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油漆循环系统的设计与选型孙东吴晓光（兴信喷涂机电设备（北京）有限公司）一、前言近些年，随着国内汽车制造业的快速发展，涂装作业的规模越来越大，油漆循环系统也得到了越来越广泛的应用，由于生产规模及产品、材料的差异，对油漆循环系统的要求也不尽相同。针对油漆循环系统的设计、设备选型和安装工艺要求，2005年国家发布了专业技术标准，详细内容可参阅《涂装供漆系统技术条件》（JB/T10536-2005）。我公司自成立以来，已成功地为包括大众、通用、丰田、戴克、本田、福特、日产等在国内的合资厂及金杯、哈飞、长城等自主品牌工厂提供了油漆循环系统，也从中总结了一些经验和体会。二、油漆循环系统概述众所周知，任何一种油漆内都包含一定比例的固体微粒，如颜料和金属粉等，它们在调配好的油漆中呈均匀悬浮状态，这种状态的保持是获得高品质喷涂表面的关键。然而一旦油漆静止下来，这些固形微粒就会有产生沉淀和聚集的倾向，使喷出的油漆不能达到正常的外观和性能，对于金属漆和珠光漆，以上问题就更为突出。对于一个传统的涂装厂或涂装车间来说，当其生产规模或说是喷漆量达到一定程度后，一件或一批产品需要通过几个甚至十几个喷漆工位或人员才能完成全部的喷涂工作，而每一个工位或人员所使用的油漆是从不同的油漆罐中取出的，严格地说，这些油漆的颜色和性能是不一致的，而且，使用小型容器调漆也会造成更多的油漆浪费，而使用油漆循环系统是保证质量和节省油漆的首选方案。油漆循环系统是由多个材料供应管组成，用于保持和控制油漆的工艺要求，并将油漆以一定的压力和流量输送到喷漆工位的一种管道网路，它包括中央供漆设备（泵、涂料处理元件、空气处理元件、油漆桶、控制部分）、喷站出口元件和管路系统。然而，油漆的长距离输送，会遇到两个影响油漆品质的问题，沉淀和剪切。实验表明，大多数油漆以不低于18米/分（某些水性漆6~18米/分）的速度流动时，就不会产生沉淀现象，因此，油漆循环系统的设计与元件的选用首先要保证油漆在系统管路中能以合适的速度流动。同时，过高的流速、过多的油漆处理元件、不光滑的流道以及不合适的连接也是油漆循环系统中产生剪切和沉淀的主要原因。所以设计一个循环系统通常要考虑：油漆的种类与粘度，循环管路的长度，喷站的数目，产量，漆膜的表面要求，生产环境要求等等，并以此来设计循环形式，以及选择泵，容器，管路尺寸、连接形式及喷站元件。常见的油漆循环方式有主管循环、两线循环和三线循环。三、油漆循环方式的选择设计一套油漆循环系统，首先要确定油漆循环方式，确定油漆循环方式，必须综合考虑所输送的油漆类型、投资规模、产品要求和发展等多方面的因素。下面就从这几个方面对上述三种最常见的油漆循环方式作一分析和对比。1.主管循环（见图一）图一主管循环是最简单也是最基础的一种循环方式。目前，一些汽车厂的中涂漆、罩光漆及溶剂，还采用此种循环方式。在该种循环方式中，主管循环将油漆送至每个喷枪，然后回到调漆间。随着水性涂料在汽车上的应用，我们发现有些厂家的水性漆又回到了这个系统上来。另外，此种形式的一些变形——如低位主管，也被一些汽车厂用来输送金属漆。主管循环系统的喷站使用一个墙置式的涂料调压器来控制喷枪的流量，调压器配有压力表，可以直观地显示和调整提供给喷枪的油漆压力。在一些设计中，墙置式调压器及压力表被一个枪上调压器所替代，这会增加枪上的重量，而且流量的控制精度也会下降，虽然费用能稍有降低，但对管理和质量控制都不利。使用主管循环系统有很多优越性，首先该系统设计简单且易操作，无需很多经验就可调出所要求的系统平衡。供料速度和油漆压力可由油漆间内的泵用空气调压器和背压阀来调定，每个喷站的墙置油漆调压器可以精确控制和显示喷枪的流量。由于主管具有较大的尺寸和足够的循环流速，而且主管的压力可以按需要很容易地进行调整，因此不易发生沉淀的积累和堵塞，同时，该系统能最大限度地满足喷站数量的增加，喷站需增加时，只要从主管中接出支管即可，因此，从发展的眼光看，该系统能提供最大的系统扩充性，且只需很小变化。另外，不需变径的主管可以提供最光滑的流道，从而使油漆输送过程中管道变径对油漆的剪切降到最低。除此而外，这种系统对安装、施工来说最经济，且只要最少量的油漆来充满这一系统。该系统的不足之处在于，因其支管不循环，对于易沉淀的油漆或要求较高的产品来说，支管内的沉淀物或杂质会引起喷枪的堵塞与色差的产生，另外，因为清洗时每根支管均需要单独清洗，因此，换色较不容易完成。总之，主管循环虽不是一个最理想的系统形式，但对于一些要求不高厂家或不易沉淀的材料来说，主管循环仍是一种经济、实用的系统。2.两线式循环（见图二）两线式循环系统是基于工程学的原理来设计的，它是在一种理想状态下的理想系统。所谓理想状态，是在系统的供管和回流管中存在理想的对称，在这种情况下，系统不需要也不能够另使用调压器来控制和平衡系统。在这种系统中，油漆通过一条由粗变细的渐变的主管被供至每根支管，再通过一条由细变粗的渐变的主管流回调漆间，而供管和回流管系统网络应是完全对称的。两线式循环系统的喷站不需要墙置式的油漆调压器，通常只使用一个枪下调压器或枪下Y形接头来控制供给喷枪的流量。事实上，一个适当的两线系统是最经济的，这一系统要求较低的压力和流量，运行成本和能量消耗也低于其他系统，相对其它系统来说，管路系统及喷站处油漆出口组件的费用也相对较低。由于支管参与循环，因此该系统对于包括水性漆在内的任何一种油漆都是适用的。又由于管路元件较少，也使得元件特别是调压器的设置对油漆产生的剪切降到最低，同时，该系统换色时的清洗工作也是最容易完成的。2000年前，两线系统在国内汽车厂的应用并不多，这是由于当时国内的制造能力和管理水平不高，那时使用的多条两线系统都出现了不同程度的沉淀甚至堵塞问题，但目前国内的汽车厂中，两线系统是应用最普遍的，特别是在水性漆推广过程中，两线系统应该是比三线系统更适用的循环系统。图二3.三线循环（见图三）图三在所有循环形式中三线循环系统的系统控制性和灵活性是最好的。该系统结合了主管循环和两线循环的优点，在设计结构和系统的扩充性上，应说是综合性最好的系统。该系统包括一条主管循环管路及一条渐变的回流管，这条渐变的回流管是系统中的低压管。该系统的每个喷站均装有墙置式调压器，并经过装在枪上的调压器循环到枪，其中，墙置式调压器用来控制出口的循环量，枪下调压器可依据枪的循环量来控制供漆量。三线循环的优点是很明显的，较大尺寸的主管保证喷站有充足的油漆供应，循环到枪的形式使金属漆也不易产生沉淀，墙置式涂料调压器可以控制和显示每一喷站的油漆流量和压力，因此，喷站在系统中的位置、软管长度以及有关的压力损失都不会对系统平衡产生影响。三线循环还有一个很大的优点就是能够方便而且经济地满足将来的设计需要，这包括将来的材料改变，增加或减少喷站或喷漆室，以及适应工厂工艺改变而要求的喷站重组或管子直径及长度的改变，虽然这种变化并不是无限的。然而，三线循环也有其不足的一面，最重要的一点：由于三线循环采用双调压双背压系统，以及双回流设计，因此，它比其它系统需要更高的设备及安装费用，而且管路内需要更多油漆来充满，系统运行时需要消耗更多的能量等等，这一切都会造成更多费用的发生；另外，对于使用水性漆的用户来说，较多的调压器会对油漆造成剪切，而使油漆产生衰变，因此在设计时要注意使流过调压器的压差尽可能地小或选用低剪切元件。然而，对于一个希望得到高品质产品及将来可能改变工艺及材料的使用者来说，三线循环仍是一种选择。四.循环系统内的设备选择当循环系统的形式确定后，就需要确定系统所需要的设备了，这些设备包括：1.中央供漆系统内的设备一个完整的中央供漆系统由泵、油漆处理组件和空气处理组件及料桶组成。（1）泵的选择泵是供漆系统的核心，泵的选择通常要考虑流量、压力、化学兼容性和驱动形式。流量的确定要考虑喷漆时所喷出去的油漆和系统循环所需的油漆量；压力的确定要考虑油漆喷涂所需要的压力以及管路中的压力损失等。为了保证系统的可靠性，考虑流量时一般按照不超过20次/分的工作频率来考虑，这样有利于保证系统工作的稳定。值得一提的是在选择泵时优先选择四球式的柱塞泵，因为它具有比一般双球泵更稳定的性能和更长的寿命，同时也比离心泵的剪切小得多。对于国内大部分设计者和使用者来说，气动泵应该是最传统和最熟悉的，然而在国外，液压泵与电动泵的应用却占一定优势。近些年来，由于液压泵具有噪音低、耗能少、脉动小、寿命长以及对调漆间污染小等优点，在我国的应用也越来越广泛，图表一、二、三是美国GRACO公司所进行的不同形式泵之间的性能比较结果。实际上，使用液压泵所消耗的能量只有气动泵的1/3，同时，没有了气动泵换向放气所产生的巨大噪音，在调漆间存放和调制的油漆也避免了被空气马达中排出的含有油雾的空气所污染，又由于液压油能对马达起到润滑的作用，因此马达的寿命比空气马达更长，据美国GRACO公司提供的资料，液压泵的马达寿命不低于10，000，000个往复次数。除此而外，液压泵还不会出现因空气马达内结冰而造成停机的现象。因此最近几年，已有数十家新工厂都选择了这种环保节能的输送泵。另外，在国外车厂中，由于设备自动监控系统的广泛使用，电动泵在欧美也得到了广泛的应用，而在国内，电动泵的使用虽然还没有开始，但国外的GRACO公司、ITW公司和WAUKESHA公司都已在国内开始宣传他们的电动泵。图表一泵输出流量(1/min)能源消耗(kw)泵效率比较（电动泵、液压泵、气动泵）油漆种类：色漆粘度：0.8泊比重：1.2GRACO电动泵GRACO气动泵B5:1GRACOV-II液压泵图表二泵频次数/min噪声(dB-A)液压压力:70kg/cm2空气压力:3kg/cm2标准供漆往复次数标准往复次数下，15db-A的差别GRACO液压泵VII600GRACOKHi-Flo泵噪声比较气动泵与液压泵比较图表三液压泵和气动泵脉动比较压力(Kgf/cm2)GRACO气动泵P3:1空气压力：Kg/cm2液压压力：20Kg/cm2流体：油漆出口流量:27L/minGRACO液压泵V-I250压力(Kgf/cm2)GRACO公司电动泵的典型代表为TRIUMPH和IMPERIAL，TRIUMPH采用电动马达配柱塞泵，不会像气动泵马达容易结冰，但只是驱动马达的简单更换。IMPERIAL是一种电动离心泵，可靠性和耐用性极佳，具有低能耗、无脉动和低噪音等优点，这是气动泵无法比拟的，但剪切力偏大。GRACO公司最新推出的E-Flo电动泵，除具有一般电动泵的优点外，可以通过控制系统即时控制泵的流量和压力，在系统短时间要求高流量时，如喷涂时，需要大的瞬时流量，E-Flo泵能够通过变频控制提供大流量并配合背压阀的自动调整提供高压力以满足机器人喷涂、换色的要求。在循环（没有任何喷涂，比如生产间歇或休息）时，可以配合主动式背压阀提供较低的工作压力，喷涂时，控制达到所需的压力；循环时，降低压力，控制减小载荷，既能达到所需的循环压力，又能通过降低载荷延长系统的使用寿命和减少对油漆的剪切，增加系统的可靠性，保证油漆的品质。TRIUMPH泵IMPERIAL泵E-Flo泵ITW公司也推出了一种新型的SMART泵，在性能上与E-Flo相似，密封性能是该泵的特点，但维护稍微复杂。WAUKESHA转子泵在北美得到了一定的使用，98%的WAUKESHA泵在北美使用，据统计，已经超过500台这种原应用于食品行业的产品被应用在油漆系统。转子泵的特点是供漆几乎没有脉动，剪切也很小，但产品的耐用性不太理想。SMART泵WAUKESHA泵（2）油漆控制元件油漆控制元件包括稳压器、过滤器、背压调压器、搅拌器、补料泵、压力表等。这些组件的选用主要是要考虑在材料、压力、流量等方面与主循环泵的匹配。对于水性涂料及对剪切敏感的材料，要选用低剪切的元件；搅拌器的选择要与油漆桶的尺寸相匹配，不同形式元件的性能对比如下：a.稳压器常用的稳压器有隔膜式和罐式的，实验表明，隔膜式稳压器比罐式的稳压器稳定效果更持久。图表四显示了两种过滤器在工作一周后所表现出来的脉动程度，可以看出隔膜式