王洪江

（一汽-大眾汽車有限公司成都分公司，四川 成都 610100）

在涂裝工藝的輸調(diào)漆設(shè)備中，一般有柱塞泵供漆和電動(dòng)泵供漆兩種選擇方案。柱塞泵供漆系統(tǒng)采用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，具有投入成本低的優(yōu)點(diǎn)，但供漆壓力有波動(dòng)，工藝參數(shù)控制偏差大。電動(dòng)泵供漆系統(tǒng)采用變頻器驅(qū)動(dòng)，投入成本高，但供漆壓力可實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，工藝參數(shù)控制穩(wěn)定，適用于有高品質(zhì)要求的大批量自動(dòng)噴涂生產(chǎn)場(chǎng)合。本文所描述的電動(dòng)輸漆系統(tǒng)采用了BIKS公司的E2-30電動(dòng)泵，這套裝置使用一個(gè)等速凸輪驅(qū)動(dòng)一對(duì)以滾珠直線導(dǎo)軌支撐的滾輪做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，每個(gè)行程的推力相等，結(jié)合特殊的凸輪型線，可最大限度地減少液體壓力波動(dòng)和換向脈動(dòng)，凸輪運(yùn)行速率由西門(mén)子G120變頻器以U/F(壓頻比恒定)方式進(jìn)行控制。筆者所在的調(diào)漆間有34套電動(dòng)輸漆系統(tǒng)，近3年的統(tǒng)計(jì)顯示變頻器損壞了11臺(tái)，超溫報(bào)警停機(jī)達(dá)64次。系統(tǒng)控制不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致供漆突然中斷，嚴(yán)重影響噴涂質(zhì)量，僅2020年便產(chǎn)生返修車26臺(tái)，返修成本高達(dá)2.6萬(wàn)元。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)有兩種情況容易觸發(fā)電動(dòng)輸漆系統(tǒng)的超溫故障：一種情況是雙泵系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)泵切換啟動(dòng)時(shí)，高頻運(yùn)行電機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)超溫故障；另一種情況是生產(chǎn)期間，電動(dòng)輸漆裝置在低頻率運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)超溫故障。電機(jī)運(yùn)行溫度與頻率之間的關(guān)系如圖1所示。從現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期觀察可知，電動(dòng)系統(tǒng)能夠持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的頻率在20 ～ 46 Hz之間。

圖1 電機(jī)運(yùn)行溫度與頻率的關(guān)系Figure 1 Relationship between motor operating temperature and frequency

在靜態(tài)低頻穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速低，散熱不好，容易觸發(fā)超溫故障。電動(dòng)泵設(shè)計(jì)的最低運(yùn)行頻率為20 Hz，而程序中PID(比例-積分-微分)自動(dòng)調(diào)節(jié)最低頻率為0 Hz，超出了電動(dòng)泵的設(shè)計(jì)要求。因此需要優(yōu)化自動(dòng)控制系統(tǒng)的最低設(shè)定頻率。

在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)，頻率可快速升至50 Hz。對(duì)于流體驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)，頻率提升越快，瞬時(shí)負(fù)載越大，電機(jī)發(fā)熱量也會(huì)急劇增大，溫升過(guò)快便觸發(fā)超溫報(bào)警。動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的原理是電動(dòng)泵出口壓力變化值首先經(jīng)過(guò)程序按照比例對(duì)應(yīng)成合適的頻率值，再由變頻器按照斜坡設(shè)置值輸出執(zhí)行。因此，通過(guò)修改程序比例參數(shù)和變頻器斜坡參數(shù)就可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)輸漆系統(tǒng)動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)的調(diào)節(jié)。

1.1 運(yùn)行頻率

在靜態(tài)控制時(shí)運(yùn)行頻率出現(xiàn)持續(xù)過(guò)低現(xiàn)象的原因在于PID計(jì)算的調(diào)節(jié)范圍寬，因此需要在程序中進(jìn)行最低調(diào)節(jié)頻率限制。當(dāng)自動(dòng)調(diào)節(jié)頻率低于20 Hz時(shí)，直接調(diào)用手動(dòng)設(shè)定頻率值，使頻率穩(wěn)定在20 Hz，自動(dòng)調(diào)節(jié)頻率高于20 Hz時(shí)，重新啟用自動(dòng)調(diào)節(jié)值。

在動(dòng)態(tài)控制時(shí)，電動(dòng)輸漆系統(tǒng)的頻率通過(guò)計(jì)算供漆壓力實(shí)際值與設(shè)定值的差值比例進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。比例范圍越大，控制頻率變化越大，而比例范圍越小，控制頻率趨于穩(wěn)定。在動(dòng)態(tài)控制過(guò)快的系統(tǒng)程序中設(shè)定的頻率最大比例值為78，而采用U/F控制方式的頻率最大比例值為50，參數(shù)優(yōu)化后系統(tǒng)控制精度可由50%提高至1%。

1.2 運(yùn)行斜坡

在變頻器方面，0 ～ 50 Hz頻率控制范圍內(nèi)的斜坡控制時(shí)間為10 s，但在斜坡啟動(dòng)瞬間和終止瞬間的設(shè)定時(shí)間為0 s，存在輸出轉(zhuǎn)矩尖峰。在流體系統(tǒng)中輸出轉(zhuǎn)矩的突變?nèi)菀滓鹚查g過(guò)載現(xiàn)象，從而觸發(fā)電機(jī)瞬間過(guò)熱。修改初始斜坡過(guò)渡時(shí)間和結(jié)束過(guò)渡時(shí)間為3 s，可減緩轉(zhuǎn)矩尖峰的沖擊，避免產(chǎn)生超溫故障。

1.3 運(yùn)行溫度

在電機(jī)方面，由于電動(dòng)泵防爆設(shè)計(jì)的原因，自帶風(fēng)扇的散熱能力有限，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定在20 Hz運(yùn)行時(shí)，電機(jī)上端與下端的溫差可達(dá)10 °C，防爆電機(jī)內(nèi)PTC(正溫度系數(shù)型)熱敏電阻的靈敏度偏高，容易誤觸發(fā)超溫故障。通過(guò)在電機(jī)下端增設(shè)自制的散熱環(huán)，利用壓縮空氣膨脹吸熱的原理輔助電機(jī)降溫，能夠消除電機(jī)上下兩端的溫差，保證超溫報(bào)警的可靠性。

1.4 運(yùn)行轉(zhuǎn)矩

在減速箱方面，頻率優(yōu)化后電機(jī)溫度由最高60 °C降至40 °C，但減速箱溫度反而從41 °C上升至51 °C(見(jiàn)表1)。減速箱溫度升高不僅會(huì)加速齒輪的磨損，而且會(huì)加速潤(rùn)滑油的質(zhì)變，縮短更換周期。導(dǎo)致減速箱溫升的原因主要有兩個(gè)方面：一是內(nèi)部潤(rùn)滑不良，二是外部傳動(dòng)受力增大。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查，溫升減速箱的潤(rùn)滑狀態(tài)良好，而輸出轉(zhuǎn)矩由優(yōu)化前的4.05 N·m升至5.29 N·m，故負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大是引起減速箱溫升的主要原因。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控對(duì)比，優(yōu)化前電動(dòng)輸漆系統(tǒng)正常工作時(shí)最大臨界轉(zhuǎn)矩為 5 N·m，超過(guò)臨界轉(zhuǎn)矩時(shí)減速箱就會(huì)出現(xiàn)明顯的溫升現(xiàn)象，系統(tǒng)的內(nèi)部運(yùn)行磨損加劇。因此需要深入分析負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大的原因，才能保證電動(dòng)輸漆系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

表1 減速箱溫升與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系Table 1 Relationship between temperature rise and torque of reduction gearbox

2 原因分析

在變頻系統(tǒng)U/F恒轉(zhuǎn)矩控制方式中，輸出電壓與頻率成正比，電壓偏置會(huì)增大低頻運(yùn)行時(shí)的磁通量，從而實(shí)現(xiàn)低頻運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩的提升[1]。由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流成正比，因此當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)就會(huì)發(fā)生電機(jī)堵轉(zhuǎn)。在電動(dòng)輸漆系統(tǒng)中，設(shè)備和材料是導(dǎo)致負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大的兩個(gè)主要原因。

2.1 設(shè)備方面

減速箱輸出端設(shè)備載體有兩部分——凸輪機(jī)構(gòu)和流體管路。凸輪機(jī)構(gòu)磨損或潤(rùn)滑不良會(huì)增大傳動(dòng)阻力，流體管路閥門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)不佳以及過(guò)濾裝置的清潔程度不高也會(huì)增大運(yùn)行阻力，這些阻力都會(huì)導(dǎo)致負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增大。值得注意的是，凸輪機(jī)構(gòu)的磨損不僅與潤(rùn)滑周期有關(guān)，還與運(yùn)行方向有關(guān)。對(duì)于本文而言，導(dǎo)致減速箱溫升的一個(gè)重要原因就是凸輪長(zhǎng)期反向運(yùn)行而出現(xiàn)磨損。在設(shè)計(jì)時(shí)，凸輪的上止點(diǎn)和下止點(diǎn)都有微量?jī)A斜，以保證順時(shí)針換向的平滑性，如圖2所示。電機(jī)相序的改變會(huì)導(dǎo)致凸輪長(zhǎng)期逆時(shí)針運(yùn)行，上止點(diǎn)和下止點(diǎn)傾角磨損，運(yùn)行阻力增大。因此，連接電機(jī)相序必須保證凸輪機(jī)構(gòu)沿順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)行[2]。

圖2 凸輪機(jī)構(gòu)Figure 2 Cam mechanism

2.2 材料方面

不同材料廠家的油漆黏度標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，黏度越高，流動(dòng)性越差，在系統(tǒng)中越容易導(dǎo)致負(fù)載阻力增大，而各種黏度的材料在系統(tǒng)中的運(yùn)行負(fù)載沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這是引起部分系統(tǒng)長(zhǎng)期重負(fù)荷運(yùn)行的主要原因。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，令負(fù)載轉(zhuǎn)矩偏大的材料均出自其中一個(gè)廠家，且負(fù)載轉(zhuǎn)矩與系統(tǒng)壓差成正比，見(jiàn)表2。由于現(xiàn)場(chǎng)的壓差沒(méi)有制定標(biāo)準(zhǔn)，高黏度材料的供漆壓力設(shè)置越高，系統(tǒng)的壓差就會(huì)越大，負(fù)載轉(zhuǎn)矩也就越高。對(duì)于本文而言，系統(tǒng)壓差大于0.55 MPa時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩會(huì)超出5 N·m的臨界值。因此，在滿足供漆壓力參數(shù)范圍之余，還應(yīng)滿足系統(tǒng)壓差范圍，才能保證設(shè)備長(zhǎng)期正常運(yùn)行。

表2 系統(tǒng)壓差與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系Table 2 Relationship between system differential pressure and load torque

3 優(yōu)化措施

針對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)改變運(yùn)行方向的問(wèn)題，在變頻器側(cè)和電機(jī)側(cè)接線端子處張貼相序連接說(shuō)明，防止維護(hù)時(shí)出現(xiàn)接線錯(cuò)誤。針對(duì)部分系統(tǒng)材料黏度大的問(wèn)題，需要調(diào)整系統(tǒng)供壓和背壓參數(shù)，保證系統(tǒng)壓差小于0.55 MPa。為了更加有效地保證電動(dòng)輸漆系統(tǒng)正常運(yùn)行，還需要從目視監(jiān)控和預(yù)警提示兩方面進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 目視監(jiān)控

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控需求，電動(dòng)輸漆系統(tǒng)主要有工藝和設(shè)備兩部分參數(shù)。現(xiàn)有目視化系統(tǒng)可以監(jiān)控供壓、背壓、流量等工藝參數(shù)，而能監(jiān)控的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)只有頻率，缺少電流、轉(zhuǎn)矩、報(bào)警代碼等相關(guān)重要參數(shù)，無(wú)法保證系統(tǒng)一直處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，增大了故障排查難度。利用G120變頻器通信采用的352報(bào)文規(guī)范，提取出輸出電流、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、報(bào)警代碼等信息，集中開(kāi)發(fā)在WinCC目視屏上，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控[3]。

3.2 預(yù)警提示

通過(guò)自主編程來(lái)計(jì)算系統(tǒng)頻率在運(yùn)行時(shí)的波動(dòng)量，并反饋在目視系統(tǒng)中，可提前預(yù)警輸漆密封的更換周期，避免影響噴涂質(zhì)量。通過(guò)增設(shè)系統(tǒng)超溫監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并連接目視報(bào)警彈框，可及時(shí)預(yù)警超溫故障點(diǎn)，提高故障處理效率。程序界面如圖3所示。

圖3 目視監(jiān)控與預(yù)警提示Figure 3 Visual monitoring and warning prompt

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)電動(dòng)輸漆系統(tǒng)問(wèn)題的深入分析與解決，不僅穩(wěn)定了工藝性能，而且在提高維護(hù)效率的同時(shí)，降低了設(shè)備潛在故障率。對(duì)比優(yōu)化前，電機(jī)超溫報(bào)警故障降為0次/a，節(jié)約變頻器備件成本達(dá)12 132元/a，節(jié)約減速箱潤(rùn)滑成本5 300元/a，節(jié)約故障導(dǎo)致的返修成本26 000元/a。