01节能减排在焊装车间的应用研究.docx
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01节能减排在焊装车间的应用研究
安徽机电职业技术学院
继续教育学院夜大（专科）
毕业论文说明书
节能环保设备在焊装车间的应用研究
学院（部）：
继教院
专业班级：
2014级机械
学生姓名：
羿忠
指导教师：
王老师
2016年6月9日
目录
1.前言2
2.中频直流焊机的应用研究2
2.1中频直流的焊接原理2
2.2中频直流电阻焊的发展起因3
2.3中频直流电阻焊焊机的节能优势3
3.烟尘净化的研究应用5
3.1烟尘净化的方式5
3.2烟尘净化设备的分类5
3.2.1滤袋式除尘器5
3.2.2滤筒式除尘器6
3.2.3静电式除尘器7
3.2.4几种类型除尘器综合比较8
3.3烟尘净化设备的分类8
3.3.1中央集中式8
3.3.2区域集中式9
3.3.3移动单机式10
4.摩擦线的应用研究10
5.总结11
参考文献12
节能环保设备在焊装车间的应用研究
作者：
羿忠
（奇瑞汽车有限公司规划设计院安徽芜湖）
摘要
汽车工厂焊装车间，主要工艺是悬挂点焊及CO2弧焊，白车身总成的批量生产的存储和输送采用机械化传送，本文即介绍奇瑞焊装车间生产线上这三方面采用的设备：
中频直流焊机，烟尘净化以及摩擦线，这些设备不仅提高了的产品的质量，而且也改善了生产线的环境，降低了能耗，提高了工人的劳动环境，发挥了节能减排的作用。
【关键词】：
中频直流焊机，烟尘净化，摩擦线，节能减排，
1.前言
当今社会，提倡以人为本，关注环境与健康，实现安全生产和社会经济协调发展，已经成为人类追求生活质量提升和社会稳定进步的新目标。
在汽车工业中，生产线的规划已经越来越注重节能减排，环保方面的设备应用和投入。
本文在以下三个方面介绍奇瑞焊装车间在节能环保设备方面的应用实践。
对于传统的点焊设备，主要是工频焊接，焊接控制电源是电阻焊机系统中的一个重要组成部分，随着现代化工业的高速发展，中频直流逆变电阻焊接电源作为一种新型的焊接电源，以其显著的高质低耗的特点成为电阻焊电源的发展方向。
焊装车间内，CO2气体保护焊机焊接周期长，焊接时产生大量的烟尘，而这种烟尘区别于其他一般粉尘，具有颗粒微小，且含有大量未及时冷凝的飞溅火花，统称为焊接烟雾，其中含有大量的有害的金属物质，严重污染了车间的工作环境并对工人的身心健康造成伤害，需对CO2气体保护焊焊接烟尘进行收集处理。
侧面摩擦传动输送线（以下简称摩擦线）是目前汽车行业较为先进的机械化输送设备，它以结构简单、运行稳定、维护方便、节约能源、安静和无油污等优点成为了新一代的输送产品。
目前广泛应用于车身厂焊装和涂装车间之间的白车身机械化输送及存储
2.中频直流焊机的应用研究
2.1中频直流的焊接原理
主电路经三相交流380V/50Hz电源输入后，通过整流模块（D1～D6）及滤波电容C的调节作用，得到500V左右的脉动直流电，再经由功率开关器件组成的逆变电路变成中频方波接入变压器，经变压器降压后整流成脉动较小的直流电供给电极对工件进行焊接。
整个回路的通断取决于逆变电路的PWM（脉冲宽度调制）驱动信号，回路电流大小可以通过调节PWM信号的占空比来实现，同样，通过调节PWM信号的输出时间就可以实现对焊接时间间接控制的目的。
下图为中频逆变
直流焊接原理图。
图1中频直流焊机工作原理
2.2中频直流电阻焊的发展起因
普通电阻焊长期困扰的问题：
焊接质量的不稳定；焊接过程中飞溅；焊接质量缺乏有效数据监控；电极的过度磨损；功率因素低，增设大量的电容补偿柜,来提高功率因素；过高的能源费用；交流焊接二次输出强大磁场对人体健康的影响。
中频直流焊机响应速度快，控制精度高，没有明显的峰值电流，熔核稳定，核心比交流大和宽，几乎没有飞溅，焊接质量稳定、热效率高，输出功率大。
解决了普通电阻焊无法满足的对高强度钢板、镀锌钢板、多层钢板的焊接需求。
2.3中频直流电阻焊焊机的节能优势
中频直流不仅在焊接质量上体现其优势，更体现在其节能效果上给企业带来的经济效益，主要表现在以下几点：
（1）一体化模块化设计，焊接控制系统的性能稳定、可靠性高,焊接故障率低。
降低了焊接成本，缩短了维护时间，提高了工作效率。
（2）从图2工频与中频直流波形对比图可看出，工频交流焊机电流有过零现象，热效率低，用晶闸管调节电流，当电流百分比偏小时，过零时间长，加热时间相对较长，能量消耗大；中频直流点焊机输出电流为脉动直流，加热集中，热效率高，焊接热输入稳定，焊接时间缩短，节能效果显著，而且使生产节拍缩短，产能提升，可为企业带来一定的经济效应。
图2电流波形
（3）工频交流焊机电源输入不平衡，功率因素低，对电网的冲击比较大。
中频直流点焊机由于其三相交流电源输入,用电平衡,对供电网络的冲击小，不对任何单独一相造成尖峰过载，功率因数高，几乎达到100%，无需增设电容补偿柜。
相比普通焊机，中频的变压器较小的功率便能达到所需要的焊接能量，因此，产品焊接的能源电力成本显著减小。
下表为目前使用的设备主要包括手工焊机和机器人焊机（以一体化为例，）的一个数据统计估算：
表1不同种类焊机的数据对比表
设备类型
中频直流一体化
交流一体化
单相交流分体式
电费/千瓦时
￥0.60
￥0.60
￥0.60
焊接次级电流（安培）
10000
10000
10000
焊接时间（周数）
12
12
12
功率因数
0.99
0.9
0.85
变压器变压比
74
50
16
初级电流
135.14
200
625
初级电压
380
380
380
KVA/焊点
50.84
68.4
201.875
千瓦时/焊点
0.003355
0.004104
0.011440
电费/焊点
￥0.002013
￥0.002462
￥0.006864
焊点数量/车
4000
4000
4000
车数量/天
400
400
400
工作天数/年
250
250
250
每年的电费
￥805,271
￥984,960
￥2,745,500
同样是一体化焊钳，逆变中频比工频交流节约20%左右的能量；而相对目前使用量最大的工频交流分体式设备，节能70%，经济效益十分可观。
（4）电极压力使用降低、大大提高电极寿命，电极的维护费用降低。
（5）焊接变压器仅为交流变压器1/3的质量和体积,轻便快捷,满足了机器人及一体化焊钳的应用。
（6）中频直流焊接变压器输出的是直流电压,没有电感的烦扰，一体化焊钳的节能效果还体现在无二次电缆的投资及电能和冷却水损耗、以及一次电缆截面积的大大减小，这都体现中频焊机的节能优势。
2.4中频直流焊机的研究现状
中频直流焊接技术在美国、德国、日本等工业发达国家的研究已很深入，并在汽车工业生产中得到了普遍的应用；我国中频直流焊接技术的研究还处在大专院校、科研单位、少数有技术实力的企业所进行的实验研究和少量试生产阶段。
一些重要的、技术要求较高的企业所需要的中频直流焊机，大多数依赖进口，或进口关键部件（逆变电源）再配套机架、机械部件、加压系统等组装，价格非常昂贵。
但随着研究的不断深入和应用效果的实际鉴证，中频直流焊机的节能优势会被企业发现和认可并得到广泛应用。
目前除了中频直流逆变焊接技术外，出现了一种新型的变频交流电阻焊焊接技术。
中频直流逆变电阻焊机中，因大电流整流二极管的存在，其消耗的电功率相当可观（每10KA的焊接电流至少10KW），在设备冷却出现问题时，极易损坏，由此造成了设备的可靠性降低、且维修成本较高。
另外中频直流电阻焊机中，因加热的电流为直流，存在焊接极性效应，对一些特殊材料不能适用。
能够克服上述缺点并充分兼顾交流、中频直流电阻焊优点的便是变频交流电阻焊技术。
目前该技术还在深入研究和试制应用阶段，效果还有待时间的验证。
3.烟尘净化的研究应用
3.1烟尘净化的方式
通常采用以下两种形式的除尘设备。
一种是传统的车间通风管形式，在厂房顶开天窗，安装通风机及通风管道，将焊接产生的烟尘等污染物直接排放到户外大气中。
另一种是采用专用的环保净化处理设备，将抽吸的污染物通过过滤、净化处理后，再排放到大气中。
车间通风管方式：
由于是敞开式，通过风机吸附，噪音较大；且由于是厂房开口，很容易产生渗水现象，检修也不便；直接对外排放，不符合大气污染综合排放标准要求。
烟尘净化设备方式：
主要是通过吸尘装置将烟尘抽吸后，再经过过滤器，将小颗粒烟尘过滤后排出清洁空气，可起到净化空气作用。
净化设备由吸气罩、滤芯、风机、集灰斗、消音器等组成。
该形式是目前在各行各业中大力推广的除尘设备。
3.2烟尘净化设备的分类
3.2.1滤袋式除尘器
滤袋式除尘器采用滤袋作为过滤元件，由除尘器出灰斗、进排风道、过滤室（中、下箱体）、清洁室、滤袋及框架（袋笼骨）、手动进风阀，气动蝶阀、脉冲清灰机构等组成。
其工作原理为：
⑴重力沉降作用——含尘气体进入布袋除尘器时，颗粒大、比重大的粉尘，在重力作用下沉降下来。
⑵筛滤作用——当粉尘的颗粒直径较滤料的纤维间的空隙或滤料上粉尘间的间隙大时，粉尘在气流通过时即被阻留下来。
⑶惯性力作用——气流通过滤料时，可绕纤维而过，而较大的粉尘颗粒在惯性力的作用下，仍按原方向运动，遂与滤料相撞而被捕获。
⑷热运动作用——质轻体小的粉尘（1微米以下），随气流运动，在受到作热运动（即布朗运动）的气体分子的碰撞之后，便改变原来的运动方向，使粉尘能够被捕获。
当滤料纤维直径越细，空隙率越小、其捕获率就越高，所以越有利于除尘。
优点:
⑴除尘效率高，可捕集0.3nm以上的粉尘，使含尘气体净化到15mg/m3甚至以下。
⑵附属设备少，投资省，技术要求没有电除尘器那样高。
⑶能捕集电除尘难以回收的粉尘；并且在一定程度上能收集硝化物、硫化物等化合物。
⑷对负荷变化适应性好，特别适宜捕集细微而干燥的粉尘，所收的干尘便于处理和回收利用。
⑸滤袋式除尘器收集含有爆炸危险或带有火花的含尘气体时安全性较高。
缺点:
⑴需要经常更换布袋，布袋消耗量较大。
⑵收集湿度高的含尘气体时，应采取保湿措施，以免因结露而造成“糊袋”，因此布袋除尘气对气体的湿度有一定的要求。
⑶阻力较大，一般压力损失为1000～1500Pa。
⑷对于高温气体，必须采用降温措施。
⑸接收粒径大的含尘气体时，布袋较易磨损。
滤袋式除尘器主要用于冶金、铸造、建材、矿山、化工等行业。
3.2.2滤筒式除尘器
滤筒式除尘器采用滤筒作为过滤元件，由进排风管、箱体、灰斗、清灰装置、导流装置、气流分流分布板、滤筒及电控装置组成。
其工作原理为：
风机产生的负压将含尘烟气经吸气臂和火花预处理器吸入净化室内，并通过滤筒，粉尘过滤在滤筒表面上，净化的空气经过滤筒中心由洁净空气箱出口排出。
当粉尘在滤筒表面不断沉积时，滤筒内外的压差也同时不断增大，当压差达到预设值时（800-1200Pa），控制电磁阀打开，压缩空气进入反吹清灰系统，高压气流在滤筒内向外反吹，将过滤在滤筒外表面的尘饼颗粒吹落到灰斗中。
滤筒是用滤料制成的多褶、筒状气体过滤元件。
随着科技的发展，滤筒材料不断更新。
美国唐纳森有限公司研制出ULTRA-WEB高效纳米复合纤维滤材，滤材表面复合一层聚四氟乙烯覆膜材料。
该滤筒对亚微米颗粒的粉尘具有优异的过滤效率，可达99.999％。
图3滤筒除尘原理
优点：
⑴除尘器在工作过程中同步清灰效果好，过滤一般干性粉尘，滤筒可长期使用不需要更换；
⑵净化效率高，对于亚微米级的粉尘有99.9%以上的净化效率；
⑶设备运行阻力低，有效节约了系统的能耗；
⑷烟尘入口设置挡尘板，有缓冲及耐磨作用，不使粉尘直接高速冲击滤筒，因而能延长滤筒的使用寿命；
缺点：
⑴滤筒会被污染物堵塞，降低使用效率。
⑵在用于捕集油雾较重的烟尘时，需要经常更换价格昂贵的滤芯。
⑶设备体积大，占用大量宝贵的空间。
⑷需要更换高价的非标准滤芯。
滤筒式除尘器适合用于汽车、造船、陶瓷、烟草、橡胶、塑料、金属焊接、机械及电子等相关行业。
3.2.3静电式除尘器
静电式除尘器是采用静电收集器作为主过滤元件，由除尘器本体和供电装置两部分组成。
除尘器本体包括放电电极、收尘电极、气流分布装置、清灰机构、绝缘装置和电机/离心风机等部分。
其工作原理是：
静电除尘器的工作原理是利用高压电场使烟气发生电离，气流中的粉尘荷电在电场作用下与气流分离。
正极由不同断面形状的金属导线制成，叫放电电极。
负极由不同几何形状的金属板制成，叫集尘电极。
主过滤芯的净化原理是通过高压导电丝导电和负极铝板收集器吸附的高压静电吸附原理。
烟尘中的大颗粒由预过滤膜分离截留，初步过滤后的烟尘先通过主过滤芯的高压导电丝导电带正极，导电后的烟尘进入主过滤芯的铝板收集器时被铝板的负极电磁场所吸附粘结在铝板表面，干净的空气经后置过滤膜进一步过滤后通过净化器两侧的排气口排出。
优点：
⑴除尘效率能捕集1um以下的细微粉尘，可控制一个合理的除尘效率。
⑵具有高效低阻的特点，电除尘器压力损失仅100～200Pa。
⑶处理烟气量大，可用于高温（可高达500℃）、高压和高湿的场合，能连续运转。
缺点：
⑴制造、安装和管理的技术水平要求较高。
⑵此外,对初始浓度大于30g/cm3的含尘气体需设置预处理装置.
⑶除尘效率受粉尘比电阻影响大，一般对比电阻小于104～105Ω·cm或大于1012～1015Ω·cm的粉尘,若不采取一定措施,除尘效率将受到影响.
滤筒式除尘器针对长期、重载工业空气处理设计，可清除钎焊、火焰切割、钻孔、磨削、攻丝等等多种加工中产生的烟气、雾气及粉尘。
3.2.4几种类型除尘器综合比较
对于金属焊接烟尘的净化，通常选用滤筒式除尘器。
由于汽车车身焊接板件表面油污较多，焊接过程中常常伴随着大量的油烟，油烟冷凝成雾状后被牢固吸附在滤筒外表面，通过压缩空气反吹不易清除，降低了除尘能力，减少滤筒的使用寿命
焊接烟尘中含有大量未及时冷凝的飞溅火花，少部分未熄灭的火花被吸入滤筒表面，虽然滤筒为阻燃材料，但由于滤筒表面大量油雾的存在，始终难以杜绝滤筒燃烧的安全隐患。
静电式除尘器使用电离子发生器，对烟雾和气雾颗粒荷电，用集尘组件捕集荷电的烟雾和气雾颗粒，由于没有滤筒，所以不存在油污堵塞的问题。
但其对烟尘颗粒的过滤效果稍逊于滤筒式除尘器。
3.3烟尘净化设备的分类
3.3.1中央集中式
中央集中式烟尘净化器通常为滤筒式除尘器，在工厂厂房内整体或局部规划大量CO2气体保护焊接工位（或其他弧焊工位），对车间的多个区域焊接工位产生烟尘通过分支风管与大范围捕集罩进行集中收集处理。
图4中央集中式除尘器主机图5中央集中式除尘器管网
中央烟尘净化系统通常采用PLC智能化控制系统，可根据使用工况的不同，针对性的对运行程序进行设定。
通过变频器，净化系统可根据实际的吸风量需求自动调节风机转速，降低运行能耗，减小滤筒磨损，延长其使用寿命。
3.3.2区域集中式
区域集中式烟尘净化器通常为滤筒式除尘器，是将同一区域附近（通常为6-12米范围），多台CO2气体保护焊机，多个焊点的焊接烟尘通过大范围捕集罩进行集中收集处理。
图6区域集中式除尘器主机图7区域集中式除尘器
管网
区域集中式烟尘净化器外形结构及工作原理与中央集中式相似，与其相比并具有以下优点：
⑴同一区域内的焊接烟尘由独立的净化系统控制处理。
避开了中央集中式的风管过长，风压损失大的缺陷。
⑵在通常情况下CO2焊机（或其他弧焊设备）在汽车车身焊接车间内分布较散，采用区域集中式更为灵活、经济、合理。
3.3.3移动单机式
移动单机式烟尘净化器，每台设备配有单根或两根吸气臂，吸气臂可360°旋转，通过拉动吸气罩上的手柄可灵活轻松的到达目的位置点及吸气角度，并在无外力作用下自行空中定位。
移动单机式烟尘净化器属轻便除尘器，该设备结构简单，操作方便，价格经济，适用于移动的焊接工位，尤其适合于维修补焊工位。
移动单机式烟尘净化器应用于生产线工位，存在如下缺点：
（1）由于受到吸气臂长度的限制，主机通常安装在焊接工位附近，占用工位空间。
（2）由于受到吸气罩口径的限制，烟尘收集范围小，长距离或多点焊接时必须随时移动吸气臂，影响焊接生产效率。
（3）由于吸气臂较短，吸气口距离主机较近，焊接飞溅火花更容易进入到滤芯表面，加大了滤筒燃烧事故的几率。
图8移动单机除尘器
4.摩擦线的应用研究
从2006年开始，摩擦线陆续在奇瑞新建的三厂和四厂以及后期的改扩建焊装机械化输送项目中采用。
具体输送原理图参见下图：
图9摩擦线驱动原理图
一套完整的摩擦输送设备是由若干个小驱动站组成，一个独立的驱动单元结构如图9所示。
摩擦轮由驱动电机带动旋转，摩擦轮与辅助轮通过弹簧将输送小车的横梁夹紧在中间，摩擦轮的侧面采用了特殊的材料—聚氨酯，该材料与输送小车横梁的侧面有很大的摩擦系数，当摩擦轮旋转的时候，输送小车就在侧面摩擦力的带动下向前移动。
摩擦输送设备根据一定的要求不均匀地分布了若干个驱动站，一个驱动站将输送小车传送到了下一个驱动站，按此不断地传递下去，从而达到了输送设备的目的。
摩擦线的每个驱动站电机的功率非常的小，一般在120W~180W，并且驱动站电机只有小车到来的时候才会旋转，当输送小车离开该驱动站时，驱动电机便停止旋转。
与传统的推杆链输送线采用一个大功率的驱动电机长时间带动链条运转相比，摩擦线起到了节约能源的效果。
另外，输送小车的运行动力来源就是依靠每个驱动站的驱动轮与输送小车的横梁摩擦推力，由于驱动摩擦轮和无动力的辅助轮全部采用聚氨酯材料，因此摩擦线在驱动小车运行过程中噪音很低，而且没有任何的油污。
每个驱动站的结构非常的简单，因而整个摩擦线的结构也非常简单，这样就起到了运行稳定、维护方便的效果。
当然，与传统的推杆链相比，该设备也存在一定的不足：
摩擦线这样的输送模式，有大量的电机线和信号线要从电柜引到各个分散且独立的驱动站，布线的工作量就增加，电气控制系统布线成本增高，系统相对故障点也有所增高。
5.总结
汽车工业发展的不断需求，使得焊装车间的设备也在不断的适应发展的需要，目前节能环保设备是发展的方向，各个汽车厂都在不断的应用和发展相关的技术，本文主要介绍了奇瑞在这方面的几个应用。
（1）中频直流逆变技术在汽车车身焊接的应用，作为一种高效节能的焊接设备，降低生产成本，在节能上的优势，尤其是中频直流一体化焊钳，给企业带来可观的综合经济效益。
虽然目前控制电路要求较高，价格昂贵，制约着中频直流焊机在国内汽车工业的普及推广，但中频直流焊机，相信不久的将来国内汽车厂商会渐渐接受和认可，并取代传统焊接设备得到大力推广。
（2）介绍了目前奇瑞使用的区域集中式滤筒除尘器，中央集中式滤筒除尘器，移动单机式静电除尘器。
（3）侧面摩擦传动输送线在目前的输送设备中具有明显的领先地位，特别是在当今处处提倡节能环保的大环境下，侧面摩擦输送线有着远大的应用空间和发展前景，也必将为机械化输送行业带来新的动力。
参考文献
[1]电阻焊焊接手册修订1.0 2009-10-03
[2JB-T10341-2002滤筒式除尘器中国机械工业联合会机械工业环保机械标准化技术委员会
[3]GB16297-96大气污染物综合排放标准
[4]张殿印，王纯除尘工程设计手册化学工业出版社
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