林彰焱，歐科學(xué)，靳家晞

(1.東莞市鵬錦機(jī)械科技有限公司，廣東東莞 523000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150000)

鋰電池具有高能量密度、低自放電率、長(zhǎng)循環(huán)壽命等優(yōu)異性能。隨著鋰電池在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)鋰電池生產(chǎn)設(shè)備的精度和產(chǎn)能需求也大大增加，尤其是對(duì)涂布機(jī)的需求量[1-2]。涂布是鋰電池生產(chǎn)的關(guān)鍵步驟[3-4]，對(duì)正負(fù)極片的質(zhì)量和效率直接產(chǎn)生影響[5-6]。因此，在鋰電池生產(chǎn)過程中，涂布機(jī)烘箱的設(shè)計(jì)具有重要意義。

為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和高效率的生產(chǎn)，必須優(yōu)化涂布機(jī)烘箱的設(shè)計(jì)，包括風(fēng)室和風(fēng)嘴結(jié)構(gòu)，以提高烘箱的橫向射流均勻性[7-8]。因此，本文對(duì)烘箱風(fēng)室和風(fēng)嘴的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，以探究其對(duì)涂布過程中橫向射流均勻性的影響。通過對(duì)模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，提出改進(jìn)烘箱設(shè)計(jì)的建議，以進(jìn)一步提高涂布機(jī)烘箱的均勻性和效率，滿足高質(zhì)量和高效率的生產(chǎn)要求。

1 涂布機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單面涂布機(jī)一般由多個(gè)部件組成，其中包括放卷機(jī)構(gòu)、機(jī)頭機(jī)構(gòu)、上料裝置、烘箱機(jī)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)和收卷機(jī)構(gòu)。典型的單面涂布機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。放卷機(jī)構(gòu)用于卷取母卷材料并將其傳送到涂布機(jī)頭，涂布機(jī)頭則負(fù)責(zé)將涂料均勻地涂布到母卷上。上料裝置可用于控制涂布量和調(diào)節(jié)涂料均勻性，烘箱機(jī)構(gòu)則用于加熱并干燥涂布后的母卷材料。牽引機(jī)構(gòu)可用于將涂布后的母卷材料傳送到收卷機(jī)構(gòu)，收卷機(jī)構(gòu)則用于卷取涂布后的母卷材料。

圖1 單面機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

雙面涂布機(jī)比單面涂布機(jī)包含更多的部件，其中包括放卷機(jī)構(gòu)、第一面涂布機(jī)構(gòu)、第二面涂布機(jī)構(gòu)、上料裝置、烘箱機(jī)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)、收卷機(jī)構(gòu)、爬坡機(jī)構(gòu)以及鋼架平臺(tái)。典型的雙面涂布機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。相比單面涂布機(jī)，雙面涂布機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)⑼苛暇鶆蛲坎荚诓牧系膬擅?。第一面涂布機(jī)構(gòu)用于將涂料涂布在材料的一面上，第二面涂布機(jī)構(gòu)則負(fù)責(zé)將涂料涂布在材料的另一面上。爬坡機(jī)構(gòu)用于升降整個(gè)涂布系統(tǒng)，將極片傳送到上層第二面烘箱。鋼架平臺(tái)用于支撐整個(gè)涂布系統(tǒng)，以確保其穩(wěn)定性。

圖2 雙面機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 仿真設(shè)計(jì)

在進(jìn)行寬幅涂布烘箱設(shè)計(jì)之前，必須首先完成相應(yīng)靜壓風(fēng)室的流體仿真分析。通過對(duì)靜壓風(fēng)室導(dǎo)流板的不斷優(yōu)化，觀察射流風(fēng)嘴的橫向均勻性，以確定最佳的導(dǎo)流板布置參數(shù)。導(dǎo)流板的演化過程如圖3 所示。這個(gè)過程可以通過流體仿真工具進(jìn)行模擬，并使用優(yōu)化算法得出最佳參數(shù)，以確保烘箱的橫向射流均勻性得到最大化提高，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和高效率的生產(chǎn)。

圖3 導(dǎo)流板仿真結(jié)果與結(jié)構(gòu)

通過對(duì)靜壓風(fēng)室導(dǎo)流板的不斷優(yōu)化，觀測(cè)到射流風(fēng)嘴的橫向均勻性有所提升，并確定了最優(yōu)導(dǎo)流板布置參數(shù)。最終采用第6 種方案完成靜壓風(fēng)室導(dǎo)流板的加工制作，并進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)旨在優(yōu)化設(shè)計(jì)新型寬幅涂布烘箱的橫向射流均勻性，并為超寬幅烘箱的客戶提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備包括新加工的寬幅靜壓風(fēng)室及風(fēng)嘴實(shí)驗(yàn)組件、L 型皮托管風(fēng)速測(cè)量?jī)x以及3 kW 離心風(fēng)機(jī)。實(shí)驗(yàn)過程中，模擬了靜壓風(fēng)室的實(shí)際工作情況，使用3 kW 離心風(fēng)機(jī)為新加工的寬幅靜壓風(fēng)室及風(fēng)嘴實(shí)驗(yàn)組件提供風(fēng)量，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率，待供應(yīng)風(fēng)量穩(wěn)定后，利用L 型皮托管從前往后對(duì)射流風(fēng)嘴的橫向方向分別取點(diǎn)測(cè)量射流風(fēng)速。

在測(cè)量過程中，針對(duì)每一測(cè)量點(diǎn)位不斷調(diào)整L型皮托管探頭的方向，對(duì)應(yīng)會(huì)造成探頭接收到的風(fēng)速不斷變化，并取最大風(fēng)速作為對(duì)應(yīng)測(cè)量點(diǎn)的風(fēng)速。新加工的寬幅靜壓風(fēng)室及風(fēng)嘴實(shí)驗(yàn)組件的正視圖與俯視圖如圖4 和圖5 所示，對(duì)應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)見表1。如圖4 所示，實(shí)驗(yàn)中的風(fēng)嘴編號(hào)從起始位置1#到終止位置11#依次排列，起始位置1#表示遠(yuǎn)離靜壓風(fēng)室進(jìn)風(fēng)口端的位置，而終止位置11#則表示靠近進(jìn)風(fēng)口端的位置。對(duì)應(yīng)圖5 中的每個(gè)風(fēng)嘴，選擇5 個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，這些測(cè)量點(diǎn)從測(cè)量起始位置A 到測(cè)量終止位置D 依次排列，起始位置A 表示遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口的位置，而終止位置D 則表示靠近進(jìn)風(fēng)口的位置。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖片如圖6、圖7 所示。

表1 1 600 mm 寬幅風(fēng)嘴風(fēng)速測(cè)試(風(fēng)機(jī)功率3 kW，頻率50 Hz) m/s

圖4 寬幅靜壓風(fēng)室及風(fēng)嘴實(shí)驗(yàn)組件正視圖

圖5 寬幅靜壓風(fēng)室及風(fēng)嘴實(shí)驗(yàn)組件俯視圖

圖6 測(cè)量用風(fēng)速儀

圖7 離心風(fēng)機(jī)測(cè)試組件

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)的目的是為了優(yōu)化新設(shè)計(jì)的寬幅烘箱的橫向出風(fēng)一致性，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為超寬幅烘箱的客戶提供參考。在實(shí)驗(yàn)過程中，可能會(huì)遇到實(shí)驗(yàn)條件不充分或?qū)嶒?yàn)用靜壓風(fēng)室及風(fēng)嘴實(shí)驗(yàn)組件的不完善等問題，需要不斷完善實(shí)驗(yàn)條件以及改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的過程。

4.1 第一次風(fēng)嘴射流橫向均勻性實(shí)驗(yàn)

多位操作人員對(duì)同一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量可以提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性；而且，由不同的操作人員完成實(shí)驗(yàn)可以避免因?yàn)槟硞€(gè)人員的個(gè)人偏好或操作技能的不同而產(chǎn)生數(shù)據(jù)偏差，更加客觀地評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。最后，另一操作人員協(xié)助數(shù)據(jù)記錄工作可以保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

通過對(duì)表1 中測(cè)量數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)除了10#風(fēng)嘴之外，其他風(fēng)嘴在測(cè)量中的波動(dòng)均在5.5%以內(nèi)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中風(fēng)嘴的位置，可以得知10#風(fēng)嘴位于靜壓風(fēng)室進(jìn)風(fēng)口處，該位置存在嚴(yán)重的風(fēng)速擾動(dòng)，導(dǎo)致風(fēng)口靠近進(jìn)風(fēng)口側(cè)的風(fēng)速高于遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口側(cè)的風(fēng)速。這種現(xiàn)象已經(jīng)在以往的烘箱產(chǎn)品中出現(xiàn)過，但由于這些產(chǎn)品的橫向幅寬較小，因此橫向一致性并不明顯。然而，本次研發(fā)的產(chǎn)品寬幅為1 600 mm，導(dǎo)致10#風(fēng)嘴上的左右射流風(fēng)速偏差超過15%。

因此，在第一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過討論和分析，我們決定在進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速方向上設(shè)置階梯型擋風(fēng)板，以實(shí)現(xiàn)橫向勻風(fēng)效果。

4.2 第二次風(fēng)嘴射流橫向均勻性實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速方向上設(shè)置階梯型擋風(fēng)板，重新進(jìn)行風(fēng)嘴射流橫向均勻性實(shí)驗(yàn)，如表2 所示。

表2 1 600 mm 寬幅風(fēng)嘴風(fēng)速改進(jìn)測(cè)試(風(fēng)機(jī)功率3 kW，頻率50 Hz) m/s

通過對(duì)第二次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可以看出，在添加階梯型擋風(fēng)板之后，除了10#風(fēng)嘴以外，其他風(fēng)嘴風(fēng)速波動(dòng)得到了一定程度的改善，從原來的大約5%下降到了3%以內(nèi)；而10#風(fēng)嘴處的波動(dòng)雖然也有所下降，但仍然高達(dá)11%左右。因此需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，以改善10#風(fēng)嘴的出風(fēng)均勻性。

由于添加階梯型擋風(fēng)板可以改善風(fēng)嘴的橫向均勻性，因此我們提出了第一種改進(jìn)方案，即提高擋風(fēng)板的高度，并再次進(jìn)行橫向均勻性測(cè)試，如表3 所示。

表3 10#風(fēng)嘴1 600 mm 寬幅風(fēng)嘴風(fēng)速測(cè)試補(bǔ)測(cè)實(shí)驗(yàn)1 數(shù)據(jù) (風(fēng)機(jī)功率3 kW，頻率50 Hz) m/s

通過對(duì)表3 的分析可知，提高階梯型擋風(fēng)板的高度對(duì)于10#風(fēng)嘴的橫向均勻性改善無效。進(jìn)一步分析表2 中第二次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)階梯型擋風(fēng)板能夠有效地提高其他風(fēng)嘴的橫向均勻性，但對(duì)于10#風(fēng)嘴的改善效果有限，需要進(jìn)一步對(duì)其出風(fēng)均勻性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

從實(shí)驗(yàn)條件與使用條件的差異出發(fā)，本研究推斷進(jìn)風(fēng)口處未充分均勻的風(fēng)速會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)造成影響。為驗(yàn)證這一猜測(cè)，本研究進(jìn)行了兩組改變離心風(fēng)機(jī)風(fēng)速的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著離心風(fēng)機(jī)風(fēng)速的減小，10#風(fēng)嘴的橫向均勻性有所改善，說明進(jìn)風(fēng)口處未充分均勻的風(fēng)速對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)造成了影響。根據(jù)橫向均勻性改善程度的大小，可以推斷出這種影響的嚴(yán)重性。

針對(duì)10#風(fēng)嘴的橫向均勻性問題，本研究接下來的實(shí)驗(yàn)僅針對(duì)該風(fēng)嘴開展，并在進(jìn)風(fēng)口處添加多層勻風(fēng)網(wǎng)板，以保證離心風(fēng)機(jī)吹進(jìn)靜壓風(fēng)室的風(fēng)速均勻。表4 中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，離心風(fēng)機(jī)安裝位置對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)具有較大影響，說明需要進(jìn)一步優(yōu)化離心風(fēng)機(jī)的位置，以保證實(shí)驗(yàn)工況與使用條件的一致性。

表4 10#風(fēng)嘴1 600 mm 寬幅風(fēng)嘴風(fēng)速測(cè)試補(bǔ)測(cè)實(shí)驗(yàn)2 數(shù)據(jù)(風(fēng)機(jī)功率3 kW) m/s

4.3 第三次風(fēng)嘴射流橫向均勻性實(shí)驗(yàn)

根據(jù)表5 中的數(shù)據(jù)，安裝多層勻風(fēng)網(wǎng)板后10#風(fēng)嘴射流效果得到了改善，這表明風(fēng)機(jī)風(fēng)量在進(jìn)入靜壓風(fēng)室前基本完成勻流效果，但仍存在橫向均勻性波動(dòng)較大的問題。為了進(jìn)一步提高橫向均勻性，可以考慮對(duì)勻風(fēng)網(wǎng)板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表5 10#風(fēng)嘴1 600 mm 寬幅風(fēng)嘴風(fēng)速測(cè)試補(bǔ)測(cè)實(shí)驗(yàn)1 數(shù)據(jù) (風(fēng)機(jī)功率3 kW) m/s

具體來說，可以在勻風(fēng)網(wǎng)板上增加局部擋風(fēng)裝置，以防止風(fēng)量偏向某些位置，從而實(shí)現(xiàn)更加均勻的風(fēng)速分布。此外，還可以考慮在勻風(fēng)網(wǎng)板的周邊設(shè)置風(fēng)流調(diào)節(jié)裝置，以進(jìn)一步優(yōu)化流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，提高均勻性。

另外，由于靜壓風(fēng)室內(nèi)的氣流流動(dòng)受到室內(nèi)溫度和濕度等環(huán)境因素的影響，為了進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)精度，還可以考慮在實(shí)驗(yàn)過程中控制靜壓風(fēng)室內(nèi)的溫度、濕度等環(huán)境因素，以保證實(shí)驗(yàn)條件的一致性。

根據(jù)表6 中的數(shù)據(jù)，貼上透明膠帶后，高風(fēng)速一側(cè)的孔隙率減少了一半，10#風(fēng)嘴的橫向均勻性得到了顯著改善。同時(shí)，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，可以看出風(fēng)機(jī)風(fēng)速越低，改善效果越明顯。因此，可以考慮在勻風(fēng)板的設(shè)計(jì)上，有針對(duì)性地調(diào)整孔隙率，以達(dá)到更好的橫向均勻性。

表6 10#風(fēng)嘴1 600 mm 寬幅風(fēng)嘴風(fēng)速測(cè)試補(bǔ)測(cè)實(shí)驗(yàn)2 數(shù)據(jù)(風(fēng)機(jī)功率3 kW，頻率50 Hz) m/s

最終，10#風(fēng)嘴的波動(dòng)控制在5%以內(nèi)，對(duì)應(yīng)完成的風(fēng)嘴均勻性測(cè)量數(shù)據(jù)如表7 所示。

表7 10#風(fēng)嘴1 600 mm 寬幅風(fēng)嘴風(fēng)速測(cè)試補(bǔ)測(cè)實(shí)驗(yàn)3 數(shù)據(jù)(風(fēng)機(jī)功率3 kW，頻率50 Hz) m/s

4.4 數(shù)據(jù)分析

第一次風(fēng)嘴射流橫向均勻性實(shí)驗(yàn)分析：完成初始靜壓風(fēng)室及風(fēng)嘴搭建后，測(cè)量得到的10#風(fēng)嘴橫向均勻性存在較大波動(dòng)，最大波動(dòng)值接近20%，其他風(fēng)嘴的波動(dòng)值能夠控制在5.5%以內(nèi)。

第二次風(fēng)嘴射流橫向均勻性實(shí)驗(yàn)分析：相較第一次實(shí)驗(yàn)，在靜壓風(fēng)室內(nèi)部添加階梯型擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)，最后測(cè)得10#風(fēng)嘴橫向均勻性波動(dòng)有所降低，最大波動(dòng)值約11%，其他風(fēng)嘴的波動(dòng)值能夠控制在3%以內(nèi)，由此表面階梯型擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)有助于改善風(fēng)嘴橫向射流均勻性。為了進(jìn)一步控制10#風(fēng)嘴的橫向均勻性，提出方案一味提高階梯型擋風(fēng)板的高度，發(fā)現(xiàn)并無實(shí)際改善效果。同時(shí)分析實(shí)驗(yàn)工況猜想靜壓風(fēng)室的進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速不均勻會(huì)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)造成影響，為了印證猜想，對(duì)離心風(fēng)機(jī)的頻率進(jìn)行調(diào)整以降低進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速，對(duì)不同風(fēng)量下的10#風(fēng)嘴射流橫向均勻性進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果表明，風(fēng)機(jī)流量越高、風(fēng)速越大的情況下，10#風(fēng)嘴的橫向射流一致性波動(dòng)越大，因此前述猜想成立，為了排除進(jìn)風(fēng)口速度不均勻造成的影響，下一步實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備在進(jìn)風(fēng)口出增加多層勻風(fēng)板結(jié)構(gòu)。

第三次風(fēng)嘴射流橫向均勻性實(shí)驗(yàn)分析：在進(jìn)風(fēng)口添加多層勻風(fēng)板結(jié)構(gòu)后，測(cè)量10#風(fēng)嘴的波動(dòng)明顯降低至8%以內(nèi)，同時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率對(duì)波動(dòng)影響不大，這表明風(fēng)機(jī)風(fēng)量在進(jìn)入靜壓風(fēng)室前基本完成勻流效果。進(jìn)一步對(duì)10#風(fēng)嘴下的勻風(fēng)板開孔率進(jìn)行調(diào)節(jié)，減小出風(fēng)速度較高一側(cè)的勻風(fēng)板孔隙率，最終完成10#風(fēng)嘴射流橫向一致波動(dòng)5%以內(nèi)的控制目標(biāo)。

5 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)和仿真分析，探究了超寬幅烘箱的風(fēng)室和風(fēng)嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)射流橫向均勻性的影響，并提出了有效的解決方案。通過添加階梯型擋風(fēng)板和多層勻風(fēng)板結(jié)構(gòu)，對(duì)風(fēng)嘴射流橫向均勻性進(jìn)行了改善，同時(shí)通過調(diào)節(jié)勻風(fēng)板孔隙率實(shí)現(xiàn)了更加精細(xì)的調(diào)節(jié)，最終完成目標(biāo)風(fēng)嘴射流橫向一致波動(dòng)5%以內(nèi)的控制目標(biāo)。