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汽车涂装|如何为涂料循环系统选择适用的供漆泵

2018-03-07  来自: 启瑁涂装精英圈 浏览次数:197

作为涂料循环系统的心脏,供漆泵根据设计要求持续不断地提供了涂料循环系统所需的流体压力和流量,就像人体的心脏一样,生命不息、运动不止。在整个涂料循环系统的构建和运行成本中,供漆泵将是最主要的成本来源。为此,无论是最终用户还是系统承包商,都非常关注用于涂料循环系统的供漆泵的选择,它将关系到涂料在系统中长时间循环后是否会出现降级、系统的成本是否在预算之中、系统是否方便操作和维护、是否环保节能、是否更便于管理等等。

供漆泵主要由增压泵和驱动马达这两部分构成。在此,我们先针对增压泵和和驱动马达的技术特点作相关的探讨。

1.增压泵技术

在涂料循环系统的发展应用过程中,应用于供漆泵的增压泵技术的发展主要经历了:离心泵、转子泵、单向作用的双活塞泵、双向作用的四球泵等四个技术发展阶段。早期的汽车涂料都为溶剂型涂料,对剪切力并不敏感,人们选用离心泵和转子泵来对涂料进行增压,其主要好处是输出压力比较稳定,设备投资较低;随着金属漆、高固体份漆和水性漆的发展和应用,人们认识到这些涂料对剪切力比较敏感,还有当今客户对车身涂料的丰富多变的色彩需求等因素,对涂料循环系统的工艺技术提出了更高的要求,需要更低剪切力的增压泵技术,需要更便于快速换色清洗的增压泵的结构设计,这就是为什么在最近的二十多年中,单向作用的双活塞泵和双向作用的四球泵的应用越来越普遍,尤其是双向作用的四球泵,其活塞上下往复一次可以完成两次吸料和两次出料;而单向作用的活塞泵,其活塞上下往复一次仅能完成一次吸料和一次出料,填料和出料比较急促,就如同自行车打气筒,上提时吸气、下压时才打气,如此的结构设计,不适宜用于需要连续流量和稳定压力供应的涂料循环系统,这就是为什么单向作用的活塞泵应用于供漆泵上必须采用左右对称配置的双活塞泵结构设计,以便达到左右往复一次可以完成两次吸料和两次出料,但如此的结构设计会导致较高的剪切力、维修成本和工时增加,此外,针对左右两个活塞缸的清洗和换色所耗费的材料和时间也比较多。

对于上述四种增压泵技术,PPG Industries Inc.和Center for InterfacialEngineering (University of Minnesota)曾经展开过调研和实验,分析比较哪一种增压泵技术对涂料的降级影响最小、对经历长时间循环后的涂料所形成的涂层的质量影响最小,最终的结论是双向作用的四球泵对涂料的降级影响最小、换色清洗最快、涂层质量的变化最小。

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2.驱动马达技术

供漆泵的驱动马达技术有气动、液压和电动三种。

多年来,压缩空气驱动的气动泵因其安装和操作简单、设备投资成本较低而成为涂料循环系统中选用最多的供漆泵。但是,能耗大是这种泵的最大缺点,由于气动马达本身的特点,其最高效率通常不到20%。除了效率低以外,气动泵在换向时,气缸内的压缩空气向外界瞬间排放是一个绝热膨胀的过程,致使马达的排气装置周围温度下降,当空气湿度较大时,会出现冷凝水甚至冰霜,严重时会导致气马达无法正常换向工作。再有,气动泵在运转过程中噪音非常大,在如此环境下工作的员工健康会受到不良影响。

随着汽车涂装系统的产能增大,更多的专业用户在涂料循环系统上选用液压马达驱动的供漆泵,由于液体是不可压缩的,故相比气动泵,液压油驱动的液压泵的换向响应速度更快,输出的压力和流量更大、更平稳。由于液压油的自润滑作用以及液压缸的结构相对更简单,液压泵的免维护寿命比气动和电动泵要长很多、日常运行维护的工作量和成本也是最低的,更重要的是液压泵的能耗很低,在实际的工作模式的工况下,液压泵的能耗甚至比电动泵还低。再有,液压泵和气动泵均属本安型设备,在危险区域使用时其本身是安全的。

相比气动泵和液压泵,电动泵因其增压泵是由其自身配置的电机驱动,方便对每一台供漆泵的运行压力(扭矩)、流量(转速)进行独立的监控,在近期的工业自动化背景下得到了较快的应用和发展。对于处在危险区域使用的电动泵,设备本身的设计和制造需充分考虑防爆技术要求,必须选用通过第二和第三方的技术安全认证(例如FM、ATEX、UL)的电动供漆泵,此外现场的布线、防爆护管、防爆开关和电控柜等电器工程配置,也需严格按照相关的技术要求执行,故选用电动泵的涂料循环系统的投资成本会比气动和液压泵增加不少。便于管理和控制、能效高是电动泵的最大优点,在配合休眠模式的工况下,电动泵的能耗最低。

3. 供漆泵对环保的影响

中国的电力主要来自煤炭和石化能源,能耗低意味着二氧化碳的排放低,在推广使用水性涂料的今天,这一点特别值得关注,因为水性涂料虽然有助于减少VOC排放,但二氧化碳的排放却有了相应的增加,因为相比溶剂型涂料,水性涂料中的水分挥发较溶剂挥发慢,甚至需要增加预闪干工艺,烘烤的温度和时间也有所增加,烘烤过程中还需引入新风以便控制烘房内的湿度,这些都导致了水性涂装工艺中的能耗增加(二氧化碳排放增加)。如何做到既能减少VOC排放、又能减少二氧化碳排放?

尽一切所能减少涂装工艺中的能耗是汽车厂做好环境保护的有效举措之一,也是降低设备运行成本的重要手段之一。用于涂料循环系统的供漆泵每天24小时不间断运行,若电动泵的能效有进一步提升,日积月累,一定可以节省可观的能耗费用、同时也为环境保护尽心尽责。为此,专业的设备厂商对由电机驱动的电动供漆泵进行了更深入细致的研究,以便能够为市场提供一款能效更高、操控更方便、投资和运行更经济的电动泵。

4. 电动泵的精细研究和选择

众所周知,电动泵需要通过电机才能将电能转换为用于驱动增压泵运行的机械能。工业中使用的电机有多种类型,而交流感应电机和无刷直流电机(BLDC) 是最为常用的电机。对于大多数普通工业应用而言,传统的交流感应电机使用非常广泛,这主要得益于交流电机的技术门槛低、制造容易、成本较低、若对速度和扭矩控制没有要求,则可以直接使用公频(50Hz)来驱动,若需对速度和扭矩进行控制,则需要额外购置变频控制器(VFD) 和相关的驱动程序(程序电子卡)来配合运行,如此会增加用户额外的设备投资、也需要有经验的现场设备操作人员的配合才能确保设备的有效运行。

无刷直流电机(BLDC) 因技术含量高、制造成本高等因素,通常仅用于高端工业产业,如机器人、工业自动化装备、新能源汽车等。随着工业自动化技术的快速发展,相关直流电机制造工艺和技术也得到了迅速发展、并获得了关键性的技术突破,无刷直流电机(BLDC) 的成本得到了很好的控制、使用的便捷性得到了更好的发挥,由其驱动的设备开始从高端走向亲民化、越来越深受广大用户的青睐。

5. 交流感应电机和无刷直流电机(BLDC)的区别

交流感应电机和无刷直流电机(BLDC)的结构非常相似,主要不同点在于转子的设计。交流感应电机的转子上不带任何磁体,而是一系列金属叠片和绕组;无刷直流电机(BLDC) 将转子上的绕组更换为一系列永磁体。交流感应电机将3相电源应用于电机定子时,会形成旋转磁场。该旋转磁场会在电机中通过感应作用产生电流。电机电流会形成与定子磁场相互作用的自有磁体,并产生扭矩。大部分交流感应电机可直接通过交流电源供电运行,而无需使用控制器;但是,如果需要变速(例如控制供漆泵的流量输出)则必须在交流电源与电机之间安装变频控制器(VFD),因此这种优点便不复存在。变频器(VFD) 通过改变提供给电机的电源频率来改变电机的转速。例如,对于额定转速为1800 rpm、额定频率为50 Hz 的马达,当以25 Hz 的频率运转时,其转速会降至900rpm。

即便使用变频控制器(VFD),交流感应电机的转速可控范围也是有限的,大约为额定转速的30% - 130%。要在非常低的转速下运行或在停止转动的情况下依然能够产生额定的扭矩,交流感应电机就难以胜任。

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6. 为什么无刷直流电机(BLDC)驱动的供漆泵更适合涂料循环系统

应用于涂料循环系统的任何一款供漆泵,考虑到其对涂料剪切力、涂料降级、降低气泡产生等因素的影响,供漆泵每分钟的往复次数宜少不宜多,较多的往复次数容易对涂料造成更大的扰动和伤害,建议将供漆泵每分钟的往复次数控制在12cpm左右是涂装界的共识,这将有助于保持循环系统中的涂料品质的长久稳定;供漆泵在低转速甚至零转速的情况下(不借助使用在线的溢流阀)要能够保持恒定的压力输出,这将有助于用户仅仅使用最少的能耗就能使供漆泵处于待命状态,可以随时随地为任何一个或若干个枪站提供确保良好涂装品质要求的雾化压力和流量供应。要想构建具备这些优异特性的涂料循环系统,可以选用本安型、压力自平衡的气动泵和液压泵。若要选用电动泵,就需要选用更先进的无刷直流电机(BLDC)驱动的供漆泵。

与交流感应电机不同,无刷直流电机(BLDC) 将转子上的绕组更换为一系列永磁体,这些磁体会产生与定子磁场相互作用的磁场,并产生扭矩。但是直流电机并非简单地依靠2相或3相电源便可形成旋转磁场,而是需要精确控制定子磁场,使定子磁场方向与转子位置及其永磁体的磁场作用保持一致。定子磁场由一个特制的电子装置控制;需要使用连接到转子的轴编码器来帮助电子控制装置精确地保持转子磁场方向与定子磁场方向一致。精确控制定子磁场可以实现对电机的全面控制,包括速度、扭矩和加速度。无刷直流电机(BLDC) 在低转速甚至转速为零时依然能够产生并保持所需的扭矩,并且先进的无刷直流电机(BLDC) 已经将编码器和电子控制装置集成在电机内部,为用户提供了如下诸多的益处:

  • 对于任何给定的功率级,无刷直流电机(BLDC) 的体积和重量都要比交流电机小很多。

  • 无刷直流电机(BLDC) 的启动性能好、驱动平稳、热生成量低。

  • 无刷直流电机(BLDC) 对系统扭矩变化的响应快、在低转速甚至零转速时能够保持恒定的扭矩输出,该独特性能可以帮助用户既快又方便地构建涂装系统所要求的恒压自平衡模式。

  • 无需像交流电机那样额外购置变频控制器(VFD)和电子程序卡来控制转速和扭矩(流量和压力),投资更节省、使用更方便。

  • 无需像交流电机那样在供漆管线上加装溢流阀,不做无用功、减少不必要的涂料剪切。

  • 无刷直流电机(BLDC)的能效比AC交流电机的能效提高了25%以上

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在图1中可查看无刷直流电机(BLDC) 和交流感应电机的能效比较。图2则显示了采用不同方式驱动的供漆泵将电能转换为机械能的效率比较。轻巧的转子、以及免除了克服交变电感产生的惯性,使得无刷直流电机(BLDC)可以对需求变化进行快速响应、精确控制压力,在低转速甚至零转速下依然能够保持所需的扭矩以外,无刷直流电机(BLDC) 驱动的供漆泵在机械传动方式和结构上也可以做得更紧凑、更精简。

无论是无刷直流电机(BLDC)还是交流感应电机驱动的供漆泵,都需要一种方法将电机的旋转运动转换为容积式活塞泵的线性往复运动。交流感应电机在一定频率下的恒定转速和相对缓慢的动态响应需要通过复杂的机械装置来实现线性往复运动,不仅需要使用齿轮减速装置,还要使用凸轮、叉杆和滑块等装置。通常,这些装置所构成的设备体积是电机的2~3倍。此外,这些设备还存在较多滚动和滑动磨擦部件,需要及时对这些磨损部件进行成本较高的维修或更换作业。相比之下,采用无刷直流电机(BLDC),由于其轻巧的转子、以及免除了克服交变电感产生的惯性,使得无刷直流电机(BLDC)可以对需求变化进行快速响应、精确控制压力以及快速高效实现扭矩控制,因而无刷直流电机(BLDC) 驱动的供漆泵的机械传动方式和结构可以做得更紧凑、更精简,可以将减速齿轮和小身材大能力的无刷直流电机(BLDC)有机的集成一体、通过齿轮齿条方式将旋转运动转换为线性往复运动。这种对用户极为友好的无刷直流电机(BLDC)除了应用于涂料循环系统的供漆泵以外,此类解决方案在其他自动化装备上也广为使用,如机器人、自动化传输设备、高精度CNC 加工设备,甚至电动汽车等等。

关键词: 供漆泵           

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