20100714涂装输调漆系统压力脉动分析和抑制

集中式输调漆系统压力脉动的抑制

东风本田汽车有限公司合成树脂科李平陈红武

【摘要】本文对涂装输调漆系统压力脉动产生的原因进行了分析，在原有稳压器的基础上增加了消减压力脉动的稳压调压器。利用系统压力脉动和流量脉动来调节稳压调压器内的流通面积，以此改变系统的输出流量，实现消减压力脉动的效果。结果表明，稳压调压器能在系统压力脉动和流量脉动变化时良好地抑制压力脉动。

【关键词】气动柱塞泵压力脉动稳压器稳压调压器

使用气动柱塞泵的集中式输调漆系统会产生压力脉动，手工喷涂时系统压力脉动，喷枪涂料的吐出量会随着脉动的频率忽大忽小，吐出量的不稳定造成涂装品色差、膜厚不均，流漆等缺陷。机器人旋杯自动喷涂时，压力脉动会影响机器人的准确性及旋杯的闭环控制，这些都会影响涂装的品质。为了降低或消除系统的压力脉动，一般在泵的出口安装稳压器。压力脉动主要是由于泵产生的流量脉动遇到系统阻抗后产生的，在一个脉动周期内，高于平均流量的脉动部分被稳压器吸收，而低于平均流量的脉动部分则由稳压器供给，从而实现压力脉动的削减。

稳压器吸收压力脉动的效果与稳压器前管路的流通面积和长度、涂料密度、流量脉动频率、系统压力和稳压器充气压力等因素有关。在设计吸收压力脉动的稳压器回路时，都是根据理论计算数据来选择稳压器的结构参数。但如果系统的工况发生改变，如系统压力的变化，泵的输出变大导致流量变化等，都将影响稳压器吸收压力脉动的效果；针对上述情况，在普通稳压器回路的基础上，增加稳压调压器，该装置能在系统工况发生改变时，始终保持吸收压力脉动的最佳效果。

一、集中式输调漆系统简介

图1输调漆系统管线图

涂装集中式输调漆系统是由各种部件和各种管道构成的管道网络，主要由调漆罐、柱塞泵、稳压器、过滤器等部件组成（图1）。它能给各个枪站以适当的压力和流量，并能控制涂料的温度黏度，涂料双组分中颗粒的悬浮和衰变。工程上将由这些部件和管路构成的一个集中式输调漆装置称为一个模组，每个模组可以有若干个涂料供给出口，每个涂料供给出口称为枪站。

柱塞泵将调漆罐中的涂料经过稳压器、过滤器泵入主管道，输送到各个枪站供人工或自动喷涂使用，然后剩余的涂料经过管道返回调漆罐。由于涂料在密闭的系统中循环运行，因而避免了外界污染的侵入，保证了涂料的洁净。

二、压力脉动产生的原因

1、柱塞泵

输漆泵负责向管路输出涂料，是集中式输调漆系统的核心部件,目前有气动柱塞泵、液压泵、电动泵三种。其中电动泵压力稳定、噪声小，但受涂料粘度影响大，并且不适用于金属漆的输送 ,安全性也差，同时其价格比气动柱塞泵高30％，液压泵是这三种泵中性能最好的一种，但价格比气动柱塞泵高1倍。因此，在东风本田合成树脂科涂装生产线中全部采用了气动柱塞泵，该泵为美国GRACO 公司的P3:1泵，其主要参数为气动柱塞泵最大使用压缩空气压力为6.7×10Mpa ，最大泵工作压力为2.8×10 MPa ；泵最大流量为90.8 L ／min ；泵最高工作频率为60次／min ；泵最大空气耗量为2.9M 3／min ,泵寿命1200万次；泵柱塞喉寿命250万次。该泵为脉动式工作，每次输出涂料1.5 L ，如果工作频率提高则泵的比数会降低。气动柱塞泵是利用活塞往复运动输出流量和压力的，在活塞上下止点时不输出流量和压力（原理见图2），因此连续工作时，输出流量和压力呈脉动状，其压力一时间曲线见（图3）。

图2柱塞泵原理图

回

其输出压力的数学表达公式为：

当t=T 2n-1时 P=KP 0 当t=T 2n 时活塞处于上下止点位置F=O 所以P=0 公式中 N=1，2，3，……

K 为柱塞泵的压强比

P 0为柱塞泵气马达的压缩空气压力

2、稳压器

柱塞泵输出涂料是脉冲式的，不适于直接打入管道。为使管路中涂料的压强相对平稳，在泵的出口处串联接入一个稳压器（见图4）。

稳压器采用气体弹簧式，由两个腔体组成，中间以一片膜片分开，上部为一个密封的加压气腔，下部腔体通过涂料。当涂料压力突然变大时，涂料腔体体积变大，空气腔被压迫体积变小，反弹压力增高，形成一个空气弹簧，从而使脉冲的涂料压力变得平缓，达到稳压效果。近似于液压系统中蓄能器的作用，稳压后的涂料通过过滤器输向管路，形成涂料流。稳压器是一个一阶惰性环节，它在回路中的接法决定了它起稳定脉冲漆流的作用，使之趋于平滑（见图5）。

图3柱塞泵的压力曲线图

图5稳压后的压力曲线

Flow-Thru Design

Graco

①．当泵断流时

Q 出=Q

负

（dP

W ／dt)·W=P

W

／R

即P

W --WR·(dP

W

/dt)=O

②．当泵续流时

Q 泵=Q

W

+Q

负

（1）

其中Q

W =（dP

W

/dt）·W

Q 负= P

W

／R

Q 泵 =(P

泵

—P

W

)／Ro

P

泵 =KP

空

，Ro为泵及输出管流阻，代入式(1)

（KP

空- P

W

）／Ro= W·(dP

W

/dt)+ P

W

/R (2)

整理后，P

W /R+P

W

+Ro+W·(dP

W

/dt)= KP

空

/ Ro

两边乘以R,

(1+R/Ro)P

W + WR·(dP

W

/dt)= KP

空

R/ Ro (3)

当泵断流时(Ro→∞)，即为泵断流时的微分方程。

上述公式中，

P

空

为空气柱塞泵中空气马达的压缩空气压力

KP

空

为气动柱塞泵提供的涂料压强，

K为泵的压强比；

Ro为泵内阻及输出至稳压器的管线流阻之和

P

W

为稳压器输出压强(动态)

W为稳压器的弹性模量，由机械结构和所充气体压强决定。它的数值为稳压器的膜片处于平衡位置时空气腔的体积与工作压强之商。

稳压器接入系统中后，整个系统压力的纹波系数可由上述数学公式求出。系统配置一定要合理，尤其是柱塞泵与稳压器的选型。在可能的情况下尽量减小流量，减少流量可以大幅度减小脉动。当系统中的涂料压力脉动较大时对喷涂质量有很大影响，因此系统中的稳压环节至关重要。

三、稳压调压器

调压是指以负载为对象，通过调节控制阀口的大小，使系统输给负载的压力大小可调。只有改变负载流量的大小才能调节负载压力。压力的大小能够调节，并不等于能够稳压。当负载因扰动而发生变化时，负载压力会随之变化。压力的稳定必须通过压力负反馈来实现。压力负反馈控制的核心是要构造一个压力比较器。稳压调压器可以看作是个压力比较器，其阀芯的开口度根据枪站负载的变化而变化。