CN113019772B - 用于汽车油漆涂装快速换色系统的射流走珠及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于汽车油漆涂装快速换色系统的射流走珠及控制方法。包括实心磁性金属圆柱体、包覆于实心磁性金属圆柱体外围的空心橡胶圆柱体、与空心橡胶圆柱体上下端面相接的两个圆台型橡胶外体，且该两个圆台型橡胶外体相互对称设置，所述圆台型橡胶外体背离所述空心橡胶圆柱体上端面或下端面的一端面的直径大于与所述空心橡胶圆柱体上端面或下端面相接的一端面的直径；所述圆台型橡胶外体背离所述空心橡胶圆柱体上端面或下端面的一端面向圆台型橡胶外体内部开设有轴向孔，所述圆台型橡胶外体背离所述空心橡胶圆柱体上端面或下端面的一端面还开设有若干泄流孔。本发明能够保证射流走珠平稳运行，提高汽车油漆涂装快速换色系统工作效率及安全。

Description

用于汽车油漆涂装快速换色系统的射流走珠及控制方法

技术领域

本发明应用于汽车油漆涂装快速换色系统的射流走珠，具体涉及一种用于汽车油漆涂装快速换色系统的射流走珠及控制方法。

背景技术

汽车油漆涂装：指给汽车表面上一层漆达到保护汽车的效果。汽车油漆涂装一般用烘烤漆。在汽车制造厂，车架、车壳焊接完成，下一道工序就是喷漆。形式有普通漆、金属漆、珠光漆。汽车喷漆工序：刮腻子、打磨、喷漆等。

油漆快速换色系统：汽车涂装中不常用的个性化小颜色油漆的快速切换系统，一种颜色多样化定制、快速标准化生产的新模式系统。

随着汽车的大量普及，个性化颜色车身的需求愈来愈多，但每次生产量却非常小，为满足小批量颜色涂装的需求，新型走珠式快速换色系统应运而生。将石油、天然气管道清管工作所用的清管器应用于汽车油漆涂装快速换色系统中，即本发明所称“走珠”。该系统可以满足多种颜色的汽车生产，大量缩短了换色时间，最快能在1h内完成两种颜色的切换，包括回收先前管道油漆、清洗管道和填充更换的颜色油漆所有工序等。既节约回收了管道内大量剩余油漆，又节约了大量清洗溶剂，减少了环境污染。

但由于走珠及特制TPS管道的密封性，走珠运行依靠两端压差推动，走珠运动速度过快，必然在其前后两端形成较大的压差导致走珠结构变形，容易造成走珠前后窜漏，降低回收及清洗效率；与此同时，过快的运行速度将会对弯管、阀门器件造成较大冲击力与管道内壁产生剧烈摩擦，从而损坏走珠、管道及设备，缩短管道和走珠运行年限。在管道角度过大处，容易造成堵塞、卡珠等现象，给管道运行带来风险。因此，设计了一种带有泄流孔的射流走珠，可有效解决上述走珠式快速换色系统中存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于汽车油漆涂装快速换色系统的射流走珠及控制方法，能够保证射流走珠平稳运行，防止运行过程造成油漆的前后窜漏，减少走珠对弯管、阀门器件造成的冲击力与管道内壁产生的摩擦力，保证管道和走珠运行年限，提高系统工作效率及管道安全。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用于汽车油漆涂装快速换色系统的射流走珠，包括实心磁性金属圆柱体、包覆于实心磁性金属圆柱体外围的空心橡胶圆柱体、与空心橡胶圆柱体上下端面相接的两个圆台型橡胶外体，且该两个圆台型橡胶外体相互对称设置，所述圆台型橡胶外体背离所述空心橡胶圆柱体上端面或下端面的一端面的直径大于与所述空心橡胶圆柱体上端面或下端面相接的一端面的直径；所述圆台型橡胶外体背离所述空心橡胶圆柱体上端面或下端面的一端面向圆台型橡胶外体内部开设有轴向孔，所述圆台型橡胶外体背离所述空心橡胶圆柱体上端面或下端面的一端面还开设有若干泄流孔。

在本发明一实施例中，所述泄流孔沿所述圆台型橡胶外体背离所述空心橡胶圆柱体上端面或下端面的一端面的圆周均匀分布。

在本发明一实施例中，所述实心磁性金属圆柱体可采用永磁体替换。

在本发明一实施例中，所述空心橡胶圆柱体的材料可采用聚氨酯泡沫替代。

在本发明一实施例中，所述圆台型橡胶外体可采用蝶形、锥形、圆盘形替代，且两个圆台型橡胶外体形状可不同。

在本发明一实施例中，所述射流走珠可应用于清管球、聚氨酯泡沫清管器、皮碗清管器中。

在本发明一实施例中，每一圆台型橡胶外体的泄流孔为6个。

在本发明一实施例中，该射流走珠应用于汽车油漆涂装快速换色系统中，将所述射流走珠沿轴向置于密闭的TPS软主管中，当开始填充油漆时，操作人员将处理搅拌好的油漆加入油漆桶中，通过双隔膜泵将油漆从油漆桶中泵入过滤模块进行过滤，将过滤后的油漆送入TPS软主管，油漆推动射流走珠在密闭的TPS软主管中平稳运行，直至主管填充完毕，将油漆送往喷漆生产线上多个操作工位，再填充分配站支管，有喷涂需要的分配站工位支管填充完成后保持待喷涂状态

本发明还提供了一种基于上述所述的用于汽车油漆涂装快速换色系统的射流走珠的控制方法，

为使得走珠清理下来的蜡屑能被油流冲走而不会聚集形成蜡屑，需满足走珠泄流量大于蜡屑流量：

Q_Drain＞Q_wax

根据Bernoulli方程可知，通过下式可计算出走珠泄流孔的流量大小：

式中，Q_Drain为走珠泄流量；C_d为流量系数；ΔP为走珠两端压差；A_paint为旁通面积；ρ_paint为油漆密度；d为管道内径；ε为走珠的旁通率；

走珠剪切下的蜡屑流量计算公式如下：

Q_wax＝ν_pigA_waxη

式中，Q_wax为蜡屑的流量；ν_pig为走珠运行速度；A_wax为蜡层横截面积；η为走珠运行效率；t为蜡层厚度；

由上述公式联系可知，走珠运行速度需满足：

油漆流量可由走珠内部流量和走珠泄流量构成，如下式所示：

Q_paint＝Q_pig+Q_Drain

式中，Q_pig为走珠内部流量；

Q_pig＝ν_paintA_pipe

式中ν_paint为油漆速度；A_pipe为管道横截面积；

因此可得走珠运行速度为：

由上式可知，走珠运行速度与走珠两端压差及泄流孔面积之间存在上式的固定关系；因此通过控制走珠两端压差及泄流孔面积即可控制走珠运行速度；考虑到泄流孔面积容易控制，因此通过泄流孔面积来控制走珠运行速度。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、通过走珠将剩余油漆进行回收再利用；与此同时，应用走珠更利于对管道留存的金属粉末和色料进行清洁，仅需几个来回即可将管线清洁干净，节约大量清洗溶剂和清洗时间，减少废液处理负担；

2、通过选择不同泄流孔直径和过盈量的射流走珠有效控制调节走珠运行速度，降低管路压力波动，使走珠平稳运行，防止运行过程造成油漆的前后窜漏，减少走珠对弯管、阀门器件造成的冲击力与管道内壁产生的摩擦力，保证管道和走珠运行年限，提高系统工作效率及管道安全；

3、射流走珠还有清除管道附着油漆、流体介质隔离、水试压后排水、油漆平稳填充、剩余油漆回收、强清洁管道等优点。

附图说明

图1为本发明射流走珠结构示意图。

图2为本发明一实例的尺寸示意图。

图3为走珠受力分析示意图。

图4为射流走珠应用流程图。

图中：0-实心磁性金属圆柱体，1-空心橡胶圆柱体，2-圆台型橡胶外体，3-泄流孔，4-轴向孔。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

如图1、2所示，本发明一种用于汽车油漆涂装快速换色系统的射流走珠，包括实心磁性金属圆柱体0、包覆于实心磁性金属圆柱体外围的空心橡胶圆柱体1、与空心橡胶圆柱体上下端面相接的两个圆台型橡胶外体2，且该两个圆台型橡胶外体相互对称设置，所述圆台型橡胶外体背离所述空心橡胶圆柱体上端面或下端面的一端面的直径大于与所述空心橡胶圆柱体上端面或下端面相接的一端面的直径；所述圆台型橡胶外体背离所述空心橡胶圆柱体上端面或下端面的一端面向圆台型橡胶外体内部开设有轴向孔4，所述圆台型橡胶外体背离所述空心橡胶圆柱体上端面或下端面的一端面还开设有若干泄流孔3。

本发明射流走珠应用于汽车油漆涂装快速换色系统中，还可应用其他类型清管器，如清管球、聚氨酯泡沫清管器、皮碗清管器等。

本发明射流走珠内部中心不一定必须是永磁体或实心磁性金属圆柱体，满足能被磁感应传感器灵敏检测即可。

本发明射流走珠外体也可用聚氨酯泡沫等其他材料，两边外围部分可以为不同形状，可用蝶形、锥形、圆盘形、刮刀、钢丝刷皮碗等射流走珠。

本发明射流走珠的泄流孔个数及直径根据实际工程管道的直径及管道压力进行选择。

本发明射流走珠的工作原理：

射流走珠可以通过泄流孔的作用调节走珠运行速度，其产生的射流对珠前的内壁附着层具有一定的剪切冲刷作用。与此同时，油漆管道中易在走珠前形成蜡塞给系统运行带来安全隐患。射流走珠产生的射流可将走珠清下的蜡屑及时吹散，避免管道堵塞、卡珠的风险。然而，要想使得走珠清理下来的蜡屑能被油流冲走而不会聚集形成蜡屑，需满足走珠泄流量大于蜡屑流量，满足下式：

Q_Drain＞Q_wax

如果走珠泄流量不足以将蜡屑吹散，蜡屑依然会堆积成蜡塞最终造成管路的堵塞，故走珠泄流量的大小至关重要。根据Bernoulli方程可知，通过公式2.2可计算出走珠泄流孔的流量大小。

式中，Q_Drain为走珠泄流量，m³/s；C_d为流量系数；ΔP为走珠两端压差，Pa；A_paint为旁通面积，m²；ρ_paint为油漆密度，kg/m³；d为管道内径，m；ε为走珠的旁通率。

走珠剪切下的蜡屑流量计算公式如下：

Q_wax＝ν_pigA_waxη

式中，Q_wax为蜡屑的流量，m³/s；ν_pig为走珠运行速度，m/s；A_wax为蜡层横截面积，m²；η为走珠运行效率；t为蜡层厚度，m。

联立上述式子可知，走珠运行速度需满足：

由上式可知，走珠运行速度对于回收及清洗工艺具有重要的意义，速度过快会导致走珠追击前方蜡屑积物，造成堵塞、卡珠现象。油漆流量可以由走珠内部流量和走珠泄流量构成，如下式所示：

Q_paint＝Q_pig+Q_Drain

式中，Q_pig为走珠内部流量；

Q_pig＝ν_paintA_pipe

式中ν_paint为油漆速度；A_pipe为管道横截面积；

可得走珠运行速度为：

由上式可知，走珠运行速度与走珠两端压差及泄流孔面积之间存在上式的固定关系。增大走珠两端压差及泄流孔面积，可有效降低走珠运行速度。因此，欲降低走珠运行速度，可通过增大走珠的过盈量和旁通率等参数。

本发明射流走珠的受力分析

在实际铺设的管道中，由于喷漆间的空间限制，管道存在较大倾斜角处以及立管的情况，对走珠进行受力分析是较复杂的工作。为便于后期数值模型的建立，本文在满足客观实际的前提下，对走珠的受力分析进行了合适的简化。对主要的五个力的作用进行分析，分别是走珠自身的重力G、走珠前后压力P₁，P₂、走珠与管道内壁摩檫力F_f及管道内壁抗剪切力F_w。走珠受力分析图如图3所示。

由牛顿第二定律可知：

式中，A_pig为走珠受力截面面积，m²；α为管道与水平线的夹角；m为走珠自身质量，kg；v_pig为走珠运行速度，m/s；t为走珠运行时间，s。

1、走珠驱动力

在实际运行过程中，走珠受到的驱动力主要是走珠前后的压差，只有压差克服所有阻力足够大时，走珠才能正常运行。故走珠驱动力可表示为：

F_d＝(P₁-P₂)A_pig

ΔP＝P₁-P₂

走珠需稳定运行需要克服所受到的所有阻力，则可以得到另一种形式的两端压差公式：

ΔPA_pig-F_f-F_w-Gsinα＝0

由上式可看出两端压差大小与各种阻力有关。

2、走珠所受摩擦力

由于走珠与特制TPS管道密切接触，相互产生摩擦力，且主要是滑动摩擦力。走珠与管道内壁产生的压紧力主要来源于走珠两端边缘处产生的变形。产生的变形主要是因为其自身的重力作用和自身过盈量而产生的压紧力。走珠自身过盈量产生的压紧力是滑动摩擦力大小的主要来源，相对来说自身重力较轻，可忽略走珠自身重力产生的摩擦力。

对于有过盈量的走珠，在管道中运行时，走珠两端边缘处会因为压应力的作用迫使走珠边缘变形。假设管道为均匀圆形管道，故走珠应压应力产生的变形为均匀变形，根据材料力学的理论知识可知，走珠在外部压力作用下变形量为：

式中，σ为走珠与管道内壁的压应力，Pa；d为管道内径，m；t为走珠两端边缘厚度，m；E为走珠弹性模量，Pa；δ为走珠过盈量；λ为走珠的泊松比。

根据内在关系：

式中，N为走珠过盈量产生的压力；S为走珠与管道内壁的接触面积，m²。

分析可得摩擦力为下式所示：

F_f＝μ(mg+N)＝μ(mg+2πrwσ)

式中，μ为摩擦因数；w为走珠与管道内壁的接触宽度，m。

摩擦因数的大小取决于走珠材料以及管道内壁的粗糙程度，由于油漆的存在起到一定的润滑作用，降低摩擦力的大小。在实际运行过程中，管道内壁上并没有将油漆完全剪切下来，这样也会改变管道内壁的粗糙程度，对走珠所受到的摩擦力带来一定的影响。通过反复实验验证管道内摩擦因数推荐范围在0.1～0.5。

3、管壁抗剪切力

在走珠运行过程中，需要将附着在管道内壁上的蜡层剪切下来，必然会受到蜡层的抗剪切阻力的作用。抗剪切力可以看成在蜡层的横切面上施加的一个轴向应力，因此抗剪切力可表示为：

F_wax＝σ_waxA_wax

式中，σ_wax为蜡层的失效应力。

经反复实验验证，因管道内壁较光滑蜡层附着强度较弱，管壁抗剪切力对于走珠运行影响甚少，可忽略不计。

从大体观念来看，本发明中控制走珠速度为主动控制，指在不改变油漆管道流量和所施压力的前提下对走珠进行物理结构的改造，使其在运行过程中自行改变驱动压差，进而控制走珠的运行速度。下面对射流走珠的物理模型进行详细介绍。

本发明射流走珠的物理模型

由于在本发明中射流走珠内部需设计一个永磁体，使其满足在系统运行时被磁感应传感器灵敏检测，在内部中心处设计了一个长14mm，直径为12mm的实心磁性金属圆柱体。外体采用橡胶材料制作。如图1、2所示为射流走珠物理结构模型图，其中射流走珠两边外围直径为30mm，主体长度为50mm，均匀对称。

本发明实例在射流走珠侧面设置了6个泄流孔，孔直径为3mm，内圆直径为8mm。

本发明射流走珠在油漆快速换色系统中的应用流程图

如图4所示，当开始填充油漆时，操作人员将处理搅拌好的油漆加入油漆桶中，操作控制按钮进行填充。通过双隔膜泵将油漆从油漆桶中泵入过滤模块进行过滤，将过滤后的油漆送入射流走珠模块，油漆推动射流走珠在密闭的TPS软主管中平稳运行，最后射流走珠推送至射流走珠接收模块主管填充完毕，将油漆送往喷漆生产线上多个分配站即操作工位，再填充分配站支管。有喷涂需要的分配站工位支管填充完成后保持待喷涂状态。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于汽车油漆涂装快速换色系统的射流走珠，其特征在于，包括实心磁性金属圆柱体、包覆于实心磁性金属圆柱体外围的空心橡胶圆柱体、与空心橡胶圆柱体上下端面相接的两个圆台型橡胶外体，且该两个圆台型橡胶外体相互对称设置，所述圆台型橡胶外体背离所述空心橡胶圆柱体上端面或下端面的一端面的直径大于与所述空心橡胶圆柱体上端面或下端面相接的一端面的直径；所述圆台型橡胶外体背离所述空心橡胶圆柱体上端面或下端面的一端面向圆台型橡胶外体内部开设有轴向孔，所述圆台型橡胶外体背离所述空心橡胶圆柱体上端面或下端面的一端面还开设有若干泄流孔；

所述空心橡胶圆柱体的材料可采用聚氨酯泡沫替代；

所述圆台型橡胶外体可采用蝶形、锥形、圆盘形替代，且两个圆台型橡胶外体形状可不同；

所述泄流孔沿所述圆台型橡胶外体背离所述空心橡胶圆柱体上端面或下端面的一端面的圆周均匀分布；

该射流走珠应用于汽车油漆涂装快速换色系统中，将所述射流走珠沿轴向置于密闭的TPS软主管中，当开始填充油漆时，操作人员将处理搅拌好的油漆加入油漆桶中，通过双隔膜泵将油漆从油漆桶中泵入过滤模块进行过滤，将过滤后的油漆送入TPS软主管，油漆推动射流走珠在密闭的TPS软主管中平稳运行，直至主管填充完毕，将油漆送往喷漆生产线上多个操作工位，再填充分配站支管，有喷涂需要的分配站工位支管填充完成后保持待喷涂状态。

2.根据权利要求1所述的用于汽车油漆涂装快速换色系统的射流走珠，其特征在于，所述实心磁性金属圆柱体可采用永磁体替换。

3.根据权利要求1所述的用于汽车油漆涂装快速换色系统的射流走珠，其特征在于，所述射流走珠可应用于清管球、聚氨酯泡沫清管器、皮碗清管器中。

4.根据权利要求1所述的用于汽车油漆涂装快速换色系统的射流走珠，其特征在于，每一圆台型橡胶外体的泄流孔为6个。

5.一种基于权利要求1-4任一所述的用于汽车油漆涂装快速换色系统的射流走珠的控制方法，其特征在于，

为使得走珠清理下来的蜡屑能被油流冲走而不会聚集形成蜡屑，需满足走珠泄流量大于蜡屑流量：

Q_Drain＞Q_wax

根据Bernoulli方程可知，通过下式可计算出走珠泄流孔的流量大小：

式中，Q_Drain为走珠泄流量；C_d为流量系数；ΔP为走珠两端压差；A_paint为旁通面积；ρ_paint为油漆密度；d为管道内径；ε为走珠的旁通率；

走珠剪切下的蜡屑流量计算公式如下：

Q_wax＝ν_pigA_waxη

式中，Q_wax为蜡屑的流量；ν_pig为走珠运行速度；A_wax为蜡层横截面积；η为走珠运行效率；t为蜡层厚度；

由上述公式联系可知，走珠运行速度需满足：

油漆流量可由走珠内部流量和走珠泄流量构成，如下式所示：

Q_paint＝Q_pig+Q_Drain

式中，Q_pig为走珠内部流量；

Q_pig＝ν_paintA_pipe

式中ν_paint为油漆速度；A_pipe为管道横截面积；

因此可得走珠运行速度为：

由上式可知，走珠运行速度与走珠两端压差及泄流孔面积之间存在上式的固定关系；因此通过控制走珠两端压差及泄流孔面积即可控制走珠运行速度；考虑到泄流孔面积容易控制，因此通过泄流孔面积来控制走珠运行速度。

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