片厚高度。

圖4 全自動鉛酸蓄電池包片機機構簡圖

(4)極板推送裝置：每次從夾具中推送一片極板至指定位置。

(5)極板包入裝置：確保隔板紙包裹極板，保證極板、隔板紙對齊。

(6)合攏包膜入盒裝置：進行包片后的極板堆疊，用等間距隔板限定包片后的極板位置；疊片完成后將隔板紙、正負極板壓緊，外部包膜放入周轉盒中。

本設備還包含PLC 程序控制系統(tǒng)、自動除塵裝置、輸送帶和照明系統(tǒng)。

3 全自動包片機設計中的關鍵問題

包片工序復雜，確保設備穩(wěn)定運行、保證產品質量還需要解決一些關鍵問題。

3.1 極板質量

人工包片或半自動包片過程中可以人工篩選極板，對極板精度要求相對較低；全自動包片則是全封閉生產，一旦極板形變過大或相互粘連將導致故障。因此，需要嚴控極板厚度、形變量、濕度、光潔度。

3.2 極板上料

正負極板上料需分開進行確保相互絕緣。輸送方式有兩種，從頂部取片需要配備頂升機構，從底部取片靠極板自重下落。從頂部取片在一組極板輸送完成后，頂升機構需要快速回落歸位，造成生產過程間斷。從底部取片由于極板自重大易造成變形，此外增大極板間摩擦力導致鉛塵脫落。綜合考慮各種因素，一般采用頂部取片。

3.3 極板推送

用限位機構確保每次都順利推送一片極板至指定位置，確保隔板紙將極板包裹。每個電池集群正負極板數(shù)量不一致，最后一次堆疊僅推送負極板。

3.4 合攏

疊片過程中極板、隔板紙之間留有空隙，壓緊動作使極板嵌入隔板紙中，不再發(fā)生移位，確保極板間絕緣。為確保合攏精度，前期疊片過程中極板必須對齊，否則集群尺寸誤差大無法入盒。

4 結語

為了解決當前鉛酸蓄電池包片工序鉛塵污染大、生產效率低的問題，進行了全自動鉛酸蓄電池包片機設計。根據(jù)包片生產現(xiàn)狀提出設計要求，分析工作原理；結合手工包片及半自動包片優(yōu)化工藝流程，并進行設計方案探討；根據(jù)優(yōu)選方案分析設備基本組成。實現(xiàn)自動化生產，防止鉛塵污染，解決環(huán)保問題；簡化操作難度，降低工作強度，減少用工需求，降低用工條件。運用自動化理念、技術設計制造工藝與裝備，實現(xiàn)鉛酸蓄電池生產綠色、高效需求。

[1] 陳紅雨.電池工業(yè)節(jié)能減排技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2008.

[2] 張樹春，張凡.芻議清潔生產[J].環(huán)境科學與技術，1994(4)：39-40.

[3] 劉靜.鉛蓄電池生產企業(yè)現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)督要點解析[J].環(huán)境保護，2011(18)：52-54.

[4] 周龍瑞，王俊.動力型鉛酸蓄電池生產設備的現(xiàn)狀及改進[J].蓄電池，2009(4)：177-180.

[5] 陳紅雨.中國鉛酸蓄電池行業(yè)節(jié)能減排技術分析(二)[J].蓄電池，2008(4)：179-183.

[6] 趙賢壽.中國鉛酸蓄電池工藝裝備的發(fā)展與改進[J].蓄電池，2004(4)：176-179.

[7] 李蓓智.先進制造技術[M].北京：高等教育出版社，2007.