贯流式旋转阀机械结构改造设计实践

葛海平

(上海明子实业有限公司,上海200434)

国际石油资源越来越少,这些年呈萎缩的趋势,每个国家在开发新能源的领域争先恐后,我国也出台了一系列的扶持和减税的政策大力发展新能源产业链。新能源领域,三元锂电池的发展首当其冲。三元锂电池的制作工艺中,镍钴锰的物料输送模块是重中之重。物料输送模块中,旋转阀的压力输送、定量供给、定时供给系统不可或缺。所以贯流式旋转阀在整个气流输送系统中扮演着至关重要的角色。整个三元锂电池生产过程中,若旋转阀部件之间运行不畅、或者机械部件之间相互摩擦的话,伴随着一系列严重的问题,比如噪音和异物混入。噪音的问题通常是由部件之间的摩擦引起的,部件之间的相互摩擦会破坏部件表面的碳化钨熔射层,造成异物混入物料。异物混入在锂电池的生产过程中,属于重大事故。

1 产线介绍

厦门钨业顺应国家大力发展新能源材料的号召,在钨精矿、钨钼中间制品、粉末产品、三元正极材料等锂电池材料及其它能源新材料的研发、生产和销售方面加大研发和投入。三元锂电池前驱体制作工程的气流输送这个项目,是整个三元锂电池前驱体制作工程中很小的一个模块,已经完成并投入使用了。

贯流式旋转阀上面是高浓度气流输送装置,高浓度气流输送装置上面是自动投料装置。

贯流式旋转阀连接陶瓷管道,贯流式旋转阀下面(转下页)是正压风机。三元材料镍钴锰物料通过自动投料系统投入到高浓度气流输送装置后,由贯流式旋转阀进行定时、定量的供给,再利用正压风机的压力,通过陶瓷管道输送给下一道工序。详见图1：高浓度气流输送系统结构示意图。

图1 高浓度气流输送系统结构示意图

2 问题出现

2.1 贯流式旋转阀的工作原理。贯流式旋转阀的主轴,一端连接主轴箱,电机由链传动通过主轴箱带动主轴旋转。一端伸入到贯流式旋转阀的阀体内部。侧板型转子叶片的主轴部分,在阀体内部呈悬空的状态。侧板型转子在主轴的固定方式为过盈配合,传动方式为过盈式四角连接的方式。主轴、侧板型转子叶片、旋转阀阀体和端盖材质均为不锈钢SUS316。阀体内腔、旋转阀端盖和侧板型转子叶片表面均经过碳化钨熔射处理,厚度为0.3-0.4mm。详见图2：转子叶片端结构示意图。

图2 转子叶片端结构示意图

2.2 问题的产生及原因分析。物料传输系统运行半年后有两台贯流式旋转阀出现空转的时候无异常,但是在带料运行、高浓度气流输送装置内部压力达到130kpa 的时候,出现刺耳的异响的问题。在通过旋转阀供给、正压风机输送的下一道工序内,物料取样进行化学成分分析,结果发现,物料中的铁元素超过允许值10 倍。这是异物混入重大事故,异物混入在三元正极材料的生产制作中是绝对禁止的。

首先有一点很明确,异响肯定来自侧板式转子叶片与旋转阀阀体内腔或者两端端盖的接触。有碳化钨熔射层的金属部件相互摩擦产生刺耳的异响,相互摩擦之后造成表面碳化钨熔射层的磨损和破坏。熔射层破坏之后,不锈钢部件之后相互摩擦,不但造成刺耳的异响,还造成摩擦产生的不锈钢粉末混入物料,形成异物混入。具体分析可能来自如下几个原因：第一,因为结构上,主轴伸入旋转阀阀体内部的一端是悬空的结构,物料的重力以及高浓度空气输送装置腔体内的压力,可能造成主轴的一端挠性弯曲。从而造成了侧板型转子叶片与阀体内壁接触,以及侧板型转子叶片与阀体左右端盖接触和摩擦。第二,因为旋转阀的主轴和侧板式转子是过盈式配合,传动是通过四角连接。四角连接是一个不紧密的连接方式,随着使用时间的加长,侧板式转子的四角结构和主轴之间会产生越来越松动和间隙,从而产生摩擦和振动。因为侧板式转子叶片的四角结构和主轴表面的四角结构是不锈钢SUS316 材质,如果长时间摩擦和振动,会造成表面磨损,从而产生不锈钢粉末混入物料中,造成物料中的铁元素严重超标。

3 贯流式旋转阀机械结构改造方案

3.1 贯流式旋转阀拆解分析。基于上面的分析,对发生异响和异物混入的贯流式旋转阀进行了现场拆解。拆解的结果发现,旋转阀阀体内部、端盖、侧板式转子叶片上均有划痕,如图1、2、3。侧板型转子从主轴上拆解的时候,感觉到非常容易拆下,松动已经很明显,已经是近似间隙配合的状态。

图3 旋转阀端盖

图4 旋转阀阀体内腔

图5 转子叶片

根据主轴的长度和材质,计算出在正常工作状态压力下,主轴伸入旋转阀阀体的一端,发生挠性弯曲,进而造成侧板型转子叶片和阀体、侧板型转子叶片和两端端盖接触的可能性极小,从而排除主轴挠性弯曲的原因。进而推断可能是侧板式转子和主轴之间的四角传动连接,是结构上的缺陷,也是造成这次异响和异物混入的主要原因。

3.2 贯流式旋转阀机械机构改进方案。

3.2.1 旋转阀主轴四角连接改造。旋转阀主轴和侧板型转子叶片之间原来的设计有一些弊端：侧板型转子的轮毂和主轴之间是过盈配合,转子轮毂的一端和主轴上的四角连接也是过盈配合。过盈配合是一种不紧密的配合方式,旋转阀转子在工作状态,会承受来自高浓度气流输送装置腔体内的压力和物料的压力,旋转过程中,要承受相当的扭力。而旋转阀转子转动的驱动力,完全来自主轴和转子之间的过盈配合。使用时间长了之后,过盈配合会发生松动,进而会产生间隙。间隙产生后,转子轮毂和主轴之间就会产生摩擦和振动。振动会产生异响,摩擦会产生金属粉末进入物料,造成异物混入物料。所以,转子与主轴之间的过盈配合连接和过盈配合式驱动,是贯流式旋转阀的结构缺陷,也是造成这次异响、异物混入事故的首要原因。

图6 改造前：主轴与转子四角连接示意图

图7 改造后：主轴与转子键连接示意图

改造方案：把旋转阀转子和主轴之间的驱动方式,由四角连接改造为平键连接。平键连接在主轴驱动方面有天然的优势：第一,传递的扭矩大,第二,配合严紧,装拆方便。第三,运行安全平稳,无噪音,振动小。详见图6：改造前：主轴与转子四角连接示意图、图7：改造后：主轴与转子键连接示意图。

3.2.2 旋转阀侧板型转子轮毂,空心设计改造。贯流式旋转阀原设计,侧板型转子和主轴之间是过盈配合,驱动是四角传动。四角驱动所受的扭力较小,所以侧板型转子的轮毂,采用的是空心设计。详见图2(7)部位。空心设计保证了转子的重量较小,更容易被驱动,但是也有弊端,空心设计承受压力的能力较小,容易弹性变形,在长时间地运转过程中,如果发生弹性变形,容易造成旋转阀转子叶片和旋转阀阀体内腔、转子叶片和旋转阀两端端盖之间的接触和摩擦。另一方面,空心设计更容易产生振动和噪音。

侧板型转子和主轴之间的驱动改造为平键连接之后,比原设计能承受更大的扭力,所以,如果把转子的轮毂改为实心设计的话,能使整个系统更稳定的运转。

3.2.3 旋转阀转子叶片与阀体之间、侧板型转子和阀体端盖之间的间隙改造。原设计中,为了实现贯流式旋转阀更精确的定量供给的功能,旋转阀侧板型转子和旋转阀阀体之间、侧板型转子和旋转阀两端端盖之间的间隙都是设计为1mm。详见图2：(3)(5)(6)部位。实际上在正常的工作状态,不需要非常精确。间隙过小的话,还容易造成转子叶片在承受来自高浓度气流输送装置内的气压和物料的重力时产生微小的弹性变形。弹性变形容易造成侧板式转子叶片和旋转阀阀体、转子叶片和两端端盖之间的接触,只要接触发生,就有金属部件之间的摩擦。金属部件之间的摩擦,造成了金属表面碳化钨熔射层的摩擦和破坏。不锈钢部件之间的摩擦,会产生金属粉末进入物料中,从而造成异物混入。

结合上述原因,如果将侧板型转子叶片和旋转阀阀体内腔之间、转子叶片和两端端盖之间的间隙改造为2mm,对于实际的运转、对于有效的定量供给,并不会产生很大的影响。所以最终将上述的两个间隙,改造为2mm。

4 改造后的贯流式旋转阀运行测试

基于上述三点改造方案确定之后,重新设计了贯流式旋转阀的主轴、侧板型转子叶片和阀体的结构和尺寸,分别找到制造商进行加工制作。制作后的侧板型转子叶片、旋转阀阀体内腔、两端端盖,严格按照改造图纸进行碳化钨熔射。因为精度要求很高,所以各个部件加工前后和碳化钨熔射前后都进行严格的质量管理。各部件完成后,重新组装,旋转阀单件空转测试良好,运行平稳、无异响。

把贯流式旋转阀安装到工厂现场气流输送装置中去,再次进行空载测试,结果良好,无异响,振动测试结果：振动速度值为1.3mm/s, A 级。再次进行带料测试,结果依然是良好,无异响,振动测试结果依旧是1.3mm/s, A 级。在贯流式旋转阀的下道工序,镍钴锰物料取料进行化学成分测试,结果良好,含铁元素的百分比在允许范围之内。

贯流式旋转阀改造完成现系统已运行一年半,目前整个气流输送系统运行平稳,振动、噪音无异常,下道工序物料取样化学成分测试结果良好,无异物混入情况发生。

5 结论

本文基于厦门钨业三元正极材料项目中,物料气流输送模块的贯流式旋转阀出现的异响、三元前驱体材料镍钴锰物料中有大量铁元素混入的问题点,进行了严谨、科学的分析。铁元素的混入,一定是不锈钢金属部件摩擦导致,并迅速找到了问题产生的关键因素,对贯流式旋转阀进行了机械结构上的改造。把侧板型转子和主轴的连接方式由过盈配合改造为平键连接,把侧板型转子的轮毂由空心设计改造为实心设计,把侧板型转子叶片和旋转阀阀体之间的间隙、转子叶片和两端端盖之间的间隙由1mm 改造为2mm。经过长达一年半多的实际运作,结果依旧是很平稳、无异响、无异物混入,证明对贯流式旋转阀的机械结构改造工程取得圆满成功。