冷卻循環水技術在汽車焊接生產線的探討與應用

馮崢，陳斌，艾長盛（1.重慶長安鈴木汽車有限公司，重慶 401321；2.重慶漢斯精細化工有限公司，重慶 401147；3.沈陽中科機械電子工程有限公司，遼寧 沈陽 110164）

冷卻循環水技術在汽車焊接生產線的探討與應用

馮崢[1]，陳斌[2]，艾長盛[3]
（1.重慶長安鈴木汽車有限公司，重慶 401321；2.重慶漢斯精細化工有限公司，重慶 401147；3.沈陽中科機械電子工程有限公司，遼寧 沈陽 110164）

隨著我國經濟的發展，工業化程度越來越高，冷卻水循環系統應用日益廣泛。冷卻循環水系統在工業生產中發揮著重要作用，主要是用水作為冷卻介質，進行循環冷卻。本文對汽車工業循環水系統的做了探討與研究，根據自己多年的經驗對工業循環水系統的設計方面的問題進行了分析，希望能夠促進冷卻水循環水系統的發展。針對汽車廠焊接生產線點焊設備在焊接過程中產生點焊熱能而需即時冷卻的問題，提出一種效果可靠、成本經濟、實用性及可操作性強的焊接生產線系統設備冷卻用解決方案，該方案對冷卻循環水系統中的各個單元進行了分析和探討，此解決方案可廣泛應用到汽車廠各類焊接生產線中。

冷卻循環水系統；等流程；軟啟動；濃縮倍數；水處理

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.12.044

CLC NO.: U463.8Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2015)12-123-05

前言

隨著現代汽車行業的快速發展，各種先進的生產技術廣泛的應用汽車廠焊接生產線中，包含有夾具技術、點焊技術、企業標準管理技術、照相成像技術、激光技術、3D掃描技術、模擬技術、PLC自動化化技術、電阻焊波形監控技術、伺服控制技術、總線網絡技術、機器人系統技術等等。生產線建設與改造會涉及到各個技術領域：從焊接生產技術到點焊技術；從電力輸配電技術到焊機限容技術；從強電到弱電；從人工工頻點焊技術到機器人中頻逆變焊接技術；從車體成型到車體輸送技術；從涂膠技術到冷卻循環水技術；從水處理技術到液壓驅動技術；從網絡控制到PLC軟件系統工程等。焊接生產線的設備也及其廣泛，包含有：工頻點焊機、中頻點焊機、機械手、自動化輸送線、WBS線、扣合壓機等等。其中點焊機技術與設備做為車體焊接的基本方式被廣泛采用，從而針對汽車廠焊接生產線點焊設備在焊接過程中產生點焊熱能而需即時冷卻的問題，產生了冷卻循環水技術，這里提出一種效果可靠性、經濟性、實用性及可操作性強的焊接生產線系統設備冷卻用的全套解決方案，并進行了深入的研究與探討。此課題包含水泵系統設計方案的研究與探討、管路系統設計方案的研究與探討、冷卻塔系統設計方案的研究與探討、水處理系統設計方案的研究與探討。冷卻循環水系統圖參見圖1：

基本原理:冷卻水經水泵被送至生產線用水設備進行熱交換，之后流進冷卻塔進行冷交換，熱能量釋放于大氣中，最后流回密閉水池中并反復循環流動。

1、水泵系統設計方案的探討與研究

循環水泵是維系整個冷卻循環水系統正常運行的動力系統，它主要配置有水泵、止回閥、減震墊、相關閥門、電氣控制柜等，循環水泵在初選時工況應與實際相匹配，提高水泵運行效率，不浪費。一旦系列變化循環水泵壓力和流量都不在工作點上，往往不是在高效率區間工作。同時配置調速裝置，根據生產工藝的變化，調節循環水泵的轉速，使循環水泵送出壓力和流量滿足工藝要求，并使水泵在高效區間工作，盡量避免采取調節閘閥消耗能量，而引起水泵工作流量和壓力的波動。調速設備可采用變頻調速、液力稠合器調速和可控硅串級調速等。調速控制可依據循環水泵輸出管道上的流量計讀數為控制參數。應盡可能設計成在正常運行時，循環水工作泵由正常轉速和調速狀態下配合使用。另外還需設計備用泵以保證水泵系統安全可靠。

具體到汽車廠焊接車間用的循環水泵選擇時主要考慮兩個方面：一個是流量，一個是揚程。流量的依據來源于焊接工藝設備的配置數量總和，并在總和基礎上再擴大25%的比例進行核算。揚程的依據來源于兩方面：一方面是焊接工藝設備的正常工作耐水壓力指標，焊接設備的耐水壓力指標通常在0.7～1.0MPa，因此，設計焊接工藝設備入口處壓力值選擇0.5MPa，應該是可靠的。另一方面是為確保每臺焊接工藝設備的流量達到設計值（15L/min），務必考慮焊接工藝設備入口處與出口處的壓差值，以及管道的口經和距離形成的壓損，以確保每臺焊接工藝設備流量的達成，根據多年從事冷卻循環水系統的設計經驗統計出水泵揚程與設備流量的關聯關系，如下表1所示：

表1　

從上表1中可看出：序號3的設計方案達到了設計流量值，若焊接工藝設備的耐水壓力指標均超過1 MPa的能力，水泵揚程還可以適當提升10米為更好。

水泵的控制系統也是循環水系統中設計的要點，電動機啟動方式包括：全壓直接啟動、自耦減壓起動、Y-Δ起動、軟起動器、變頻器。其中軟啟動器和變頻器啟動為潮流。當然也不是一定要使用軟啟動器和變頻器啟動，應該從經濟和適用性選擇對本項目情況最適合的方式。

1）全壓直接起動：在電網容量和負載兩方面都允許全壓直接起動的情況下，可以考慮采用全壓直接起動。優點是操縱控制方便，維護簡單，而且比較經濟。主要用于小功率電動機的起動，從節約電能的角度考慮，大于11kw 的電動機不宜用此方法。

2）自耦減壓起動：利用自耦變壓器的多抽頭減壓，既能適應不同負載起動的需要，又能得到更大的起動轉矩，是一種經常被用來起動較大容量電動機的減壓起動方式。它的最大優點是起動轉矩較大，當其繞組抽頭在80%處時，起動轉矩可達直接起動時的64%。并且可以通過抽頭調節起動轉矩。至今仍被廣泛應用。

3）Y-Δ起動：對于正常運行的定子繞組為三角形接法的鼠籠式異步電動機來說，如果在起動時將定子繞組接成星形，待起動完畢后再接成三角形，就可以降低起動電流，減輕它對電網的沖擊。這樣的起動方式稱為星三角減壓起動，或簡稱為星三角起動（Y-Δ起動）。采用星三角起動時，起動電流只是原來按三角形接法直接起動時的 1/3。如果直接起動時的起動電流以 6～7Ie 計，則在星三角起動時，起動電流才2～2.3 倍。這就是說采用星三角起動時，起動轉矩也降為原來按三角形接法直接起動時的 1/3。適用于無載或者輕載起動的場合。并且同任何別的減壓起動器相比較，其結構最簡單，價格也最便宜。除此之外，星三角起動方式還有一個優點，即當負載較輕時，可以讓電動機在星形接法下運行。此時，額定轉矩與負載可以匹配，這樣能使電動機的效率有所提高，并因之節約了電力消耗。

4）軟起動器：這是利用了可控硅的移相調壓原理來實現電動機的調壓起動，主要用于電動機的起動控制，起動效果好但成本較高。因使用了可控硅元件，可控硅工作時諧波干擾較大，對電網有一定的影響。另外電網的波動也會影響可控硅元件的導通，特別是同一電網中有多臺可控硅設備時。因此可控硅元件的故障率較高，因為涉及到電力電子技術，因此對維護技術人員的要求也較高。

5）變頻器：變頻器是現代電動機控制領域技術含量最高，控制功能最全、控制效果最好的電機控制裝置，它通過改變電網的頻率來調節電動機的轉速和轉矩。因為涉及到電力電子技術，微機技術，因此成本高，對維護技術人員的要求也高，因此主要用在需要調速并且對速度控制要求高的領域。

在以上幾種起動控制方式中，星三角起動，自藕減壓起動因其成本低，維護相對軟起動和變頻控制容易，目前在實際運用中還占有很大的比重。但因其采用分立電氣元件組裝，控制線路接點較多，在其運行中，故障率相對還是比較高。從事過電氣維護的技術人員都知道，很多故障都是電氣元件的觸點和連線接點接觸不良引起的，在工況環境惡劣(如粉塵，潮濕)的地方，這類故障更多，但檢查起來確頗費時間。綜合上述論述基于軟起動具有無電流脈沖，且當起動水泵時，水錘較少，因此推薦使用軟啟動方式。

2、管道系統設計方案的探討與研究

多年以來，汽車廠焊接車間的冷卻循環水管道回路設計如下圖所示主要有兩種：即等流程管路（圖 3）和非等流程管路（圖4）。

管路的設計主要考慮兩個方面：一方面是管路的供水能力，另一方面是管路的壓損，管路越長壓損則越多。非等流程管路結構經長期使用，由于管道結垢、銹蝕、堵塞等原因，處于末端焊接設備會存在嚴重水流量不足的問題而引起焊接設備頻繁報警和停機，造成生產線停線等重大故障。因此，目前汽車廠焊接車間普遍采用等流程管路結構進行設計，從非等流程管路結構變更為等流程管路結構是冷卻循環水管路設計史上產生較大的飛越。此結構最大的優點在于向位置不同的焊接設備均提供了相同供水流程和水壓，每臺焊接設備的水流量是一致的，徹底解決了因管路設計不合理而造成焊接設備流量不均勻、末端焊接設備流量不足、管道易堵塞等棘手難題。關于管路供水能力的舉例如下：假設循環冷卻水供水管的公稱直徑為 DN50，循環冷卻水回水管的公稱直徑為DN65，DN50配管在壓損可忽略不計情況下的最大供水流量為 180L/min,1臺焊接設備水量需求為 15L/min,180/15=12臺，即DN50配管的最大負載能力為12臺焊接設備。下表2是個人經多年研究總結出的配管能力表，供大家參考：

表2　

依據上述研究結果，設計出了如下圖5所示的焊接生產線冷卻循環水系統（等流程管路結構），經實際檢測，單臺焊接設備均達到或超出設計水流值，達到了預期的效果。

循環水管路材料也是一項值得研究的工作，這其中要考慮管道防腐性、管道維護性及管道成本等方面。管道材料品種較多，主要包含有：普通焊接管、雙面鍍鋅管、雙面鍍鋅無縫鋼管、塑料管、內襯塑料鋼管、不銹鋼管等等。

3、冷卻塔設計方案的探討與研究

（1）焊接循環水處理的必要性

為保證焊接設備良好運轉，保證焊接質量，維護焊接系統的穩定，循環水起著關鍵作用，目前國內汽車或零部件制造廠焊接車間絕大多數都采用開路循環水系統直接對焊槍進行冷卻，循環水系統工藝示意圖如下：

在日常運行時，如不采用相關水處理措施，會出現管路腐蝕結垢、滋生粘泥青苔，阻礙傳熱，甚至堵塞槍頭，導致焊槍發燙，影響正常生產，所以有必要對水質進行管理。

（2）焊接循環水處理現狀

為了解決上述問題，目前采用的水處理措施如下：

1）人工定期清洗冷卻塔

由于冷卻塔是半封閉結構，運行時為負壓，空氣中的灰塵，泥沙、昆蟲等雜物容易進入塔內，時間一長，沉積在塔底，同時滋生青苔，如果長期不清洗排掉，會隨水進入管路。所以定期清洗冷卻塔可以有效地排出系統中的雜物。

2）補水用軟水

循環水在運行時不斷濃縮，水中的鈣、鎂離子濃度逐漸上升，硬度和堿度超標，最終造成管路結垢，如果補水采用軟水，可以有效的控制硬度上升速度，緩解結垢。

3）投加水處理藥劑

為了緩解系統腐蝕結垢和青苔滋生，可用化學的方法來控制，即向水中投加緩蝕阻垢劑、殺菌劑，為了保證藥劑投加的連續性，同時減少人工操作，可采用自動加藥裝置進行投加。

4）定期排污或安裝過濾裝置

循環水處理一般控制水的濃縮倍數在 3-5，濃縮倍數過高，水的電導率和硬度堿度都會大幅上升，引起結垢和腐蝕，所以在運行時，應定期排污，或者按照旁濾裝置，對循環水進行過濾處理，以保持系統管壁干凈。

5）水質監控

為了能準確監控系統水質，在日常運行時，應對水質進行管理，防止過高濃縮導致水質超標，指導排污，以充分發揮水處理藥劑的功效。

（3）焊接開路循環水存在的弊端

采用開路循環水系統對焊槍進行冷卻存在一些弊端，由于冷卻塔是半封閉結構，運行時為負壓，空氣中的灰塵，泥沙、昆蟲等雜物容易進入塔內，即便是按照上述要求進行綜合水質處理，還是不可避免雜物通過水系統進入焊槍，由于焊槍上的水路管道很細且彎曲較多，水流動時存在死角，水中的雜物易在這些死角沉積，造成焊槍末端水流量減少，換熱效率降低，導致焊槍發燙影響到正常生產，一般汽車制造廠的焊接車間焊槍數量眾多，逐個清理堵塞效率低下，不便操作，焊槍發燙后銅管內更容易結垢，而且不易清洗。

（4）焊接循環水系統工藝改進

鑒于上述開路循環水系統存在的問題，本人認為可以用閉路循環水去冷卻焊槍，有兩種改進方法。

第一種是在開路循環水系統的基礎上增加一臺換熱器、一個水箱和循環泵，讓焊槍循環水單獨形成一個閉路系統，閉路循環水在焊槍吸收的熱量通過一臺管式換熱器傳遞給開路循環水，最后通過冷卻塔降溫，改進后的水系統工藝示意圖如下：

工藝改進后的優點：可防止空氣中的灰塵、泥沙等雜物進入焊槍，確保焊槍設備可靠、穩定運行，減少故障。通過改進，閉路循環水走殼程，開路循環水走換熱器的管程，同時采用開路系統相關的水處理措施，灰塵和泥沙不易沉積在換熱器內，監控水質防止腐蝕結垢和青苔滋生。

工藝改進后的水處理措施：

(1)閉路系統：用軟水長時間運行都不存在結垢問題，系統運行時投加防腐劑、殺菌劑，控制腐蝕和細菌滋生，水處理操作簡單費用低。

(2)開路系統：參照上述目前采用的水處理措施即可。

另一種改進方法也是用閉路循環水直接冷卻焊槍，采用橫流密閉式冷卻塔，冷卻塔采用一層紫銅盤管一層填料的排布形式，增加外部噴淋水的換熱滯留時間，并保證能在盤管外側形成均勻水膜。進風為兩整面進風，進風面較大，風橫掠過換熱器的表面，通過帶走蒸發的熱濕空氣來給換熱器內流體降溫，改進后的水系統工藝示意圖8如下：

工藝改進后的優點：可防止空氣中的灰塵、泥沙等雜物進入焊槍，確保焊槍設備可靠、穩定運行，減少故障，水處理操作簡單費用低。

工藝改進后的水處理措施：

(1)閉路系統

用軟水，長時間運行都不存在結垢問題，系統運行時投加防腐劑、殺菌劑，控制腐蝕和細菌滋生。

(2)噴淋水系統

系統運行時水中投加殺菌劑，防止青苔滋生，定期清洗換熱盤管和填料上的灰塵泥沙，確保換熱效率。

4、水處理系統設計方案的探討與研究

水是人類賴以生存的資源，保護水資源是我們的目標。汽車廠焊接循環冷卻水相對于普通水而言是按照一定的濃縮倍數進行管理的。濃縮倍數是反映水中離子濃縮程度的指標，一般冷卻水系統濃縮倍數為4-6倍，由于焊接系統是特殊系統，為了防止離子濃度過高，影響焊接冷卻效果，一般控制在4倍，由于一廠系統當初管路材質不是很好，濃縮4倍后水質會很差，目前控制在3倍，濃縮倍數為水中某離子的濃度和補水離子濃度的比值，一般用電導率作為比值。如系統冷卻水電導為900us/cm ，補水電導為300us/cm。則濃度倍數為900/300=3倍。一般控制濃縮倍數越高，補充的水也就相對，排污也較少，系統各指標濃度越高。為了達到水處理較好的藥劑能夠承受的效果，所以，濃縮倍數不能是無限制的高，到了一定倍數，比如6倍，藥劑的防腐和阻垢效果都是受到影響，所以，一般不超過6倍。除非有一些特殊系統。焊接的電導率一般要求在1200us/cm以下，以避免過高瞬時電流，故一般控制最高濃縮倍數4倍。故焊接水的排污和補水也相對常規冷卻水系統的處理較多，補充的軟化水也會增加，再生所用的工業鹽消耗也會增加。

5、結論

冷卻循環水系統就如人體的心臟血液系統在焊接生產線發揮著決定性的作用，由于此系統屬于生產線基礎動力供給系統，因此要求對其系統內的水泵系統、管路系統、管路材質、冷卻塔系統、循環水水處理系統等方面都提出更高的要求。為了建設環保型、節能型、高效型、無故障型的汽車廠焊接生產線，我們汽車人一直沒有停止對冷卻循環水技術的研究、探討與實踐。

[1] 劉曼.工業循環冷卻水系統優化運行的研究[D];武漢大學:2005.

[2] 吳百龍.冷卻塔運行特性研究[D];華北電力大學(北京):2004.

[3] 聶俊毅.循環冷卻水系統設計過程中的幾點體會[J];科技情報開發與經濟;2009.14.

[4] 韓玲.冷卻塔設計參數與節水、節能的關系[J]:工業用水與廢水. 2008.02.

Discussion and Application of Cooling Circulation Cater Technology in Automobile Welding Production Line

Feng Zheng[1], Chen Bin[2], Ai Changsheng[3]
（1.Chongqing Changan Suzuki Automobile Co., Ltd., Chongqing 401321; 2. Chongqing Hans Fine Chemical Co., Ltd., Chongqing 401147; 3. Shenyang in Branch Mechanical Electronic Engineering Co., Ltd., Liaoning Shenyang 110164 )

Absrtact: Along with the development of economy in our country and the industrialization level increasing, the application of cooling circulation water system becomes widely. Cooling circulation water system plays an important part in the industrial production, mainly use water as the cooling medium to make circulating cooling. This essay makes a discussion and research on industrial cooling circulation water system and analyzes the design problem based on years of experience on industrial circulation water system, excepting to promote the development of the cooling water circulating water system. This essay draws out a solution on welding production line facility cooling, which is effective, low costing, practical and operable. The solution makes analysis and discussion of each unit of cooling circulation water system and can be widely used in welding production line in automobile factory.

cooling circulation water system; Process; soft boot; concentration multiple; water treatment

U463.8

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1671-7988（2015）12-123-05

馮崢，工程師，就職于重慶長安鈴木汽車有限公司。主要從事以下幾個方面的工作：焊接生產線工藝布局規劃與設計、焊接生產線動力能源設施的設計與制造、焊接生產線各類設備的引進與技改、焊接設備維護與保養等工作，這20多年里先后完成了多種車型生產線的開發、設計、建設、生產維護等工作。