控制空气温度以提高成品质量

作者：Michael R. Bonner,副总裁, Engineering & Technology, Saint Clair Systems, Inc., 华盛顿, MI

长期以来，人们认为空气温度对涂料喷涂的质量有很大的影响，主要由于它会对雾化涂料颗粒的粘度产生影响。基于这种观念，每年要花费数百万美元来控制喷漆室周围的环境。这个概念一直困扰着我们的一个问题是，涂布机所经历的季节变化程度。如果环境温度全年保持不变，为什么还需要分别进行夏季混合和冬季混合？由于季节变化的本质与温度有关，所以这里似乎还有其他因素在起作用。

追溯回顾

当介绍我们2018年发表的论文《枪或钟，该如何决定》时，最有争议的部分之一是热模拟方面，它表明，与人们普遍认为的相反，油漆液滴在喷涂到部件上时通常并未达到环境温度。表1所示的颗粒温度变化模型表明，即使油漆温度和环境温度之间的温差为13°F时，雾化器和部件上的油漆液滴温度变化也只会在0.25-2.5°F之间，具体取决于一系列不同的情况。这似乎解释了人们普遍认为的神话和我们观察到的事实之间的差距。

尽管如此，旧的想法仍然很难改变，我们遭遇了对这一新概念的大量抵制。幸运的是，在随后的一些工作中，我们得以用热相机拍摄了一个涂上透明涂层的钟形部件，正如他们所说，照片胜过千言万语（以及在这方面的计算）。如图1所示，该图清楚地显示，即使经过部件的颗粒，其温度仍在离开钟形物油漆（点1-点2）的3.0°F范围内。这提供了支持热模型的视觉证据，并再次证明，人是无法与物理学进行争辩的。

神话破灭

简单地消除这个神话并不能回答这样一个问题：“当我们有了一个严格控制的环境时，为什么仍然继续有基于温度的波动过程？“自从1990年我们提出基于温度的粘度控制应用点的概念以来，我们一直在寻找这个问题的答案。事实证明，答案并非只有一个。要理解它，我们必须首先理解喷漆工艺过程中所涉及的各种温度的层次结构。

温度等级

为了精确控制喷漆过程，必须对三种基本温度进行管理。它们是（按顺序）：

•基材，

•油漆，

•空气。

基材温度

人们常常承认基材温度的影响，却很少提及它。由于基质的不同，情况也比较复杂，部件可以由金属、塑料、复合材料、木材或任何成千上万的其他材料制成。但基材在我们的讨论中很重要的真正原因是因为它的质量，基材的质量通常比漆膜的质量大几个数量级。这意味着，一旦涂料接触到基材表面，它将很快假定为是基材的温度。我们可以在图1中看到，该部件比所涂的油漆更热。这意味着，一旦油漆接触到部件表面，其粘度将下降，直到加热的溶剂闪现，开始固化过程。因此，与室温相比，基材温度对涂料的影响更大。许多现代化的、先进的油漆车间将零件温度控制纳入其工艺中，如图2所示，这有什么奇怪的吗？

油漆温度

油漆温度直接影响闪干时间，较热的油漆比较冷的油漆闪干时间更快。此外，和大多数液体一样，温度也会反过来影响油漆的粘度。如图3所示，随着温度的升高，粘度下降。相反，随着温度下降，粘度增加。粘度的这种基于温度的变化会影响流挂、流动、桔皮和光泽等性能。在这种影响下，油漆温度对控制过程的重要性肯定大于环境空气温度。

空气温度

我们已经确定，喷漆室的环境温度对喷漆的影响并不像大多数人想象的那么大，但这并不意味着空气不会影响我们的工艺结果。事实上，空气会对我们油漆路径中的许多设备产生影响，特别是那些可以很容易地与空气传递能量的金属设备，从而破坏我们的工艺流程控制策略。

当我们在一个已经配备了油漆温度控制的再循环回路的自动钟形涂布系统中，对环境和油漆温度进行测量时，一个很好的例子出现了。测量设置如图4所示。有人会期望油漆的温度是稳定的，但是当我们检查五天内进行的测量时，如图5所示，发现结果绝对不是稳定的。

这里我们看到了13°F的温度变化。此外，喷漆室的环境温度在75-80°F范围内，相当稳定。虽然长期温度趋势很重要，但更重要的是温度变化对单个油漆周期的影响——这也是为何首先要控制温度的根本原因。放大这张图，如图6所示，我们可以看到钟形部件的温度是如何变化的。

通过这个案例，讲述了一个完全不同的故事。在这里，我们可以看到，油漆温度尽管远低于95°F HX出料温度，但在油漆状态时很稳定。但在每个循环之间的空闲时间和溶剂清洁期间，温度会下降。每一个温度下降都必须在下一个油漆周期内恢复，这便导致了每个周期的变化。通过这个图表，可以很容易得出一个结论，即所有这些都是由于平均76°F的环境温度造成的。

因此，空气温度确实会对油漆工艺产生影响，但主要是由于空气温度对热交换器出口和应用点之间油漆路径中的管道和设备的影响。如图7所示，这些设备包括调节器、流量计、颜色转换器和许多其他设备。

通常，这些设备位于喷漆室的墙壁处，在室内或室外。如果在室外，它们可能处于或可能不处于受控环境中。在大多数情况下，放置地点更多地受控于可用空间，或者是为了尽量减少油漆浪费，而不是出于温度的考虑。最近的一个趋势是将这些设备直接放在机器人手臂上，如图8所示。

将调节颜色变化的装置和其他组件安装在尽可能靠近应用点的位置听起来很合理，但事实往往如此，故事还会有更多内容。

当这些设备移动到机器臂上时，复杂性会增加。首先，所有的东西都必须安装和布置以适应机器人的运动。此外，必须考虑机器人的有效负载限度。这通常意味着颜色转换器的循环被消除，这将减少一半的喷漆线，但可能导致颜料的分离（沉降）、额外的净化和清洁等问题。此外，这些设备价格昂贵，必须加以保护，以便在需要时可供使用。防止设备和机器臂遭受到油漆喷涂污染的最常用方法，是用织物或塑料制成的柔性面罩，如图9所示。它们具有双重功能，不仅保护机器人和设备，还可防止罩内的空气、油、水、油漆、溶剂等影响油漆环境，从而对漆面效果产生负面影响。

隐藏的空气问题

这些面罩在机器臂周围营造了一个人工环境，但对我们精心控制的喷漆室环境未必有那么重要。机器臂的发动机和轴承产生的热量，以及流经手臂的管内的液体（包括油漆、溶剂等）都会影响这个封闭的环境，但有一个因素常被忽略，那就是释放压缩空气导致的冷却。

压缩空气被用来驱动钟形涡轮，并用于形成颗粒云并将其导向目标组件。这种冷却现象在气动装置中的影响早已被研究和理解，它会导致冷凝，在最坏的情况下，甚至会导致排气消声器结冰。结冰会使泵停止运行的现象有据可考。为什么会这样呢？

结合气体定律

由减压空气引起的制冷可以通过结合气体定律来解释，方程式如下：

P1 * P2 /T1 = P2 * V2/T2

公式中:

P = 压力

V = 体积

T = 温度

顾名思义，结合气体定律是波义尔定律（1662）、查尔斯定律（1787）、盖-吕萨克定律（1809）和阿伏伽德罗定律（1811）等气体定律的结合。在不深入研究数学的前提下，简单的解释为，如果压缩空气以80磅/平方英寸的压力供应，并且我们将其释放到大气中（约14.7磅/平方英寸），则温度必须下降来平衡方程式。此外，膨胀的气体会从表面周围吸收能量，使它们变得更冷。这些跟家里的空调降温和用冰箱冷冻啤酒都是一个原理。那么，这和我们油漆的温度有什么关系？

秘密冷却

当空气耗尽时，它被困在机器臂周围的面罩下。这会降低机器臂设备周围的环境温度，使其远低于周围喷漆室的环境温度。简而言之，我们在机器臂周围制造了一个冰箱。这在图10中有清楚的说明。

绿色线显示清漆进入喷漆室的温度，橙色线显示清漆进入钟状部件的温度，蓝色线是喷漆室的环境温度。早上7:15左右，我们看到透明清漆进入喷漆室并向80°F方向增加。透明清漆与钟状部件的进入温度，差距约为2.5°F。因为涂料是沿着机器臂向应用点移动的，我们通常将此归因于喷漆室环境对涂料产生的影响。

但是，在早上7点20分左右油漆不工作停下来休息的时候，一件有趣的事情发生了。正如我们预料的那样，油漆静止不动，喷漆壁上的清漆温度会下降，休息结束时几乎达到喷漆室周围的温度。然而，钟状入口处的透明清漆温度也继续下降，在休息结束时比喷漆室环境温度整整低了2°F。由于这种“过冷”显然不是喷漆室周围空气的结果，它必须有另外的来源——一个较冷的来源——这个来源可以在排放的气体中找到，即图中的棕色线。我们可以看到，这种空气在60-65°F之间徘徊，当消耗量处于最低水平时，在休息期几乎不超过65°F。

很容易看出这是如何被误解为是喷漆室环境的影响的。当管线在早上7:50左右被清洗用来重新喷漆时，清漆入口温度和钟状部件温度汇聚在一起，然后钟状部件温度在接下来两个小时的运行中位于清漆入口温度和喷漆室环境温度之间。但是，当我们考虑到透明清漆是通过聚四氟乙烯管来流动的，聚四氟乙烯管是塑料的，提供了一定程度的绝缘，并且在连续的油漆周期中也考虑了该管的停留时间，很明显，清漆入口温度和喷漆室环境温度之间的温差其实是不足以产生这种程度的温度下降的。

从工艺流程控制和成品质量重复性的角度来看，这种冷风的影响是不一致的。如图10所示，它根据不同时间（不同间隙）而变化，根据中断、停机等变化而变化，根据变化率而变化，变化率由涂料温度和冷空气温度之间的温差来决定。冷空气的温度随压力和流动率的变化而变化，而它又是随着被涂覆部件的不同而变化的。当我们看到从上午9:55开始，一直持续到上午10:30的午餐时间的数据时，可以很明显看见这些变化。

不幸的是，生产线操作员和工艺工程师几乎是看不见的这些变化的，因而也很难了解它们才是影响成品质量问题的根源。在本案例中尤其如此，喷漆室环境温度（可能是唯一被测量的温度）在短短三小时内浮动了约8°F。

问题的解决

综上所述，我们可以得知在对喷漆过程进行严格控制这方面，对排气和成型的空气温度的控制可能比对喷漆室环境温度的控制更为重要。然而，解决方案几乎与搞明白问题在哪里一样的复杂。它要求监测排气温度，然后使用闭环系统控制进入的压缩空气温度，该系统设计用于确保排气温度与油漆温度的设定点相匹配，且不受工厂环境、喷漆室环境及压缩空气温度的影响。这就需要一个精密的温度控制系统，且使得该系统具有战略位置的传感器和先进的控制算法。

该系统的一个好处是它还可以稳定漆膜成形空气的温度，将其维持在不可能产生冷凝的点，因此，“喷头”经常与这种制冷联系在一起，并且通常由其他热气系统来进行处理，这些热气系统会加热空气（或其他气体），从而产生干喷雾。

将这种系统添加到现代涂料温度控制解决方案中，可以显著提高漆面质量，从而获得更高的一次合格率和更可预测的工艺结果，且不受昼夜和季节环境温度变化的影响。这也可以大大降低运营成本，提高吞吐量，从而增强产品在市场上的竞争力。

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