尹岳波，尹 鴻，尹 伊，童 慧

（北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

0 引言

雙向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜具有高光澤、高挺度、阻氣性好、抗沖強(qiáng)度高等特點(diǎn)，從80年代后期開始至今，BOPP薄膜在食品、飲料、香煙、服裝等行業(yè)的包裝上得到廣泛應(yīng)用。盡管BOPP薄膜的設(shè)備和技術(shù)都依賴進(jìn)口，投資規(guī)模大，但由于其市場潛力大、產(chǎn)品附加值高，利潤大，已經(jīng)成為塑料包裝行業(yè)的投資熱點(diǎn)。近幾年在國家大力倡導(dǎo)低碳環(huán)保的大背景下，我國的新能源行業(yè)蓬勃發(fā)展，而鋰電池作為新能源行業(yè)中的新寵更是受到了高度的關(guān)注，我國目前已成為世界上最大的鋰電池生產(chǎn)基地，第二大鋰電池生產(chǎn)國和出口國。鋰電產(chǎn)品已經(jīng)占到全球30%～40%的份額，鋰電池隔膜作為鋰電池的重要核心部件，占鋰電池成本的30%以上，以前國內(nèi)的隔膜多依賴進(jìn)口，國內(nèi)無法自行生產(chǎn)，北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所結(jié)合雙拉設(shè)備的制造經(jīng)驗(yàn)和鋰電隔膜的特殊工藝性能成功地研制了國內(nèi)首條完全自主產(chǎn)權(quán)的隔膜生產(chǎn)線，目前在全國數(shù)個省區(qū)，十余家企業(yè)投入生產(chǎn)使用，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 生產(chǎn)線的主要技術(shù)參數(shù)如下：

產(chǎn)品： 單層雙向拉伸聚丙烯薄膜

薄膜厚度范圍：20～40 μm

薄膜寬度：2000mm～2600mm（薄膜切邊后收卷寬度）

拉伸機(jī)：縱向MDO 1:1～1:5

橫向TDO 1:1.2～1:2.5 (機(jī)械)

車速：生產(chǎn)車速 10～30m/min

機(jī)械車速 40m/min（最高）

生產(chǎn)能力：按年產(chǎn)量1000萬平方米計(jì)算。公稱年生產(chǎn)時間按7200小時，公稱寬度2000mm，公稱厚度按20um計(jì)算的。

生產(chǎn)線各規(guī)格產(chǎn)品產(chǎn)量如表1所示。

表1 各規(guī)格薄膜產(chǎn)量表

2 生產(chǎn)線構(gòu)成與功能技術(shù)參數(shù)

隔膜雙拉生產(chǎn)線主要由擠出系統(tǒng)、鑄片機(jī)、縱拉機(jī)（MDO）、橫拉機(jī)（TDO）、牽引機(jī)及收卷機(jī)等幾部分組成，各部分的功能及技術(shù)參數(shù)如下。

2.1 擠出系統(tǒng)

擠出系統(tǒng)由擠出機(jī)、粗過濾器、計(jì)量泵、精過濾器、熔體管線、模頭和模頭支架等部件組成。

1）擠出機(jī)采用單螺桿擠出機(jī)，要求結(jié)構(gòu)合理，塑化均勻，不結(jié)碳,壓縮比在2.3-3.5，符合改性PP料的特性。

2）粗過濾器

為防止雜質(zhì)進(jìn)入計(jì)量泵。

3）計(jì)量泵

計(jì)量泵采用進(jìn)口斜齒形式，用來提供穩(wěn)定的熔體壓力，所有與熔體接觸部分要經(jīng)過鏡面研磨。

4）精過濾器

采用燭式過濾器,使原料在精過濾器中停留的時間盡量縮短以及原料在精過濾器中沒有死角存在。

5）熔體管道

采用耐高溫不銹鋼制成，所有與熔體接觸部分要進(jìn)行鏡面研磨，避免對熔體流的干擾。

6）模頭

單層衣架式T型自動模頭。

2.2 鑄片系統(tǒng)

鑄片系統(tǒng)主要由鑄片輥、機(jī)架、旋轉(zhuǎn)接頭、減速箱、油加熱/冷卻裝置、驅(qū)動裝置和移動機(jī)構(gòu)等組成。

鑄片輥對控制厚片的晶形結(jié)構(gòu)、拉伸以及薄膜的質(zhì)量是至關(guān)重要的，鑄片輥驅(qū)動系統(tǒng)要求傳動精準(zhǔn)，鑄片輥與機(jī)頭模嘴之間要求精確定位；這些要求，對拉伸薄膜的厚度公差和平整性都十分重要。

鑄片輥機(jī)架為焊接型鋼結(jié)構(gòu)，經(jīng)消除應(yīng)力時效處理，防止變形。機(jī)架剛度良好，鑄片輥在工作車速內(nèi)無可覺察的振動。

鑄片輥連同軸承座一起安裝在機(jī)架上，軸承座安裝在精確磨光的槽內(nèi)，以便調(diào)節(jié)鑄片輥高度，兩側(cè)機(jī)架組合加工，保證一致性精度。

機(jī)架能縱向手動調(diào)整，以便精確調(diào)整鑄片輥與模頭之間的相對位置。

通過旋轉(zhuǎn)接頭和金屬軟管在操作側(cè)一端進(jìn)油和出油。旋轉(zhuǎn)接頭的內(nèi)裝密封環(huán)，拆卸后可顯示出密封環(huán)的磨損程度，以便及時更換。所有的密封件與導(dǎo)板都是自潤滑碳素石墨材料制成的，操作時無需潤滑。

鑄片輥的貼片位置在轉(zhuǎn)動方向與模頭垂線方向可以自由調(diào)節(jié)角度，改善貼片效果。

2.3 縱拉機(jī)

型式：垂直單點(diǎn)拉伸

輥的配置：

預(yù)熱輥數(shù)量：4根

拉伸輥數(shù)量：4根

定型輥數(shù)量：1根

壓輥數(shù)量：4根

張力輥數(shù)量：2根

輥表面粗糙度＜Ra0.025 mm

加熱方式： 電加熱 熱油循環(huán)

MDO設(shè)計(jì)采用垂直單點(diǎn)拉伸工藝。

縱拉機(jī)由機(jī)架、預(yù)熱、拉伸、熱定型輥、壓輥裝置、驅(qū)動裝置、薄膜張力控制、加熱/冷卻裝置、破膜檢測裝置、自動穿片系統(tǒng)等部分組成。

1）機(jī)架：機(jī)架為焊接結(jié)構(gòu)，用可調(diào)式推/拉螺栓調(diào)節(jié)水平。輥筒間的平行在機(jī)加工時保證，組裝時只允許微量的調(diào)整。

2）預(yù)熱、拉伸、熱定型輥 :輥筒內(nèi)的熱量通過輥筒外層傳導(dǎo)給薄膜。為了使輥面溫度均勻，熱油沿著輥面圓周螺旋式流道薄膜區(qū)域流動。輥筒的內(nèi)外表面均需機(jī)械精加工，確保輥筒各部位都有均勻的壁厚。輥筒內(nèi)置流道的型式和間隙經(jīng)過特殊計(jì)算，確保每個流道的熱油等量分布，輥面溫度均勻。為加強(qiáng)輥筒強(qiáng)度，輥筒軸徑為圓錐形，以便較好地承受薄膜的拉伸力。輥筒軸承為進(jìn)口高精度調(diào)心式滾子軸承，轉(zhuǎn)動側(cè)為固定式安裝，操作側(cè)為游動式，以便熱伸長。

3）壓輥裝置：氣動壓輥裝置安裝在入口預(yù)熱輥、出口熱定型輥和拉伸輥上。表面為耐高溫硅橡膠。壓輥裝置的氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和兩套自調(diào)心的轉(zhuǎn)軸組裝在一起，使得壓輥的運(yùn)動始終與各輥的中心線相平行。

4）驅(qū)動裝置：由交流變頻電機(jī)通過齒輪箱、萬向聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動各個輥筒。

5）出入口薄膜張力檢測：膜片的出入口張力輥安裝在機(jī)架上，使用三菱的張力檢測系統(tǒng)，使MDO的速度與前后設(shè)備匹配。檢測到的張力傳給PLC與設(shè)定張力進(jìn)行比較，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，具有自動與手動設(shè)置功能，其參數(shù)能手動設(shè)置，在張力發(fā)生波動時能迅速調(diào)整，使之符合工藝要求。

6）加熱/冷卻裝置：采用油加熱，由過濾器、電動調(diào)節(jié)閥、加熱器、換熱器、測溫傳感器、冷卻旁路、閥門、管道等組成，雙路測溫并帶有壓力保護(hù)。

7）破膜檢測：最后一根拉伸輥上裝有張力輥檢測斷膜并報(bào)警。

8）自動穿片系統(tǒng)：縱拉機(jī)的傳動側(cè)設(shè)有穿片鏈條，穿片鏈條的軌道與片路相一致。導(dǎo)輪安裝在輥筒軸頭自由轉(zhuǎn)動的軸承上，以便穿片鏈條導(dǎo)向和平穩(wěn)運(yùn)行。穿片完畢，整個穿片系統(tǒng)停止。

9） 輔助收卷： 為了便于觀察厚片的質(zhì)量情況，縱拉前安裝一臺輔助收卷，采用力矩電機(jī)傳動。端部采用氣缸伸縮來夾緊卷芯。便于卷芯的裝卸以及廢膜取下。采用獨(dú)立結(jié)構(gòu)，可移動可固定。

2.4 橫拉機(jī) (TDO)

進(jìn)口寬度：1000mm!1500mm。

出口寬度：1800mm!3000mm。

表2 橫拉機(jī)各區(qū)段參數(shù)

橫拉機(jī)由導(dǎo)軌、鏈鋏、保溫箱、機(jī)架、調(diào)幅系統(tǒng)、入口轉(zhuǎn)向裝置、鏈條張緊、閉鋏裝置、入口調(diào)偏裝置、主傳動裝置、開鋏器、潤滑系統(tǒng)、破膜檢測器和排風(fēng)系統(tǒng)等組成。

根據(jù)工藝要求，保證保溫箱內(nèi)的生產(chǎn)溫度穩(wěn)定、風(fēng)量30-100mm水柱、風(fēng)壓的上下波動控制在規(guī)定的范圍內(nèi)等。保溫箱按3米一段分區(qū),控制空氣分配和空氣循環(huán),預(yù)熱段每區(qū)安裝一臺循環(huán)風(fēng)機(jī)，拉伸段與定型段每區(qū)安裝二臺循環(huán)風(fēng)機(jī)，在預(yù)熱段與拉伸段、拉伸段與定型段之間加裝隔板防止各段之間溫度、風(fēng)量互串。各段均有風(fēng)閥調(diào)節(jié)，方便可靠；預(yù)熱、拉伸、定型段循環(huán)風(fēng)量變頻控制；在各區(qū)的每一段設(shè)有溫控元；各段的溫度由計(jì)算機(jī)控制；靜壓箱為矩形、內(nèi)置分流板，網(wǎng)孔式風(fēng)嘴。

鏈條張緊：左右側(cè)各有一套鏈條張緊機(jī)構(gòu)，張緊力由液壓裝置提供，其張緊力手動設(shè)定，并有數(shù)值指示；鏈條張緊機(jī)構(gòu)保持鏈條的張力恒定，鏈條的張力為無級調(diào)節(jié)；設(shè)有安全保護(hù)行程開關(guān)，使鏈條的張力在運(yùn)行過程超過限定范圍時自動停止運(yùn)行。

閉鋏裝置：入口轉(zhuǎn)向裝置的中心上垂直裝有兩個可氣動退位的閉鋏器，位于鏈鋏的上方。閉鋏擋板用硬度低、抗磨損、潤滑性能好的合成材料制成，氣缸上裝有磁性安全行程開關(guān)，用于檢測閉鋏擋板的位置。在穿膜前或保溫箱加熱時，閉鋏器可自動退位，防止閉鋏。

入口調(diào)偏裝置：入口轉(zhuǎn)向裝置安裝在兩套高精度的重型直線導(dǎo)軌上,可左右移動并繞其中心擺動;其支撐機(jī)架為重型型鋼焊接拼裝結(jié)構(gòu),經(jīng)時效處理和機(jī)加工。糾偏裝置由電機(jī)減速機(jī)與絲桿絲母組成，可單獨(dú)或同時動作，對入口薄膜的位置作自動調(diào)節(jié)。入口轉(zhuǎn)向裝置下的底座上有4個滾動軸承用來橫向調(diào)整，使入口轉(zhuǎn)向裝置可以縱向滑動，以便熱伸長和調(diào)節(jié)角度。

調(diào)幅裝置：調(diào)幅螺桿位于機(jī)架上，手動調(diào)節(jié)；手柄和膜寬顯示計(jì)數(shù)器位于保溫箱外，計(jì)數(shù)器指示精度為1mm。調(diào)幅組件和鏈軌組件間在水平面內(nèi)是自由的,用于熱膨脹補(bǔ)償和自由調(diào)節(jié),其間由多組滾動軸承支撐。

開鋏器：出口轉(zhuǎn)向裝置的中心上垂直裝有兩個可氣動退位的開鋏器，位于內(nèi)側(cè)鏈鋏的上方。開鋏擋板材質(zhì)性能與閉鋏器相同，其安裝角度正好與閉鋏器相反；氣缸上裝有磁性安全行程開關(guān)，用于檢測開鋏擋板的位置。開鋏器保證鏈鋏回程時開鋏。

潤滑系統(tǒng)：可控制少量潤滑油通過油管進(jìn)入橫拉出入口轉(zhuǎn)彎處，在相應(yīng)的潤滑點(diǎn)處慢慢注入潤滑油，潤滑周期由PLC控制。

電加熱器：安裝在風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)側(cè)，為不銹鋼加熱管式換熱器。

主傳動裝置：由兩臺交流變頻電機(jī)驅(qū)動兩臺左右旋的重型蝸輪蝸桿減速機(jī)帶動大直徑的鏈輪，確保兩側(cè)的鏈條同步運(yùn)行。高精度的非標(biāo)重型蝸輪蝸桿減速機(jī)對稱安裝在重型經(jīng)精密加工的機(jī)架導(dǎo)軌上，蝸輪蝸桿減速機(jī)底座與調(diào)幅絲杠相連，通過手輪控制相對移動，手動調(diào)節(jié)出口鏈鋏間距（即出口薄膜寬度），其數(shù)值有刻度顯示。兩臺蝸輪蝸桿減速機(jī)為非標(biāo)專門設(shè)計(jì)，輸入軸相對，旋向相反；輸出軸為加強(qiáng)加長設(shè)計(jì)，用于支撐出口導(dǎo)軌組件和驅(qū)動大直徑鏈輪，軸承采用重型進(jìn)口圓錐滾子軸承。

2.5 牽引系統(tǒng)

類型：易穿膜型

膜寬（切邊后）：2600mm

輥面寬 ：3000mm

牽引系統(tǒng)主要有展輥、導(dǎo)輥、切邊裝置、壓輥、傳動裝置、邊料收卷系統(tǒng)組成。

切邊裝置：每套切邊裝置可安裝3把刀片，轉(zhuǎn)動切邊裝置便于更換刀片；切刀位置在測厚儀后面，切邊操作時刀架氣動到位，自動進(jìn)入切邊位置；橫向位置可調(diào)，調(diào)整范圍2000～2800mm。

傳動裝置：牽引輥裝置的所有導(dǎo)輥（不包括展平輥）是通過高精度減速箱輸出傳動的，減速箱直接由變頻電機(jī)驅(qū)動。

邊料收卷系統(tǒng)：采用雙工位式收廢邊。剪輥調(diào)節(jié)范圍為2000～2800mm。

2.6 收卷機(jī)

形式： 雙工位收卷機(jī)

薄 膜 寬 度： 最大 2600mm

收卷直徑：φ600mm

靜電消除裝置：電離棒式

導(dǎo)輥采用陽極氧化輕質(zhì)鋁輥。

張力輥位置在牽引出口采用張力傳感器控制張力。

本收卷機(jī)是專門為柔性雙向拉伸隔膜而設(shè)計(jì)的。其特點(diǎn)是穿膜方便，具有完善的收卷特性、無褶皺、計(jì)長報(bào)警、微張力控制等功能。

收卷機(jī)有下列部件組成：

翻轉(zhuǎn)定位系統(tǒng)：調(diào)速傳動采用編碼器，編碼器通過計(jì)算機(jī)控制翻轉(zhuǎn)盤啟動、加速、減速或停車的位置。

軸芯頂針：鋼芯軸從兩側(cè)用氣動同步傳動的頂針夾緊，一旦頂針伸入軸芯內(nèi)，氣動漲緊器夾緊處于工作位置的軸芯，確保傳動；壓縮空氣卸壓時頂針復(fù)位。

芯軸傳動：每個芯軸以與其直連的伺服電機(jī)傳動，傳動精準(zhǔn)，張力控制穩(wěn)定。

收卷跟蹤系統(tǒng)：收卷跟蹤系統(tǒng)的作用在于使送入收卷機(jī)的薄膜有精確的張力，隨著收卷軸徑增大，仍保持恒定的收卷?xiàng)l件。

電離棒：電離棒與高壓發(fā)生器相連，產(chǎn)生正負(fù)電子，使薄膜的靜電荷中性化。

切換系統(tǒng)：薄膜長度達(dá)到設(shè)定值后，聲、光信號提醒操作人員換卷，翻轉(zhuǎn)盤自動翻轉(zhuǎn)180°，使薄膜開始接觸新軸芯。翻轉(zhuǎn)期間，計(jì)算機(jī)連續(xù)控制薄膜張力，芯軸的線速度盡快提高到薄膜速度。

3 結(jié)束語

目前此套雙向拉伸設(shè)備為國內(nèi)隔膜唯一進(jìn)行量產(chǎn)的生產(chǎn)線，不僅有極大的經(jīng)濟(jì)價值而且有巨大的社會影響，在我國新能源蓬勃發(fā)展的背景下必將在各行各業(yè)中發(fā)揮重要的作用。

[1]尹燕平.雙向拉伸塑料薄膜[M].化學(xué)工業(yè)出版社.1999.

[2]Toshitaka kanai (日),Gregory A.Campbell(美).塑料薄膜加工技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社.2003.