王順菊 武昌俊 薛盛智

（1.安徽機電職業(yè)技術學院電氣工程系；2奇瑞汽車股份有限公司設備動力部 安徽蕪湖 241000）

在汽車工業(yè)中，生產(chǎn)線的規(guī)劃已經(jīng)越來越注重節(jié)能減排，環(huán)保方面的設備應用和投入。本文在以下三個方面介紹奇瑞焊裝車間在節(jié)能環(huán)保設備方面的應用實踐。

對于傳統(tǒng)的點焊設備，主要是工頻焊接，而此類焊接系統(tǒng)中，控制電源所具有的重要作用是毋庸置疑的。中頻直流逆變電阻焊接電源隨著當下科學技術的不斷發(fā)展而逐步成為焊接電源的主流發(fā)展趨勢，憑借自身優(yōu)越的性能以及較低的能耗而得到了各方面的廣泛認可。

焊裝車間內(nèi)，CO2氣體保護焊機焊接周期長，焊接時產(chǎn)生大量的煙塵，而這種煙塵區(qū)別于其他一般粉塵，具有顆粒微小，且含有大量未及時冷凝的飛濺火花，統(tǒng)稱為焊接煙霧，其中含有大量的有害的金屬物質(zhì)，嚴重污染了車間的工作環(huán)境并對工人的身心健康造成傷害，需對CO2氣體保護焊焊接煙塵進行收集處理。

側(cè)面摩擦傳動輸送線（以下簡稱摩擦線）是目前汽車行業(yè)較為先進的機械化輸送設備，它以運行可靠性高、維護簡單、能耗水平低、污染水平低等優(yōu)點成，成為輸送領域的新寵。目前廣泛應用于汽車廠焊裝和涂裝車間之間的白車身機械化輸送及存儲。

一、中頻直流焊機的應用研究

（一）中頻直流的焊接原理。主電路經(jīng)三相交流380V/50Hz電源獲得電力支持之后，利用濾波電容配合整流模塊對其進行針對性的處理，從而獲得可為系統(tǒng)所直接使用的脈動直流電，其電壓約為500V。再通過逆變電路對其進行二次處理，成為中頻方波電流，并通過整流、降壓處理之后，形成脈動相對較小的直流電，為焊接工作的順利完成提供必要的支持。脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動信號，始終是影響上述回路開合狀態(tài)的直接因素，并且其信號占空比的針對性調(diào)整，也可以有效的控制回路中電流的強弱。因此，對脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動信號的輸出時間進行針對性的調(diào)整，即可間接控制焊接的總時長。中頻直流電阻焊機工作原理如圖1所示。

圖1 中頻直流焊機工作原理

（二）中頻直流電阻焊的發(fā)展起因。傳統(tǒng)電阻焊接技術在實際的應用過程中，不僅焊接質(zhì)量的波動性較大，而且普遍存在飛濺嚴重、電極磨損嚴重、功率不足、能耗較大等問題。同時，焊接過程中所產(chǎn)生的強磁場也同樣嚴重的危害著操作者的身體健康。

中頻直流電阻焊機響應速度快，控制精度高，沒有明顯的峰值電流，熔核穩(wěn)定，核心比交流大和寬，幾乎沒有飛濺，焊接質(zhì)量穩(wěn)定、熱效率高，輸出功率大。解決了普通電阻焊無法滿足的對高強度鋼板、鍍鋅鋼板、多層鋼板的焊接需求。

（三）中頻直流電阻電焊機的節(jié)能優(yōu)勢。中頻直流不僅在焊接質(zhì)量上體現(xiàn)其優(yōu)勢，更體現(xiàn)在其節(jié)能效果上給企業(yè)帶來的經(jīng)濟效益，主要表現(xiàn)在以下幾點：

1.采用一體化模塊設計方案，整體穩(wěn)定性得到了大幅度的提升，故障率水平被控制在較低水平上。降低了焊接成本，縮短了維護時間，提高了工作效率。

2.從圖2工頻交流焊機與中頻直流焊機工作電波波形對比圖可看出，工頻交流焊機電流有過零現(xiàn)象，熱效率低，用晶閘管調(diào)節(jié)電流，當電流百分比偏小時，過零時間長，加熱時間相對較長，能量消耗大；中頻直流點焊機輸出電流為脈動直流，加熱集中，熱效率高，焊接熱輸入穩(wěn)定，焊接時間縮短，節(jié)能效果顯著，而且使生產(chǎn)節(jié)拍縮短，產(chǎn)能提升，可為企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟效益。

圖2 工頻交流焊機與中頻直流電焊機工作電流波形對比圖

3.工頻交流焊機電源輸入不平衡，功率因數(shù)低，對電網(wǎng)的沖擊比較大。中頻直流焊機由于其三相交流電源輸入,用電平衡,對供電網(wǎng)絡的沖擊小，不對任何單獨一相造成尖峰過載，功率因數(shù)高，幾乎達到100%，無需增設電容補償柜。相比普通焊機，中頻的變壓器較小的功率便能達到所需要的焊接能量，因此，產(chǎn)品焊接的能源電力成本顯著減小。

下表為目前使用的設備主要包括手工焊機和機器人焊機（以一體化焊機為例）的一個數(shù)據(jù)統(tǒng)計估算：

表1 不同種類焊機的能耗數(shù)據(jù)對比表

同樣是一體化焊機，中頻直流焊機比工頻交流焊機可節(jié)約20%左右的能量；而相對目前使用量最大的工頻交流分體式設備，節(jié)能可高達70%，經(jīng)濟效益十分可觀。

4.電極壓力使用降低、大大提高電極壽命，電極的維護費用降低。

5.焊接變壓器僅為交流變壓器1/3的質(zhì)量和體積,輕便快捷,滿足了機器人及自動化焊接的應用。

6.中頻直流焊接變壓器輸出的是直流電壓,沒有電感的煩擾，一體化焊機的節(jié)能效果還體現(xiàn)在無二次電纜的投資及電能和冷卻水損耗、以及一次電纜截面積的大大減小，這都體現(xiàn)中頻焊機的節(jié)能優(yōu)勢。

（四）中頻直流焊機的研究現(xiàn)狀。中頻直流焊接技術在美國、德國、日本等工業(yè)發(fā)達國家的研究已很深入，并在汽車工業(yè)生產(chǎn)中得到了普遍的應用；我國中頻直流焊接技術的研究還處在大專院校、科研單位、少數(shù)有技術實力的企業(yè)所進行的實驗研究和少量試生產(chǎn)階段。一些重要的、技術要求較高的企業(yè)所需要的中頻直流焊機，大多數(shù)依賴進口，或進口關鍵部件（逆變電源）再配套機架、機械部件、加壓系統(tǒng)等組裝，價格非常昂貴。但隨著研究的不斷深入和應用效果的實際驗證，中頻直流焊機的節(jié)能優(yōu)勢會被企業(yè)發(fā)現(xiàn)和認可并得到廣泛應用。

目前除了中頻直流逆變焊接技術外，出現(xiàn)了一種新型的變頻交流電阻焊接技術。中頻直流逆變電阻焊機中，由于系統(tǒng)電路中存在大電流整流二極管，因此能耗水平普遍較高，加上設備冷卻系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)問題，因此設備的整體故障率始終居高不下，并且維護成本、維修成本也相對較高。同時，由于此類焊機通過直流電進行加熱，因此無法在某些特定材料的焊接中發(fā)揮應有的作用。能夠克服上述缺點并充分兼顧交流、中頻直流電阻焊優(yōu)點的便是變頻交流電阻焊技術。目前該技術還在深入研究和試制應用階段，效果還有待時間的驗證。

二、煙塵凈化的研究應用

（一）煙塵凈化的方式。通常采用以下兩種形式的除塵設備：一種是傳統(tǒng)的車間通風管形式，在廠房頂開天窗，安裝通風機及通風管道，將焊接產(chǎn)生的煙塵等污染物直接排放到戶外大氣中。另一種是采用專用的環(huán)保凈化處理設備，將抽吸的污染物通過過濾、凈化處理后，再排放到大氣中。

車間通風管方式：由于是敞開式，通過風機吸附，噪音較大；且由于是廠房開口，很容易產(chǎn)生滲水現(xiàn)象，檢修也不便；直接對外排放，不符合大氣污染綜合排放標準要求。

煙塵凈化設備方式：主要是通過吸塵裝置將煙塵抽吸后，再經(jīng)過過濾器，將小顆粒煙塵過濾后排出清潔空氣，可起到凈化空氣作用。凈化設備由吸氣罩、濾芯、風機、集灰斗、消音器等組成。該除塵形式符合環(huán)保要求，在相關行業(yè)得到廣泛推廣應用。

（二）煙塵凈化設備的分類。

1.濾袋式除塵器。濾袋式除塵器采用濾袋作為過濾元件，其主要功功能元件包括：清潔室、除塵器出灰斗、脈沖清灰機構、濾袋、進排風道、氣動蝶閥、過濾室、手動進風閥及框架等組成。基本工作原理我們可以簡化表示為：

（1）重力沉降作用——隨著除塵器中進入氣體，在地球所具有的重力的影響下，一些顆粒較大的顆粒將沉降下來，形成初步的除塵效果。（2）篩濾作用——除塵器中所使用的纖維材質(zhì)的篩濾網(wǎng)，可以有效的阻擋流過空氣中顆粒大于其間隙的粉塵顆粒，從而起到除塵的作用。（3）慣性力作用——除塵器所使用的濾料，將會阻礙氣流的順利通過，而受到慣性的影響，將會有一定比例的顆粒仍然按照原有方向運動，從而被阻攔下來。（4）熱運動作用——氣流運動過程中，粒徑在1μm以下的顆粒，將通過布朗運動而改變其原有運行軌跡，進而被濾料捕捉下來。通常情況下，捕捉效果和濾料纖維直徑成反比。

優(yōu)點：

（1）除塵效果好，可保證對粒徑在0.3nm以上顆粒的有效捕捉，凈化效果可達到15mg/m3以下，整體除塵效果較為理想。（2）經(jīng)濟效益好，附屬設備需求較低，相對于電除塵器來說，整體技術要求較低。（3）可捕捉傳統(tǒng)電除塵器無法捕捉的多種化合物，如硫化物等。（4）有著較好的適應性，在粒徑較小的干燥粉塵的處理過程中有著出色的性能表現(xiàn)。（5）在處理帶有火花以及具有爆炸可能性氣體的除塵過程中，整體安全性遠高于傳統(tǒng)電除塵器。

缺點：

（1）布袋需要及時更換才能夠保證除塵效果，對布袋的消耗較大。（2）對目標氣體的濕度有一定的要求，否則將會出現(xiàn)結(jié)露等問題，除塵效果下降明顯。（3）壓力損失一般在1000～1500Pa之間。（4）歷經(jīng)較大顆粒的處理過程中，對于布袋所造成的磨損較為嚴重。（5）必須首先經(jīng)過降溫處理后方可回收和處理高溫氣體所帶粉塵顆粒。

濾袋式除塵器主要用于冶金、鑄造、建材、礦山、化工等行業(yè)。

2.濾筒式除塵器。濾筒式除塵器采用濾筒作為過濾元件，由進排風管、箱體、灰斗、清灰裝置、導流裝置、氣流分流分布板、濾筒及電控系統(tǒng)組成。我們可以將其工作原理（見圖3）簡單表述為：

受到風機運轉(zhuǎn)過程中所產(chǎn)生的負壓的影響，焊接過程中所產(chǎn)生的煙氣將在通過吸氣臂之后，經(jīng)過火花預處理而進入凈化室內(nèi)，并通過濾筒，粉塵過濾在濾筒表面上，凈化的空氣經(jīng)過濾筒中心由潔凈空氣箱出口排出。

隨著濾筒表面粉塵數(shù)量的不斷增加，其內(nèi)外壓差也將隨之增加，如果最終達到預設值，則需要通過電磁閥進入反吹清灰系統(tǒng)，高壓氣流在濾筒內(nèi)向外反吹，將過濾在濾筒外表面的塵餅顆粒吹落到灰斗中。

濾筒是用濾料制成的多褶、筒狀氣體過濾元件。隨著科技的發(fā)展，濾筒材料不斷更新。美國唐納森有限公司研制出ULTRA-WEB高效納米復合纖維濾材，濾材表面復合一層聚四氟乙烯覆膜材料。該濾筒對亞微米顆粒的粉塵具有優(yōu)異的過濾效率，可達99.999%。

圖3 濾筒除塵器工作原理

優(yōu)點：

（1）除塵器在工作過程中同步清灰效果好，過濾一般干性粉塵，濾筒可長期使用不需要更換。（2）凈化效率高，可有效凈化99.9%以上的亞微米級的粉塵顆粒。（3）運行過程中壓力損失較小，有效節(jié)約了系統(tǒng)的能耗。（4）在煙塵入口位置安裝擋板，可有效的提升濾筒的使用壽命，避免氣流對濾筒的直接沖擊。

缺點：

（1）在實際的使用過程中，濾筒會被污染物堵塞，降低使用效率。（2）在用于捕集含油霧較重的煙塵時，需要經(jīng)常更換價格昂貴的濾芯。（3）設備體積大，占用大量寶貴的空間。（4）需要更換高價的非標準濾芯。

濾筒式除塵器適合用于汽車、造船、陶瓷、煙草、橡膠、塑料、金屬焊接、機械及電子等相關行業(yè)。

3.靜電式除塵器。靜電式除塵器是采用靜電收集器作為主過濾元件，由除塵器本體和供電裝置兩部分組成。除塵器本體包括放電電極、收塵電極、氣流分布裝置、清灰機構、絕緣裝置和電機/離心風機等部分。其工作原理可以簡單表述為：

通過構造高壓電場的方式，促使粉塵在電荷的作用下從流經(jīng)的氣流中脫離出來。放電電極為正極，采用斷面各不相同的金屬導線制成；集塵電極為負極，由不同形狀金屬板制成。

主過濾芯的凈化原理是通過高壓導電絲導電和負極鋁板收集器吸附的高壓靜電吸附原理。煙塵中的大顆粒由預過濾膜分離截留，初步過濾后的煙塵先通過主過濾芯的高壓導電絲導電帶正極，導電后的煙塵進入主過濾芯的鋁板收集器時被鋁板的負極電磁場所吸附粘結(jié)在鋁板表面，干凈的空氣經(jīng)后置過濾膜進一步過濾后通過凈化器兩側(cè)的排氣口排出。

優(yōu)點：

（1）可有效捕捉1um以下粉塵下。（2）在實際的使用過程中，壓力損失非常低，具有高效低阻的特性。（3）可大規(guī)模處理煙塵，并且溫度、濕度對其除塵性能影響較小。

缺點：

（1）生產(chǎn)、安裝、運維需要由專業(yè)人員負責。（2）初始濃度高于30g/cm3的氣體必須經(jīng)過預處理方可通過靜電式除塵器進行處理。（3）粉塵比電阻對于最終除塵效果有著較大影響，比電阻超過范圍的粉塵氣體需要預處理。

濾筒式除塵器針對長期、重載工業(yè)空氣處理設計，可清除釬焊、火焰切割、鉆孔、磨削、攻絲等等多種加工中產(chǎn)生的煙氣、霧氣及粉塵。

4.幾種類型除塵器綜合比較。對于金屬焊接煙塵的凈化，通常選用濾筒式除塵器。

由于汽車車身焊接板件表面油污較多，焊接過程中常常伴隨著大量的油煙，油煙冷凝成霧狀后被牢固吸附在濾筒外表面，通過壓縮空氣反吹不易清除，降低了除塵能力，減少濾筒的使用壽命

焊接煙塵中含有大量未及時冷凝的飛濺火花，少部分未熄滅的火花被吸入濾筒表面，雖然濾筒為阻燃材料，但由于濾筒表面大量油霧的存在，始終難以杜絕濾筒燃燒的安全隱患。

靜電式除塵器使用電離子發(fā)生器，對煙霧和氣霧顆粒荷電，用集塵組件捕集荷電的煙霧和氣霧顆粒，由于沒有濾筒，所以不存在油污堵塞的問題。但其對煙塵顆粒的過濾效果稍遜于濾筒式除塵器。

（三）煙塵凈化設備的分類。

1.中央集中式。中央集中式煙塵凈化器通常為濾筒式除塵器，在工廠廠房內(nèi)整體或局部規(guī)劃大量CO2氣體保護焊接工位（或其他弧焊工位），對車間的多個區(qū)域焊接工位產(chǎn)生煙塵通過分支風管與大范圍捕集罩進行集中收集處理。

中央煙塵凈化系統(tǒng)通常采用PLC智能化控制系統(tǒng)，可根據(jù)使用工況的不同，針對性的對運行程序進行設定。通過變頻器，凈化系統(tǒng)可根據(jù)實際的吸風量需求自動調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速，降低運行能耗，減小濾筒磨損，延長其使用壽命。

2.區(qū)域集中式。區(qū)域集中式煙塵凈化器通常為濾筒式除塵器，是將同一區(qū)域附近（通常為6-12米范圍），多臺CO2氣體保護焊機，多個焊點的焊接煙塵通過大范圍捕集罩進行集中收集處理。

區(qū)域集中式煙塵凈化器外形結(jié)構及工作原理與中央集中式相似，與其相比并具有以下優(yōu)點：

（1）同一區(qū)域內(nèi)的焊接煙塵由獨立的凈化系統(tǒng)控制處理。避開了中央集中式的風管過長，風壓損失大的缺陷。

（2）在通常情況下CO2焊機（或其他弧焊設備）在汽車車身焊接車間內(nèi)分布較散，采用區(qū)域集中式更為靈活、經(jīng)濟、合理。

3.移動單機式。移動單機式煙塵凈化器，每臺設備配有單根或兩根可全角度旋轉(zhuǎn)的吸氣臂，可靈活控制吸氣角度，并支持自動定位。

移動單機式煙塵凈化器屬輕便除塵器，該設備結(jié)構簡單，操作方便，價格經(jīng)濟，適用于移動的焊接工位，尤其適合于維修補焊工位。

移動單機式煙塵凈化器應用于生產(chǎn)線工位，存在如下缺點：

（1）由于受到吸氣臂長度的限制，主機通常安裝在焊接工位附近，占用工位空間。（2）由于受到吸氣罩口徑的限制，煙塵收集范圍小，長距離或多點焊接時必須隨時移動吸氣臂，影響焊接生產(chǎn)效率。（3）由于吸氣臂較短，吸氣口距離主機較近，焊接飛濺火花更容易進入到濾芯表面，加大了濾筒燃燒事故的幾率。

四、摩擦線的應用研究

從2006年開始，摩擦線陸續(xù)應用于奇瑞汽車的多個生產(chǎn)、輸送項目之中。具體輸送原理圖參見圖4：

圖4 摩擦線驅(qū)動原理圖

如圖4所示的多個小型驅(qū)動站共同構成了一套完整的摩擦輸送設備。在實際的運行中，驅(qū)動電機帶動摩擦輪，并在輔助輪的配合下，利用彈簧裝置夾住小車橫梁，而摩擦輪側(cè)面的高摩擦材料聚氨酯，可通過摩擦力帶動小車橫梁產(chǎn)生位置上的移動。按照地形以及輸送要求，設置了多個不均勻分布的驅(qū)動站，通過彼此間的不斷傳遞，實現(xiàn)了小車的輸送目的。

通常情況下，這套系統(tǒng)中所使用的驅(qū)動站電機的功率一般控制在120W～180W之間，并且只有檢測探頭檢測到小車位置之后方才會啟動。相對于傳統(tǒng)的推桿鏈輸送線來說，這套設備可以有效的節(jié)省大量能源，值得我們給予應有的肯定。

另外，如上文中所介紹的那樣，這套設備完全依靠驅(qū)動輪和小車橫梁之間的摩擦力帶動小車向前移動，而在這一過程中由于使用的是聚氨酯材料，所以運行過程中噪音很低，而且沒有任何的油污。每個驅(qū)動站的結(jié)構非常的簡單，因而整個摩擦線的結(jié)構相對簡單，這對于后期維護工作的順利開展無疑是有著重要的積極意義的。

當然，與傳統(tǒng)的推桿鏈相比，該設備也存在一定的不足：摩擦線輸送模式整體布線工作量較為龐大，電氣控制系統(tǒng)布線成本增高，系統(tǒng)相對故障點也有所增高。

五、總結(jié)

汽車工業(yè)發(fā)展的不斷需求，使得焊裝車間的設備也在不斷的適應發(fā)展的需要，目前節(jié)能環(huán)保設備是發(fā)展的方向，各個汽車廠都在不斷的應用和發(fā)展相關的技術，本文主要介紹了奇瑞在這方面的幾個應用。

（一）中頻直流焊機在汽車車身焊接的應用，作為一種高效節(jié)能的焊接設備，降低生產(chǎn)成本，在節(jié)能上的優(yōu)勢，尤其是中頻直流一體化焊機，給企業(yè)帶來可觀的綜合經(jīng)濟效益。雖然目前控制電路要求較高，價格昂貴，制約著中頻直流焊機在國內(nèi)汽車工業(yè)的普及推廣，但中頻直流焊機，相信不久的將來國內(nèi)汽車廠商會漸漸接受和認可，并取代傳統(tǒng)焊接設備得到大力推廣。

（二）介紹了目前奇瑞使用的區(qū)域集中式濾筒除塵器，中央集中式濾筒除塵器，移動單機式靜電除塵器。

（三）現(xiàn)有技術水平下，側(cè)面摩擦傳動輸送線所具有的性能優(yōu)勢為其在更多領域的應用提供了極大的支持，尤其是其環(huán)境保護方面的特性，更是為其提供了更為寬廣的發(fā)展空間。