全自动铅酸蓄电池包片机设计研究

丁治中，黄毅松

(河海大学机电工程学院，江苏常州213022)

铅酸蓄电池所消耗的铅占全球总耗铅量的82%[1]，生产过程中重金属铅及其氧化物排放导致职业病高发、造成环境污染。为降低铅及其氧化物的危害性，铅酸蓄电池行业强力实施清洁生产技术，在生产过程中最大限度地利用资源和能源，在追求经济效益的同时将对环境的污染降到最低[2]。

铅酸蓄电池的生产工艺成熟，铅尘的产生环节为制粉工序、和膏工序、涂板工序、分片刷耳工序、秤片工序、包片工序6个关键点[3]。大多数工序都使用自动化设备在密封状态生产，有效降低了铅尘的危害，但包片工序由于种种原因仍采用手工或半自动的生产方式。

本文结合铅酸蓄电池包片工序生产现状，综合考虑包片工序的人、机、原材料等因素研制环保高效的全自动包片专机设备，弥补铅酸蓄电池生产全过程中的薄弱环节。

1 包片生产现状分析

包片是指用隔板纸包裹电池正负极板并合拢包膜制成电池集群。该工序可分解为取片、放隔板纸、叠片、压紧、合拢包膜、入盒等动作，其中叠片必须正负极板交替进行。包片的前道工序为秤片分组，后道工序为焊接。目前包片的方式主要有两种，即手工包片与用半自动包片机包片，都存在人为因素大，劳动强度大，工效低的问题[4]。

1.1 手工包片

由于包片动作复杂，长期以来铅酸蓄电池包片主要依靠手工操作来完成。手工包片优势体现在对设备要求低、可同时生产不同规格产品。

手工包片劣势表现为铅尘污染大、生产效率低。包片过程中操作工坐在工作台前，使用如图1 所示的专用工具保证极板对齐、提高工作效率。操作工离极板距离近，必须戴防毒面具以防吸入铅尘；极板取放完全手工，必须带橡皮手套防止与极板接触。极板自重大，包片劳动强度高；包片流程重复动作多，操作工极易疲劳。此外，需要进行隔板纸裁切、专用工具选配等辅助工作。

1.2 半自动包片

半自动包片采用如图2 所示的专用包片机，操作工交替使用正负极板沿预设定长压痕刮下隔板，省去裁切、放置隔板纸动作。工作台面安装单管旋风有效降低铅尘污染。定长压痕装置由两组相互平行、位置固定、压痕方向相反的机构组成，在上进行长度设置即可完成电池产品规格的变更。

图2 半自动包片机

半自动包片机简化了包片动作，可靠性高、定长准确、操作方便、适用性广，能减轻劳动强度、提高产品质量和生产效率，有效收集铅尘、降低污染；但包片过程与手工包片基本一致，未从根本上解决铅尘污染问题实现清洁生产。

2 全自动铅酸蓄电池包片机总体方案

包片是铅酸蓄电池装配的重要环节，应开发自动化程度高的装配设备，减少铅尘排放，减轻劳动强度、提高生产效率[5-6]。全自动铅酸蓄电池包片机必须实现负压环境下全封闭生产，自动清理、回收铅尘；简化包片动作，减少人工操作，提高生产效率。

2.1 设计要求

根据铅酸蓄电池包片工艺要求，全自动铅酸蓄电池包片机的设计要满足以下几点：

(1)环保安全。确保设备在负压环境下全封闭生产，使用专用夹具输送工件避免人与铅尘接触，配备自动除尘装置自动清除并集中收集铅尘。降低操作工劳动强度，生产操作由单一的体力劳动转变为具备技术含量的数控操作。

(2)经济高效。设计工作效率为每48 s 生产1 个电池组(包含6 个集群，共90 个电池板、42 层隔板纸)。单机可替代各环节共8 个熟练操作工，联机运行还可进一步提高生产效率，有助于降本增效。

(3)功能齐全。能够完成铅酸蓄电池包片工序所有动作，无需人工或其他设备辅助。可包装10～24 Ah 各规格电池板，进行1～8 片等多种组合，生产不同规格产品。

(4)稳定可靠。充分考虑了识别性、安全性、通用性原则，采用模块化设计，各模块独立运行，便于维修、调试。确保产品一致性，外形尺寸公差控制在±0.05 mm。

2.2 工作原理

全自动铅酸蓄电池包片机工作原理：极板自动上料装置将正负极板输送至各工位，同时隔板纸自动放卷装置预放定长隔板纸，隔板纸切断装置切纸；然后极板推送装置分别推送正负极板进入隔板仓中，用隔板纸包裹极板确保正负极板绝缘；最后推送装置将包片后的正负极板压紧、合拢包膜、入盒，用输送带将组装好的电池集群送出。设备底部配备自动除尘装置，可将电池极板脱落的有害粉尘自动清除并集中收集处理，密封入袋。不同规格电池的技术参数调整由技术人员导入控制系统。为方便观察设备工作状态还配备观测窗与照明系统。

2.3 优化工艺流程

产品功能原理方案的优劣，决定着产品的性能水平、成本和竞争力[7]。全自动铅酸蓄电池包片机工作原理以手工包片和半自动包片为依据，优化了包片动作，用自动化技术替代人工操作。根据工作原理及各动作特征如图3 所示优化工艺流程、缩短生产时间，利用不同装置同步进行极板与隔板纸的物料输送，改良包片方式将推送极板与包片动作结合。

图3 自动包片工艺流

2.4 设计方案分析

根据工艺流程分析可知，压紧、合拢包膜、入盒动作是包片完成后的辅助动作，对设备工作效率影响不大。包片、堆叠是关键动作，如表1 所示有两种实施方案：(1)模拟手工包片正负极板依次叠片，多次包片、堆叠完成一个电池集群；(2)正负极板叠片同时进行，电池集群一次成型。由于极板堆叠方式、推送行程距离不同，涉及的物料输送方式不同，两种方案的设备组成部分及布局差异很大。

表1 包片、堆叠实施方案

两种实施方案技术水平接近。包片堆叠一次成型需要多个隔板切断装置、极板推送装置和极板包入装置，增加了部件数量和物料输送距离，影响设备稳定性，增加设备成本；依次包片堆叠影响单机生产效率。综合考虑各种因素，方案一更为合理。

2.5 设备基本组成

根据设计要求，结合工作原理优化工艺流程、分析设计方案，设计全自动铅酸蓄电池包片机。该设备包片模块机构简图如图4 所示。

(1)隔板纸自动放卷装置：配合包片动作自动输送隔板纸，根据极板长度控制隔板纸长度。

(2)隔板纸切断装置：根据需要将隔板纸切割成一定长度，防止裁切时撕裂。

(3)极板自动上料装置：每次推送前将极板输送一个片厚高度。

图4 全自动铅酸蓄电池包片机机构简图

(4)极板推送装置：每次从夹具中推送一片极板至指定位置。

(5)极板包入装置：确保隔板纸包裹极板，保证极板、隔板纸对齐。

(6)合拢包膜入盒装置：进行包片后的极板堆叠，用等间距隔板限定包片后的极板位置；叠片完成后将隔板纸、正负极板压紧，外部包膜放入周转盒中。

本设备还包含PLC 程序控制系统、自动除尘装置、输送带和照明系统。

3 全自动包片机设计中的关键问题

包片工序复杂，确保设备稳定运行、保证产品质量还需要解决一些关键问题。

3.1 极板质量

人工包片或半自动包片过程中可以人工筛选极板，对极板精度要求相对较低；全自动包片则是全封闭生产，一旦极板形变过大或相互粘连将导致故障。因此，需要严控极板厚度、形变量、湿度、光洁度。

3.2 极板上料

正负极板上料需分开进行确保相互绝缘。输送方式有两种，从顶部取片需要配备顶升机构，从底部取片靠极板自重下落。从顶部取片在一组极板输送完成后，顶升机构需要快速回落归位，造成生产过程间断。从底部取片由于极板自重大易造成变形，此外增大极板间摩擦力导致铅尘脱落。综合考虑各种因素，一般采用顶部取片。

3.3 极板推送

用限位机构确保每次都顺利推送一片极板至指定位置，确保隔板纸将极板包裹。每个电池集群正负极板数量不一致，最后一次堆叠仅推送负极板。

3.4 合拢

叠片过程中极板、隔板纸之间留有空隙，压紧动作使极板嵌入隔板纸中，不再发生移位，确保极板间绝缘。为确保合拢精度，前期叠片过程中极板必须对齐，否则集群尺寸误差大无法入盒。

4 结语

为了解决当前铅酸蓄电池包片工序铅尘污染大、生产效率低的问题，进行了全自动铅酸蓄电池包片机设计。根据包片生产现状提出设计要求，分析工作原理；结合手工包片及半自动包片优化工艺流程，并进行设计方案探讨；根据优选方案分析设备基本组成。实现自动化生产，防止铅尘污染，解决环保问题；简化操作难度，降低工作强度，减少用工需求，降低用工条件。运用自动化理念、技术设计制造工艺与装备，实现铅酸蓄电池生产绿色、高效需求。

[1] 陈红雨.电池工业节能减排技术[M].北京：化学工业出版社，2008.

[2] 张树春，张凡.刍议清洁生产[J].环境科学与技术，1994(4)：39-40.

[3] 刘静.铅蓄电池生产企业现场环境监督要点解析[J].环境保护，2011(18)：52-54.

[4] 周龙瑞，王俊.动力型铅酸蓄电池生产设备的现状及改进[J].蓄电池，2009(4)：177-180.

[5] 陈红雨.中国铅酸蓄电池行业节能减排技术分析(二)[J].蓄电池，2008(4)：179-183.

[6] 赵贤寿.中国铅酸蓄电池工艺装备的发展与改进[J].蓄电池，2004(4)：176-179.

[7] 李蓓智.先进制造技术[M].北京：高等教育出版社，2007.