本文结合目前国内涂装车间油漆供应系统常用的两种不同结构形式的电动泵，从结构、性能、控制方式以及实际能耗等全方位进行了对比分析，同时阐述了在生产过程中电动泵与自动喷涂机器人如何适时连锁，以达到最大限度的节能环保目的。

对于涂装车间来说，生产规模达到一定程度后，流水线作业生产的车身喷涂要多个喷漆工位才能完成全部的喷涂工作，而油漆循环供应系统是保证质量和节省油漆的首选方案。其中供漆泵是供漆系统的核心，泵的选择要考虑流量、压力、化学兼容性和驱动形式等因素。近几年来，由于电动泵具有节能环保、操作维护简单等特点，已呈现全面替代传统气动泵和液压泵的局面。本文重点介绍了目前国内主流汽车厂所使用的横向柱塞与垂直柱塞两种电动泵的优缺点，及其在节能环保方面所具有的优势。

图1 垂直柱塞电动泵（左）与横向柱塞电动泵（右）结构形式

垂直柱塞与横向柱塞技术

1.驱动方式

涂装车间油漆输送泵按照驱动方式不同可分为气动泵、电动泵和液压泵，它们分别采用压缩空气、电动机及液压油作为动力；按照泵工作方式可分为柱塞泵、离心泵和转子泵等。电动泵技术则是从电动离心泵发展到单缸电动柱塞泵，直至目前最新的双缸电动柱塞泵，柱塞泵与离心泵相比具有自动调节压力、流量，更低的油漆剪切力，系统寿命长以及可靠性高等优势。截至2012年底，在全球已经安装的油漆循环系统中，气动、液压柱塞泵占据将近80％的比例，其余为电动泵，而本文介绍的电动柱塞泵所占的比例仅为3％，所以发展潜力非常巨大。面对更加苛刻的环保要求、精益化生产的需求、水性漆应用以及更低剪切力和更低能耗的需求，电动柱塞泵将得到广泛的应用。

（1）结构形式

垂直柱塞电动泵与横向柱塞电动泵结构形式的电动泵其基本原理是一样的，只是安装方式和传动结构的不同而已（见图1）。

垂直柱塞电动泵采用曲柄连杆机构传动实现旋转运动到直线运动的转换，但是对于定转速的电动机和曲柄结构必然造成由于相位角的不同而产生活塞杆线速度的变化，并由此转化为涂料压力和流量的非稳定输出。

图2  垂直柱塞电动泵缸体形式

横向柱塞电动泵采用主从动轮传动机构实现旋转运动到直线运动的转换，定速运动的电动机传递到凸轮机构的工作曲面上就转变为变速运动，通过工作曲面的变化来实现活塞直线运动的匀速性，从而解决涂料输出的不稳定性。但是整个凸轮的工作曲面变化是非连续的，存在突变点，从而导致系统压力存在突变。

相关实验说明，柱塞泵对涂料的剪切力相对转子泵和离心泵也是最小的，所以对涂料降级作用的影响也最小。

（2）缸体

垂直柱塞电动泵（见图2）采用4球泵结构，活塞上下运行左右两个缸体交替输出涂料，因此活塞缸体上下两侧是交替性的高压和低压腔。此种方式结构复杂、零部件多且密封件和故障点多，缸体容积相对较小，同时在相同的流量输出前提下，电动泵循环次数较少。

横向柱塞电动泵（见图3）采用2球泵结构，活塞左右运行，向左运行时左侧输出涂料，右侧吸入涂料，左侧为高压腔，右侧为低压腔；向右运行时，右腔涂料被自动吸入左腔。此种方式结构简单、紧凑且密封件和故障点少，在相同的流量输出前提下，电动泵循环次数较多。

图3  横向柱塞电动泵缸体形式

2.密封方式

垂直柱塞电动泵活塞与缸体采用活塞环随活塞一起运动进行密封，活塞杆与缸体采用喉封结构密封，均属于动密封结构，相对来说增加了泄露的可能性。其中喉封部分采用封闭式自循环油杯（见图4），配备弹簧式密封，可以减少因泄露问题产生的维护时间。

横向柱塞电动泵采用缸体上安装固定的密封圈来保证活塞与缸体间的密封，属于动密封结构，而且活塞杆与缸体密封部位始终处于缸体的低压侧，同时采用特氟隆波纹管结构，使活塞杆与缸体形成静密封结构形式，并且在最外侧还设置有可“失效运行”的备用密封圈，大大消除了油漆外漏的可能性（见图5）。但是风箱式结构设计，油漆会残存在风箱槽内，导致形成油漆颗粒，时间越长，颗粒越多，降低涂料品质。

3.压力脉动的解决方式

无论是凸轮方式还是曲柄连杆方式，由于结构方面的特性，凸轮运行至拐点或者连杆运行至极限点时，运行方向的变化就会引起压力方向的改变，这种改变在下一个运行周期又会连续出现，由此带来了压力的脉动。这种压力脉动降低了系统的稳定性，必须予以降低。

垂直柱塞电动泵从机械方面考虑采取一个电动机带动两个4球泵，双缸立式并置结构，实现错峰互补运行，在两个下缸体错位相角运动下，降低了压力脉动，使运行更平稳、减少输出压力和流量的脉动；从控制方面采用靠曲柄上的相位检测装置（接近开关）检测连杆位置，通过控制算法改变电动机的转速，来达到销峰填谷的目的，实现涂料总输出压力和流量的稳定，属于开环控制方式。控制电机的转速有两种方式，一种是CAM“电子凸轮”技术，采用与电动泵配套的专用变频器（VFD），VFD具有部分可编程逻辑控制器（PLC）的功能，能自动控制泵速与位置的匹配，最大程度地减少脉冲；另外一种是采用“ACS控制模块+用户自行搭配的VFD及PLC”，此方式不需要采用特定专用产品。实际应用中变频器的频率变化范围为7～8Hz，在压力输出为0.96MPa，有安装屏波器时，压力波动能控制在0.14MPa以内。

横向柱塞电动泵从机械方面考虑采取一个电动机带动两个2球泵，双缸横向并置结构，通过凸轮面的特定曲线结构实现双缸的交错运行，由于凸轮曲面存在非连续点，因此在换向时易产生较大的压力脉动，但在凸轮工作曲面运行时，压力和流量相当平稳（见图6）；另外从控制方面采用“压力检测+PLC+VFD”进行闭环反馈控制，对喷涂过程中产生的压力波动适时进行补偿。由于此种控制方式变频器没有特殊要求，控制模式简单，可根据油漆供应商要求进行系统运行模式的二次开发和编程。实际应用中变频器的频率变化范围为1～2Hz，在压力输出为0.96MPa，泵出口没有安装屏波器时，压力突变约为0.27MPa；安装有屏波器后，压力脉动约为0.09MPa。

4.能耗

水平柱塞电动泵和垂直柱塞电动泵的能耗曲线如图7和图8所示，可以看出垂直柱塞能耗较低。其原因为垂直柱塞电动泵采用曲柄连杆滚动连接，系统阻力相对较小，运行能耗相对较低；水平柱塞电动泵为凸轮滑动摩擦，摩擦力较大，运行能耗相对较高，相同工况运行状态下能耗对比如表所示。

综上所述，垂直柱塞电动泵具有更低的油漆剪切作用，下缸体耐压性能较好，在相同的流量下，可以达到其他电动泵2倍左右的出口压力；电动机转速更低，磨损更慢；湿杯喉封设计可以预警维修，快速在线维修，不会发生灾难性故障。但其也存在曲柄在上下点与连杆的“硬咬合”，更易磨损，易损件部位多，全面维护较难等缺点。

水平柱塞电动泵具有恒速凸轮机构提供恒定的线速度，使流量和压力的输出稳定，结构设计无“硬连接点”，无需专用软件或控制装置，用户可用常规的变频器来运行；采用专业制造商的标准产品，具有成本低、易维护、没有喉部密封结构、活塞结构简单、可靠寿命长以及故障率低等优点。但是其也存在密封在缸体内部，油漆泄漏无法快速响应，风箱式结构设计，油漆残存在风箱槽内将导致形成油漆颗粒，降低喷车品质，凸轮滑动摩擦，摩擦力较大等缺点。

与机器人系统的连锁

涂装车间涂料输送系统是由多套颜色组成的，部分用户的统计结果显示，对于一个由20个颜色系统组成的喷涂生产线，生产期间能够同时被使用的颜色数量为3.5个，平均利用率为17.5％（见图9）。电动泵油漆输送系统除了能够减少脉动之外最显著的特点就是能够与生产线上的工件的颜色信息进行连锁以节约能源。垂直柱塞泵的专用变频器或者ACS模块都可以通过PLC编程控制系统的工作状态以实现工作和休眠模式的切换。水平柱塞电动泵则配有专门的“智能卡”，通过PLC信号传递，在智能模式下颜色未被使用的循环系统，流体压力会自动卸载，泵在更低的压力下运行，进入休眠模式，在系统将要使用前自动进入工作模式。

结语

相比其他形式的涂料输送泵，柱塞式电动泵具有系统压力脉动小，对油漆的降解作用小，工作模式种类多，节约能源等优点。虽然推出较晚，但是从2011年开始，仅3、4年的时间柱塞式电动泵就占据了绝大部分的国内新增市场份额，预示着未来涂料输送泵的发展方向。