高速液壓式紐扣電池封口機液壓系統設計

任港賢，韋相貴，張恒，張燦煌

（1.北部灣大學 船舶與海洋工程學院，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世紀以來，人們所面臨的能源問題和環境問題已經迫在眉睫，開發新能源科技成為以后全球的重要任務[1]。隨著科技發展，電子設備的更新也日新月異，且整體趨勢從以前的大型設備、家居型設備朝著便攜式發展，這樣的便攜電子設備內的能源需要具有長續航、能量穩定、安全性能好等特點[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，能適應現在的電子設備的發展趨勢[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極頂壓合在一起的半成品的負極，使電池正極折彎包邊，這是為了防止電池內部的電解液的泄漏，是確保電池質量可靠的重要工序。

雖然目前國內大部分紐扣電池公司已經能自主生產電池加工設備，不需要依托國外進口。但是自主研發的設備存在加工質量不好、產品良率不高等問題[4]。研制紐扣電池封口機，不僅能打破外國在這方面的技術封鎖，也能提高國內紐扣電池制造企業的生產效益，加快提升企業的自動化進程。

1 現有封口機的分析

目前，紐扣電池封口機主要有電動機帶動沖壓模塊往復運動和液壓沖床兩種方式。電動機帶動沖壓模塊往復運動這種驅動方式的封口機雖然結構簡單，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行導致的機械磨損嚴重、修理頻繁；凸輪間歇運動帶來的沖床振動，導致沖壓模塊下模頂針磨損較大、精度下降，需要經常更換和調試頂針；頻繁的修理和調試，導致電池封口高度差波動較大；還有自動化程度不高、人工成本較大等問題。

由液壓系統驅動方式的封口機封壓力度大、控制較為精準、自動化程度高[5]，但是這種封口機的有一個缺點，就是噪聲過大，影響車間工作人員的身體健康。

本文針對廣西奧佳華新能源有限公司的紐扣電池封口機進行分析，如圖1（圖1（a）為封口機整體，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

現該機采用三相交流電動機通過離合器帶動凸輪、曲軸來實現封口工作。每臺機器采用一沖二出模式，單價約12 000 元。廣西奧佳華新能源有限公司現有封口機223臺，其中有36臺新機未安裝，余下187臺平均每天工作11 h，每年封口電池2600萬～2800萬顆，即平均每臺機器每分鐘可封口紐扣電池約210～220顆。

2 對現有封口機改進的思路

2.1 對企業生產效益的考慮

因考慮到企業的生產效益問題，所以液壓系統采用雙泵供油及差動連接快速回路，保證了封口機的工作效率。考慮到成本問題，液壓系統方案將采用不同于與現有市面上大部分采用高壓大流量泵的方法，更加經濟實惠的增壓回路，在考慮到經濟性的同時也保證了紐扣電池的封口成型壓力。預計液壓式紐扣電池封口機每分鐘可沖壓成型約360～400顆紐扣電池，預計效益可提升63%～90%。

2.2 對生產環境的考慮

對現有封口車間進行了多次粗略測試，測出車間聲音分貝大約在81～87 dB，現發現噪聲來源主要是電動機驅動的動力源噪聲、曲柄機構的往復運動及沖壓模具與紐扣電池的接觸。采用液壓驅動的封口機后，液壓泵及電動機將取代原有封口機的電動機及皮帶輪，液體的傳動將取代曲軸及凸輪的間歇運動，動力源及傳動機構的噪聲將會大幅減少。液壓式紐扣電池封口機將采用“快下→慢壓→快退”的封口動作，將會降低封口時沖壓模具與紐扣電池接觸帶來的噪聲。在系統中設置了蓄能器，能吸收液壓泵工作時產生的壓力脈動，減少噪聲的產生。

3 液壓系統方案及工作原理

高速液壓式紐扣電池封口機系統原理如圖2所示。

圖2 液壓系統原理圖

系統工作原理如下：三位四通電磁換向閥15右位工作，高壓泵的油液經二位二通電磁閥13和經過液動換向閥7右位的低壓泵油液一起經過三位四通電磁換向閥15 右位，進入液壓缸無桿腔，液壓缸有桿腔的油液經過液動換向閥7 和三位四通電磁換向閥15右位進入液壓缸無桿腔，組成了差動快速回路。液壓缸下行，在觸碰到紐扣電池時，系統壓力增大，達到液動換向閥7設定壓力，其左位工作，低壓泵卸荷，差動連接斷開。且同時二位二通電磁閥12、13右位工作，高壓泵油液經二位二通電磁閥12右位，油液使液壓馬達帶動高壓泵旋轉，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。到達壓力繼電器8設定壓力后，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，且液動換向閥7切換為右位，液壓缸無桿腔負載消失。低壓泵和高壓泵同時向液壓缸有桿腔供油，液壓缸快速向上運動，完成一個工作循環。此循環完成了快進→加壓→快退的工作需求。

系統采用了液壓馬達與高壓小流量液壓泵的軸剛性連接的增壓回路，對比市面上現有采用高壓大流量液壓泵的液壓機，有較好的經濟性，且能提高系統局部壓力，確保封口時達到封口壓力標準，從而提升封口良品率。為了提升生產效益，系統采用了雙泵供油方式和差動連接快速回路，保證了液壓封口機在空載快進及快退時的快速運動。與市面上大部分液壓機采用的行程控制不同，系統采用液動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。系統采用液動換向閥、電磁換向閥、壓力繼電器等控制元件，使液壓系統更方便地實現自動化運行[6]。

系統壓力由溢流閥調定，單向節流閥控制輸入液壓馬達的流量，以此來控制液壓缸的運動速度[7]。在機器停止工作時，高壓泵和低壓泵的油液通過電磁換向閥卸荷。因為紐扣電池封口機經常處于長時間的封口工作狀態，所以考慮到液壓油溫度升高，在系統中設置了冷卻器。此外設置了蓄能器，能吸收或緩和系統在液壓泵突然啟動或停止、液壓控制閥突然關閉或開啟、執行元件運動的突然停止時所出現的液壓沖擊，也能吸收液壓泵工作時的壓力脈動，減少噪聲，降低因振動而損壞液壓元件的概率[8]。

4 液壓系統基本參數設定

因現有封口機為一沖二出（封口模塊為2個沖頭，即完成一次工作循環時封壓兩顆紐扣電池）封壓，封壓紐扣電池需要63 kN力，考慮到后續為了生產效益增加沖頭，則設定該系統最大工作負載F=80 kN，屬于中低壓系統。因為系統采用增壓回路，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。

根據現有封口機工作要求，擬定該系統最大工作行程為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。由于系統采用液壓馬達與液壓泵的軸剛性連接的增壓回路[10]，所以系統高壓工作壓力為高壓泵10的額定壓力，為24 MPa。所以系統的調定壓力為p=24×0.8=19.2 MPa，即溢流閥11設定壓力為19.2 MPa。

4.1 液壓缸參數計算

增壓回路運作時，系統調定壓力為19.2 MPa，系統最大工作負載80 kN，擬定系統工作阻力為10 kN。工作時活塞受力為

按照國家標準GB 2348-8O規定（如表1），選取液壓缸內徑D=80 mm。

表1 液壓缸的缸筒內徑尺寸系列 mm

根據國家標準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 泵的參數設定

擬定工作頻率f=200 次/min。則在一個工作循環內，液壓泵向液壓缸的排油量應與液壓缸向油箱的排油量相等。所以系統需要的總流量為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，轉速n=1000 r/min；低壓大流量泵選用內嚙合擺線轉子式齒輪泵，額定壓力為7 MPa，排量V2=30 mL/r，轉速n=1000 r/min。

4.3 液壓封口機封壓頻率驗算

根據現有封口機工作要求，擬定該系統最大工作行程45 mm, 空載下行為30 mm，沖壓階段為3 mm，空載回程為33 mm。

則一次工作循環總時間為0.328 s, 即每分鐘可沖壓182次，每分鐘可封口電池364顆，預計提升生產效益約65%。且系統中設置了蓄能器，在必要時既能提升封壓速率，也能吸收液壓泵工作時的壓力脈動，減少機器工作噪聲的產生。

5 結論

紐扣電池的封口工藝是電池生產流程中至關重要的一環，影響著紐扣電池的外觀及性能[11]。現在國內大部分電池制造公司所使用的封口設備基本上為自主研發、自己使用的模式，從該模式制造出的設備雖然滿足了日常的生產需求，但是有維修頻繁、生產精度不高、自動化程度較低等缺點[12]。本文開發了一臺新型封口機，通過不斷學習來推進液壓技術的發展，提高液壓產品生產質量和水平，具有一定的參考價值。