ТОКООТВОД СВИНЦОВОГО АККУМУЛЯТОРА

Полезная модель относится к конструктивным элементам химических источников тока, а именно свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, и может быть использована при их изготовлении.
Из уровня техники известно, что токоотвод выполняет в аккумуляторах функции токосъемника и несущей основы для активной массы электрода. Снижение массы токоотвода благоприятно сказывается на увеличении удельной энергии аккумулятора. Вместе с тем токоотвод должен обеспечивать минимальные омические потери и надежное удержание активной массы в условиях вибрации, ударных воздействий и коррозионных разрушений. Наименьшую массу имеют жилки с сечением в виде круга, но круглые жилки плохо удерживают пасту и активную массу. Поэтому при литье в кокили токоотводы изготавливают с жилками, имеющими сечение в форме квадрата, ромба, трапеции или шестиугольника, при этом размеры сечения жилок выбирают такими, чтобы в них вписывался круг с диаметром, обеспечивающим компромисс между требованиями снижения массы токоотвода и показателями качества литья.
Известен токоотвод, состоящий из рамки, имеющей ушко и ножки, горизонтальных и вертикальных жилок постоянного сечения, причем вертикальные жилки выполнены в виде чередующихся между собой разнотолщинных ребер овального и круглого сечения с отношением их площадей 2,3-2,5, при этом отношение количества круглых вертикальных ребер к числу овальных ребер равно 3,0-3,5 (Патент RU №2177192, публ. 20.12.2001).
Недостатком известного токоотвода является нерациональное расположение жилок, которые устроены параллельно рамкам, что приводит к повышенным омическим потерям и увеличению неоднородности распределения плотности тока по высоте электрода. А это, в свою очередь, создает условия для локального глубокого разряда в верхней части электродов в стартерных режимах эксплуатации аккумулятора и - для уменьшения коэффициента использования активной массы (особенно в нижней части электродов). В результате этого происходит снижение удельной энергии и долговечности аккумулятора.
Известен также токоотвод, принятый за прототип, представляющий собой решетчатую сетку из негоризонтальных (радиальных) жилок переменного сечения и горизонтальных жилок, расположенных внутри рамки переменной ширины. Сечения всех жилок решетчатой сетки имеют форму, близкую к правильному шестиугольнику. В верхней части рамки находится ушко, расположенное на расстоянии 18-24 мм от угла рамки, негоризонтальные жилки направлены к ушку, сечение негоризонтальных жилок увеличивается по направлению от рамки к ушку в 1,3-1,4 раза. Сетка упрочнена тремя утолщенными горизонтальными и тремя утолщенными негоризонтальными жилками, равномерно распределенными по полю сетки. В местах сопряжения горизонтальных жилок с вертикальной приближенной к ушку частью рамки горизонтальные жилки имеют клиновидное расширение с уклоном 8-12 град и длиной 4-6 мм. Ширина верхней части рамки в направлении ушка возрастает в 1,5-1,6 раза, нижняя часть рамки имеет два уширения длиной 33-40 мм, шириной 3,5-4,5 мм (Патент RU №2271055, публ. 27.02.2006. Бюл. №6).
Недостатком известного токоотвода является шестиугольная форма сечения жилок решетчатой сетки, способствующая, при отливке токоотводов, нарушению направленной кристаллизации сплава в местах соединений утолщенных и тонких жилок, возникновению усадочных процессов и, как следствие, - снижению надежности удерживания решеткой активной массы и стойкости электродов к вибрации и ударным нагрузкам. Для формирования качественного литья токоотвода экспериментально установлено, что в шестиугольные каналы литейной формы, предварительно обработанные теплоизолирующей пробковой суспензией, должен вписываться круг диаметром не менее 1 мм. По причине характерного лимита минимальной толщины жилок имеет место ограничение по сокращению массы токоотвода.
Кроме того, необходимо иметь ввиду, что при изготовлении негоризонтальных жилок с вписанным кругом диаметром более 1 мм и увеличивающимся в 1,3-1,4 раза сечением по направлению от рамки к ушку происходит дополнительное увеличение массы жилок, что приводит к росту массы токоотвода в целом.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение надежности и стойкости электрода к вибрационным и ударным нагрузкам при условии сохранения его удельной энергии за счет увеличения прочности токоотвода.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном токоотводе, представляющим собой решетчатую сетку из негоризонтальных и горизонтальных жилок, расположенных внутри рамки, в верхней части которой находится ушко, в направлении которого увеличивается ширина верхней рамки, негоризонтальные жилки направлены к ушку, сетка упрочнена утолщенными негоризонтальными и горизонтальными жилками, равномерно распределенными по полю сетки, согласно предлагаемой полезной модели, сечения жилок постоянны по длине, имеют форму, сформированную пересечением ромба и эллипса, у которого стороны, образованные большим радиусом, обрезаны смежными сторонами ромба, образующими острый угол, причем в сечениях жилок малая полуось расположена в плоскости токоотвода, а большая полуось - перпендикулярно его плоскости.
Такая форма позволяет получить в процессе литья токоотвода хорошее заполнение жилок свинцовым сплавом при величине диаметра круга, вписанного в сечение жилки, менее 1 мм, и уменьшить массу отдельных жилок. В результате в предлагаемом решении, по сравнению с известным, сетка усилена четырьмя (вместо трех) горизонтальными и пятью (вместо трех) негоризонтальными утолщенными жилками, а также шестью (вместо четырех) короткими утолщенными негоризонтальными жилками верхней секции решетки, примыкающей к ушку. Это позволяет без увеличения омического сопротивления и общей массы токоотвода повысить надежность удерживания активной массы в решетке при вибрационных и ударных воздействиях и обеспечить конструктивную жесткость плоскости токоотвода. Кроме того, выполнение негоризонтальных утолщенных жилок и нижней рамки с постоянными сечениями по длине, значительно упрощает конструкцию литейной формы и улучшает качество литья жилок, что также способствует повышению прочности токоотвода.
Технические решения, совпадающие с существенными признаками заявляемой полезной модели, не выявлены, что позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию «новизна».
Поскольку заявляемая полезная модель обеспечивает технический результат, выражающийся в повышении надежности и стойкости электрода к вибрационным нагрузкам при условии сохранения его удельной энергии за счет увеличения прочности токоотвода, и применима для изготовления свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, то можно сделать вывод, что полезная модель соответствует критерию «промышленная применимость».
На фиг. показана конструкция токоотвода свинцового аккумулятора, общий вид с частичными разрезами. Цифрами обозначены: 1 - негоризонтальные (радиальные) жилки; 2 - горизонтальные жилки; 3 - верхняя рамка; 4 - ушко; 5 - горизонтальные утолщенные жилки; 6 - негоризонтальные утолщенные жилки; 7 - короткие утолщенные негоризонтальные жилки верхней секции решетки; 8 - вертикальная, приближенная к ушку рамка.
Форма сечения и размеры утолщенных и узких жилок, приведенные на фиг., определены экспериментально совместно с подбором соответствующих профилей и размеров каналов литейной формы.
Предлагаемая форма сечения и размеры жилок токоотвода и положение больших полуосей перпендикулярно плоскости токоотвода, при котором поверхности жилок, образованные малыми радиусами эллипса, и коаксиально расположенные поверхности внутренних полостей каналов литейной формы образуют зазор для термоизолирующего слоя эмульсии. Подбором толщины термоизолирующего слоя изменяют тепловой поток, отводимый вдоль больших полуосей от центральных объемов жилок в направлении литейных полуформ. В результате обеспечивается необходимая скорость кристаллизации сплава сначала в центральных, а затем в периферийных объемах жилок токоотвода, причем в процессе литья токоотвода хорошее заполнение жилок свинцовым сплавом достигается при величине диаметров кругов, вписанных в сечения жилок, равных, примерно, 0,73 и 0,85 мм (фиг., сечение Α-A и Б-Б соответственно).
Подтверждение возможности осуществления заявляемой полезной модели изложены в нижеследующем описании примера изготовления и испытания образцов токоотвода для производства свинцовых аккумуляторов.
Пример 1. Перед изготовлением токоотвода полости литейных полуформ обрабатывают путем нанесения термоизолирующего слоя из специальной пробковой эмульсии. При отливке токоотвода свинцовый расплав поступает от литника к вертикальной приближенной к ушку рамке 8, которая непосредственно примыкает к верхней рамке 3 и приближена к ушку 4. Плавные (по радиусу) расширения (на фиг. не показаны) горизонтальных жилок 2, примыкающих к вертикальной рамке 8, способствуют обеспечению необходимой скорости направленной кристаллизации сплава и предотвращению его линейной усадки в указанных объемах решетки токоотвода. Вместе с тем расплав заполняет четыре утолщенные горизонтальные жилки 5, пять негоризонтальных утолщенных жилок 6 и шесть коротких утолщенных негоризонтальных жилок 7. Утолщенные жилки и заявляемая форма сечений всех жилок способствуют хорошему проливанию свинцовым расплавом узких жилок центральной части решетки токоотвода, для которых утолщенные жилки служат распределителем расплава.
Отлитый спаренный токоотвод заполняют электродной пастой, при этом утолщенные жилки 5, 6, и 7 задают толщину замазываемой пасты. Полученную спаренную электродную пластину разделяют на два единичных электрода. Для снижения брака при разделении спаренных электродов они соединяются при изготовлении четырьмя тонкими технологическими перемычками (на фиг. не показаны).
Пример 2. Для сравнения влияния формы и размеров сечения жилок решетчатой сетки на надежность и стойкость электрода к ударным нагрузкам изготовили образцы токоотводов, имеющих согласно прототипу шестиугольную форму сечения жилок. При этом, с целью упрощения конструкции экспериментальной литейной формы, в форму для литья заявляемой полезной модели внесли следующие изменения:
- общее количество горизонтальных и негоризонтальных (радиальных) каналов для литья жилок уменьшили и установили равным числу жилок известного токоотвода;
- форма и размеры сечения по длине каналов для литья негоризонтальных жилок выполнили неизменными.
Использование шестиугольной формы сечения жилок решетчатой сетки согласно прототипу для формирования термоизолирующего слоя между гранями жилок и внутренней поверхностью каналов литейной формы позволило получить хорошее заполнение жилок свинцовым сплавом при минимальном диаметре круга, вписанного в сечение жилок, равным 1,05 мм.
Для оценки прочности удержания электродной пасты решеткой образцы литых токоотводов заданных составов сплавов многократно отпускали с высоты 1 м на твердую плоскую поверхность и определяли число падений образцов до первого визуально контролируемого нарушения целостности пасты.
В табл. 1 представлены результаты испытаний заявляемой полезной модели (пример 1) и ближайшего аналога (пример 2).
Таблица 1
Наименование характеристики
Значение характеристики
Пример 1 (номер образца)
Пример 2 (номер образца)
1
2
3
4
5
6
Масса токоотвода, г
50,5
50,0
51,1
52
52,6
52,1
Масса электрода, г
135,6
135,7
137,1
138,2
138,9
138,8
Масса электродной пасты, г
85,1
85,6
86,0
86,2
86,3
86,9
Отношение масс металла и пасты, доли ед
0,59
0,58
0,59
0,60
0,61
0,60
Число падений до начала разрушений пасты, ед
19
20
18
14
15
14
На основании данных, приведенных в табл.1, можно сделать следующие выводы.
При использовании предлагаемой формы сечения жилок, по сравнению с известными, визуально наблюдается повышение качества литья жилок (отливка более ажурная) и снижение количества облоя.
Кроме того, при сохранении общей массы токоотвода неизменной и сокращении массы отдельных жилок увеличивается число утолщенных жилок, сопровождающееся повышением жесткости и прочности токоотвода и уменьшением размеров ячеек, что совместно с заявляемой формой сечения жилок обеспечивает повышение надежности удержания свинцовой пасты и стойкости электрода к вибрационным и ударным нагрузкам. В частности, заявляемая форма сечения жилок по сравнению с известной способствует увеличению количества падений образцов электродов (без визуально наблюдаемых признаков разрушения) на 20-42% (с 14-15 до 18-20 раз).