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汽車涂裝|如何為涂料循環系統選擇適用的供漆泵

2018-03-07  來自: 啟瑁涂裝精英圈 瀏覽次數:407

作為涂料循環系統的心臟,供漆泵根據設計要求持續不斷地提供了涂料循環系統所需的流體壓力和流量,就像人體的心臟一樣,生命不息、運動不止。在整個涂料循環系統的構建和運行成本中,供漆泵將是***主要的成本來源。為此,無論是最終用戶還是系統承包商,都非常關注用于涂料循環系統的供漆泵的選擇,它將關系到涂料在系統中長時間循環后是否會出現降級、系統的成本是否在預算之中、系統是否方便操作和維護、是否環保節能、是否更便于管理等等。

供漆泵主要由增壓泵和驅動馬達這兩部分構成。在此,我們先針對增壓泵和和驅動馬達的技術特點作相關的探討。

1.增壓泵技術

在涂料循環系統的發展應用過程中,應用于供漆泵的增壓泵技術的發展主要經歷了:離心泵、轉子泵、單向作用的雙活塞泵、雙向作用的四球泵等四個技術發展階段。早期的汽車涂料都為溶劑型涂料,對剪切力并不敏感,人們選用離心泵和轉子泵來對涂料進行增壓,其主要好處是輸出壓力比較穩定,設備投資較低;隨著金屬漆、高固體份漆和水性漆的發展和應用,人們認識到這些涂料對剪切力比較敏感,還有當今客戶對車身涂料的豐富多變的色彩需求等因素,對涂料循環系統的工藝技術提出了更高的要求,需要更低剪切力的增壓泵技術,需要更便于快速換色清洗的增壓泵的結構設計,這就是為什么在最近的二十多年中,單向作用的雙活塞泵和雙向作用的四球泵的應用越來越普遍,尤其是雙向作用的四球泵,其活塞上下往復一次可以完成兩次吸料和兩次出料;而單向作用的活塞泵,其活塞上下往復一次僅能完成一次吸料和一次出料,填料和出料比較急促,就如同自行車打氣筒,上提時吸氣、下壓時才打氣,如此的結構設計,不適宜用于需要連續流量和穩定壓力供應的涂料循環系統,這就是為什么單向作用的活塞泵應用于供漆泵上***采用左右對稱配置的雙活塞泵結構設計,以便達到左右往復一次可以完成兩次吸料和兩次出料,但如此的結構設計會導致較高的剪切力、維修成本和工時增加,此外,針對左右兩個活塞缸的清洗和換色所耗費的材料和時間也比較多。

對于上述四種增壓泵技術,PPG Industries Inc.和Center for InterfacialEngineering (University of Minnesota)曾經展開過調研和實驗,分析比較哪一種增壓泵技術對涂料的降級影響***小、對經歷長時間循環后的涂料所形成的涂層的質量影響***小,最終的結論是雙向作用的四球泵對涂料的降級影響***小、換色清洗***、涂層質量的變化***小。

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2.驅動馬達技術

供漆泵的驅動馬達技術有氣動、液壓和電動三種。

多年來,壓縮空氣驅動的氣動泵因其安裝和操作簡單、設備投資成本較低而成為涂料循環系統中選用***多的供漆泵。但是,能耗大是這種泵的***缺點,由于氣動馬達本身的特點,其******率通常不到20%。除了效率低以外,氣動泵在換向時,氣缸內的壓縮空氣向外界瞬間排放是一個絕熱膨脹的過程,致使馬達的排氣裝置周圍溫度下降,當空氣濕度較大時,會出現冷凝水甚至冰霜,嚴重時會導致氣馬達無法正常換向工作。再有,氣動泵在運轉過程中噪音非常大,在如此環境下工作的員工健康會受到不良影響。

隨著汽車涂裝系統的產能增大,更多的***用戶在涂料循環系統上選用液壓馬達驅動的供漆泵,由于液體是不可壓縮的,故相比氣動泵,液壓油驅動的液壓泵的換向響應速度更快,輸出的壓力和流量更大、更平穩。由于液壓油的自潤滑作用以及液壓缸的結構相對更簡單,液壓泵的免維護壽命比氣動和電動泵要長很多、日常運行維護的工作量和成本也是的,更重要的是液壓泵的能耗很低,在實際的工作模式的工況下,液壓泵的能耗甚至比電動泵還低。再有,液壓泵和氣動泵均屬本安型設備,在危險區域使用時其本身是安全的。

相比氣動泵和液壓泵,電動泵因其增壓泵是由其自身配置的電機驅動,方便對每一臺供漆泵的運行壓力(扭矩)、流量(轉速)進行獨立的監控,在近期的工業自動化背景下得到了較快的應用和發展。對于處在危險區域使用的電動泵,設備本身的設計和制造需充分考慮防爆技術要求,***選用通過第二和第三方的技術安全認證(例如FM、ATEX、UL)的電動供漆泵,此外現場的布線、防爆護管、防爆開關和電控柜等電器工程配置,也需嚴格按照相關的技術要求執行,故選用電動泵的涂料循環系統的投資成本會比氣動和液壓泵增加不少。便于管理和控制、能效高是電動泵的***優點,在配合休眠模式的工況下,電動泵的能耗。

3. 供漆泵對環保的影響

中國的電力主要來自煤炭和石化能源,能耗低意味著二氧化碳的排放低,在推廣使用水性涂料的,這一點特別值得關注,因為水性涂料雖然有助于減少VOC排放,但二氧化碳的排放卻有了相應的增加,因為相比溶劑型涂料,水性涂料中的水分揮發較溶劑揮發慢,甚至需要增加預閃干工藝,烘烤的溫度和時間也有所增加,烘烤過程中還需引入新風以便控制烘房內的濕度,這些都導致了水性涂裝工藝中的能耗增加(二氧化碳排放增加)。如何做到既能減少VOC排放、又能減少二氧化碳排放?

盡***所能減少涂裝工藝中的能耗是汽車廠做好環境保護的有效舉措之一,也是降低設備運行成本的重要手段之一。用于涂料循環系統的供漆泵每天24小時不間斷運行,若電動泵的能效有進一步提升,日積月累,***可以節省可觀的能耗費用、同時也為環境保護盡心盡責。為此,***的設備廠商對由電機驅動的電動供漆泵進行了更深入細致的研究,以便能夠為市場提供一款能效更高、操控更方便、投資和運行更經濟的電動泵。

4. 電動泵的精細研究和選擇

眾所周知,電動泵需要通過電機才能將電能轉換為用于驅動增壓泵運行的機械能。工業中使用的電機有多種類型,而交流感應電機和無刷直流電機(BLDC) 是***常用的電機。對于大多數普通工業應用而言,傳統的交流感應電機使用非常廣泛,這主要得益于交流電機的技術門檻低、制造容易、成本較低、若對速度和扭矩控制沒有要求,則可以直接使用公頻(50Hz)來驅動,若需對速度和扭矩進行控制,則需要額外購置變頻控制器(VFD) 和相關的驅動程序(程序電子卡)來配合運行,如此會增加用戶額外的設備投資、也需要有經驗的現場設備操作人員的配合才能確保設備的有效運行。

無刷直流電機(BLDC) 因技術含量高、制造成本高等因素,通常僅用于***工業產業,如機器人、工業自動化裝備、新能源汽車等。隨著工業自動化技術的快速發展,相關直流電機制造工藝和技術也得到了迅速發展、并獲得了關鍵性的技術突破,無刷直流電機(BLDC) 的成本得到了很好的控制、使用的便捷性得到了***的發揮,由其驅動的設備開始從***走向親民化、越來越深受廣大用戶的青睞。

5. 交流感應電機和無刷直流電機(BLDC)的區別

交流感應電機和無刷直流電機(BLDC)的結構非常相似,主要不同點在于轉子的設計。交流感應電機的轉子上不帶任何磁體,而是一系列金屬疊片和繞組;無刷直流電機(BLDC) 將轉子上的繞組更換為一系列永磁體。交流感應電機將3相電源應用于電機定子時,會形成旋轉磁場。該旋轉磁場會在電機中通過感應作用產生電流。電機電流會形成與定子磁場相互作用的自有磁體,并產生扭矩。大部分交流感應電機可直接通過交流電源供電運行,而無需使用控制器;但是,如果需要變速(例如控制供漆泵的流量輸出)則***在交流電源與電機之間安裝變頻控制器(VFD),因此這種優點便不復存在。變頻器(VFD) 通過改變提供給電機的電源頻率來改變電機的轉速。例如,對于額定轉速為1800 rpm、額定頻率為50 Hz 的馬達,當以25 Hz 的頻率運轉時,其轉速會降至900rpm。

即便使用變頻控制器(VFD),交流感應電機的轉速可控范圍也是有限的,大約為額定轉速的30% - 130%。要在非常低的轉速下運行或在停止轉動的情況下依然能夠產生額定的扭矩,交流感應電機就難以勝任。

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6. 為什么無刷直流電機(BLDC)驅動的供漆泵更適合涂料循環系統

應用于涂料循環系統的任何一款供漆泵,考慮到其對涂料剪切力、涂料降級、降低氣泡產生等因素的影響,供漆泵每分鐘的往復次數宜少不宜多,較多的往復次數容易對涂料造成更大的擾動和傷害,建議將供漆泵每分鐘的往復次數控制在12cpm左右是涂裝界的共識,這將有助于保持循環系統中的涂料品質的長久穩定;供漆泵在低轉速甚至零轉速的情況下(不借助使用在線的溢流閥)要能夠保持恒定的壓力輸出,這將有助于用戶僅僅使用***少的能耗就能使供漆泵處于待命狀態,可以隨時隨地為任何一個或若干個槍站提供確保良好涂裝品質要求的霧化壓力和流量供應。要想構建具備這些優異特性的涂料循環系統,可以選用本安型、壓力自平衡的氣動泵和液壓泵。若要選用電動泵,就需要選用更***的無刷直流電機(BLDC)驅動的供漆泵。

與交流感應電機不同,無刷直流電機(BLDC) 將轉子上的繞組更換為一系列永磁體,這些磁體會產生與定子磁場相互作用的磁場,并產生扭矩。但是直流電機并非簡單地依靠2相或3相電源便可形成旋轉磁場,而是需要定子磁場,使定子磁場方向與轉子位置及其永磁體的磁場作用保持一致。定子磁場由一個特制的電子裝置控制;需要使用連接到轉子的軸編碼器來幫助電子控制裝置***地保持轉子磁場方向與定子磁場方向一致。定子磁場可以實現對電機的,包括速度、扭矩和加速度。無刷直流電機(BLDC) 在低轉速甚至轉速為零時依然能夠產生并保持所需的扭矩,并且***的無刷直流電機(BLDC) 已經將編碼器和電子控制裝置集成在電機內部,為用戶提供了如下諸多的益處:

  • 對于任何給定的功率級,無刷直流電機(BLDC) 的體積和重量都要比交流電機小很多。

  • 無刷直流電機(BLDC) 的啟動性能好、驅動平穩、熱生成量低。

  • 無刷直流電機(BLDC) 對系統扭矩變化的響應快、在低轉速甚至零轉速時能夠保持恒定的扭矩輸出,該***性能可以幫助用戶既快又方便地構建涂裝系統所要求的恒壓自平衡模式。

  • 無需像交流電機那樣額外購置變頻控制器(VFD)和電子程序卡來控制轉速和扭矩(流量和壓力),投資更節省、使用更方便。

  • 無需像交流電機那樣在供漆管線上加裝溢流閥,不做無用功、減少不必要的涂料剪切。

  • 無刷直流電機(BLDC)的能效比AC交流電機的能效提高了25%以上

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在圖1中可查看無刷直流電機(BLDC) 和交流感應電機的能效比較。圖2則顯示了采用不同方式驅動的供漆泵將電能轉換為機械能的效率比較。輕巧的轉子、以及免除了克服交變電感產生的慣性,使得無刷直流電機(BLDC)可以對需求變化進行快速響應、壓力,在低轉速甚至零轉速下依然能夠保持所需的扭矩以外,無刷直流電機(BLDC) 驅動的供漆泵在機械傳動方式和結構上也可以做得更緊湊、更精簡。

無論是無刷直流電機(BLDC)還是交流感應電機驅動的供漆泵,都需要一種方法將電機的旋轉運動轉換為容積式活塞泵的線性往復運動。交流感應電機在***頻率下的恒定轉速和相對緩慢的動態響應需要通過復雜的機械裝置來實現線性往復運動,不僅需要使用齒輪減速裝置,還要使用凸輪、叉桿和滑塊等裝置。通常,這些裝置所構成的設備體積是電機的2~3倍。此外,這些設備還存在較多滾動和滑動磨擦部件,需要及時對這些磨損部件進行成本較高的維修或更換作業。相比之下,采用無刷直流電機(BLDC),由于其輕巧的轉子、以及免除了克服交變電感產生的慣性,使得無刷直流電機(BLDC)可以對需求變化進行快速響應、壓力以及快速***實現扭矩控制,因而無刷直流電機(BLDC) 驅動的供漆泵的機械傳動方式和結構可以做得更緊湊、更精簡,可以將減速齒輪和小身材大能力的無刷直流電機(BLDC)有機的集成一體、通過齒輪齒條方式將旋轉運動轉換為線性往復運動。這種對用戶極為友好的無刷直流電機(BLDC)除了應用于涂料循環系統的供漆泵以外,此類解決方案在其他自動化裝備上也廣為使用,如機器人、自動化傳輸設備、高精度CNC 加工設備,甚至電動汽車等等。

關鍵詞: 供漆泵           

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