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汽车行业创新的过滤技术
作者:Anthony Bennett    来源:Ringer
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压缩机/分离/过滤机械展厅
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本文集中讨论汽车行业中所用的一些创新的过滤和分离技术。文章重点讨论这些技术在发动机制造领域的应用,首先简要地回顾发动机工作的技术趋势,以及它们对过滤要求的影响,接着介绍发动机制造中用到的过滤和分离技术的进展,主要讨论油雾的清除、冷却液的磁过滤和发动机零件的清洗。在机动车辆生产中涉及的过滤和分离工艺 :一是为了制造车体部件而生产铸模的过程中需要过滤,二是需要从车体处理溶液、涂料和油漆中分离固体。最后,文章介绍了汽车组装和维护工艺中都用到的一种创新技术。

发动机制造

在内燃机行业,液体和空气过滤器目前都采用更高效率的材料,运用各种创新技术,例如Porvair Filtration公司生产的过滤器中引入了纳米材料。这种过滤器采用了P2i有限公司的专利纳米涂层技术。该技术采用一种在真空室内产生的脉冲电离气体(等离子),通过分子间粘合作用在过滤器产品的整个表面附着一层纳米级的聚合物薄膜层。

RTC咨询公司的业务发展顾问Richard Canepa报告称,关于滤壳的设计,现在的趋势是开发紧凑的过滤系统,例如Z形褶过滤器。Richard Canepa说:“更利于生态环保的滤壳也是一种设计趋势,它旨在将回收过程中所废弃的材料减至最少,例如滤油器的滤芯,其外壳已成为发动机的一部分。”

Richard Canepa补充说:“随着汽车从内燃机时代发展到电子化时代,需要将空气和气体过滤二者结合起来,特别是在使用燃料电池的情况下。还有许多关于新技术的研发工作也在进行中,例如HCCI(均质压燃)发动机,此外直接射油技术的应用也越来越多。因为采用废气再循环,所以愈发需要高温过滤系统,以便在直喷发动机上过滤再循环废气。”

下面集中阐述汽车发动机制造中用到的过滤工艺,而不考虑发动机运转涉及的过滤问题,所以现在我们集中介绍三种创新的技术,它们分别用于油雾的清除、冷却液的磁过滤和发动机零件的清洗。

发动机技术和制造技术的发展显然已经使机加工零件的公差变紧。这加大了其对过滤和分离技术的需求,以便从冷却液、润滑液和切削液中清除颗粒和碎片。通过采用有效的过滤,能够避免刀具使用寿命过短的问题,从而减少机加工零件的缺陷和重新加工。

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油雾的清除

对于许多汽车制造商而言,油雾过滤现在已成为越来越受关注的问题之一。由于机床高速运转,冷却液输送压力更高,传统的静电和离心油雾回收系统会使冷却液油雾随着其他污染物(如微小的碎屑和细菌等)一起逃逸到车间的大气中。这已经驱使有关人士着手进行健康和安全调研,旨在研究油雾和严重的呼吸系统疾病(如职业性哮喘和外源性过敏性肺泡炎)之间的潜在联系。

Vokes Air集团公司已经研发出一种清除油雾的新方法。该公司的ScandMist技术采用三级过滤工艺。前两级过滤消除空气中的油雾,最后一级过滤器可以清洁空气,使其能够回到当地的大气环境中。

一台高性能风扇将受污染的空气从各级过滤器中吹出。滤油器回收油雾或者冷却液,并排放到ScandMist设备底部(如图2所示)。受污染的空气穿过过滤介质,油雾粒子被吸附到疏油纤维上;油滴不断碰到纤维,不断变大。随着油滴变大,它逐渐变重滴下,被气流吹落到ScandMist设备底部,在那里,油雾可被回收或者直接排回机床油池。

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图2. 一家德国汽车制造商所使用的油雾清除系统
(图片致谢:Vokes Air Group)。

净化后的空气接着通过一台高效凝结器,在那里重复凝结过程。Vokes-Air集团公司称,经过二级过滤之后,空气中的油雾平均已被清除95%-98%。

设计第三级过滤是为了彻底清洁剩余的空气,使其达到远高于周围大气清洁度的标准。最后这一级过滤通过使用HEPA过滤器,捕集超细微粒(例如微量的油、烟雾、细菌、花粉和孢子),杜绝它们返回车间。这里所用的HEPA过滤器的工作效率达99.95%,过滤等级为0.3 微米。

这意味着在车间环境中,所有有害粒子都被有效收集,确保只有洁净的空气返回车间内。

许多汽车制造商已经在他们的生产设备上安装了油雾过滤系统。尽管这段时期经济低迷,Vokes-Air集团公司报告称它们仍然接到了大量的ScandMist系统订单。

冷却液的过滤

Eclipse Magnetics公司生产的Micromag磁滤器目前广泛应用于绞孔和镗孔工艺中,用以清除颗粒和碎屑,它不仅能减少加工成本,还能改善加工产品的质量、精度和表面质量。

本田公司在其位于英国Swindon工厂内的一台定制镗绞机上应用了Eclipse Magnetics公司的Micromag技术。这台机床由本田公司工程部设计并制造,用于生产发动机阀座——这是一个对产品精度和表面质量要求都相当高的发动机零件。

本田公司的工程师们发现,机床冷却液中携带的细小金属微粒会对加工出的阀座的表面质量造成不良影响,进而削弱发动机效率。

负责该工艺的现场工程师Peter Jones认为,磁过滤是可行的解决方案。Peter Jones 说:“自从在我们的工艺中引入了Micromag磁滤器,我们发现,它不仅有效地清除了潜在的有害金属微粒,而且该设备的易维护特性还确保我们的机床检修停工期减至最短。”

Micromag内的磁芯由钕铁硼磁铁构成,可以产生高强度磁场。冷却液进入外壳,沿着锥形流道均匀地分布到一个铝盖的四周。液流向下流经磁芯外部,磁性微粒在那里被高强度磁场吸附。

位于中心的磁芯利用了一个几何磁路。磁铁围绕着一个中心磁通量返回罩排列,以确保利用到全部磁性,即使当磁芯由于污染而完全饱和时,依然能使不受影响的冷却液继续流动。

零件的清洗

水洗或者化学清过程依赖于精细的过滤,以确保发动机零件上没有其他微粒。水溶液需要利用高纯度水来配置,反渗透膜(RO)技术可以达到所需的规范。

正电性反渗透预处理技术已经被广泛应用在高纯度水处理系统中,以延长渗透膜的使用寿命。实际上,所有反渗透膜制造商都对其系统的给水规定了一个最低标准,以保持系统完整性和投资的回报率。一般规定给水浊度应小于 1.0 NTU(比浊法浊度),污染密度指数(SDI)应小于3.0。

Argonide公司将它的NanoCeram 正电褶式滤芯与市场上现有的几种商用反渗透预滤器进行了对比试验。Argonide称,NanoCeram滤芯比这几种现有的商用滤芯在清除亚微粒方面优势更加明显。在极端负载下,NanoCeram产出的NTU值低于可检测的极限值,SDI值堪比超滤膜——假设容易提前污染的反渗透膜已得到长久的保护。

NanoCeram过滤器已经安装于丰田汽车制造工厂的一套反渗透系统中,该系统使用的是市政水源。在安装这些正电过滤器之前,系统给水的SDI平均值为4.42。在安装NanoCeram滤芯之后,SDI平均值为1.19。
在安装NanoCeram过滤器之前,由于反渗透膜的提前和不可逆的污染问题,丰田公司每1-2周就需要清洗反渗透膜,每2-3个月就需要更换这些膜。在安装了NanoCeram滤芯,经过2个月的初始启动期之后,这些反渗透膜已运行了一年,而且无需清洗。

车辆的生产

在这一节,我们集中讨论在车体零件的生产、清洗、表面处理和后续多层喷漆过程中所采用的一些创新技术。我们介绍了铸模生产中二氧化硫的清除、预处理磷酸盐溶液中固体的分离,以及磁滤器在喷漆车间的另一种创新应用,从而延长了现有的筒式和袋式过滤装置的使用寿命。

铸造

生产车身面板需要加工特殊的砂模。在砂模固化处理中,需要清除二氧化硫气体。Gotaverken Miljo公司向Volvo Powertrain公司位于瑞典Skovde地区的铸造车间交付了一套二氧化硫清洁系统(如图3所示)。待清洁的气流含有大量二氧化硫,浓度大约为70 g/Nm3。因为铸造工艺中使用的砂模需要用二氧化硫来固化,因此气体的处理需求日益增长。

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图3. Volvo Powertrain公司位于瑞典Skovde的铸造车间使用了一套二氧化硫清洁系统
(图片由Gotaverken Miljo公司提供)。

风机抽送系统可用来去除砂模中受污染的二氧化硫。在反应器内,鼓风机为气体增压,气体和石灰混合在一起发生反应,形成石膏。少量二氧化硫从砂模中扩散出去,进入周围的腔室。这些气体会被收集并通入一个洗涤器内,二氧化硫在这里转变成硫酸。在另外的处理过程中,这些硫酸会转变成石膏。

该工艺并不向水中排放硫酸盐,并且排放到空气中的二氧化硫的浓度非常低。石膏是形成的唯一残留产物,它可以回收用于水泥行业。

表面处理

汽车车体组装需要几个步骤,每一步工作都会产生废弃的颗粒,导致污染,影响接下来的喷漆工艺。将汽车面板和侧柱焊接到车架上会产生焊接金属飞溅物,同时精磨也会带来磨削微粒和碎渣。车间大气中的灰尘也可能沾染在面板上。因此必须在初次表面处理之前清除这些污染物,以便为喷漆工艺提供一个光滑的表面。

筒式和袋式过滤系统广泛应用在汽车制造工艺和许多处理工艺中,用于去除粗大及细小的颗粒。在汽车行业,它们主要用于表面处理和过滤喷漆车间里的各种油漆和涂料。

初次表面处理通常使用磷酸盐涂料。在后续的喷漆工艺中,要喷涂多种涂料(一般有5层)来达到最终的外观。在第一层磷酸盐涂料之前的金属表面污染会导致成品车辆在喷涂五层涂料之后出现明显的瑕疵。尽管业内已经建立有标准,允许每块车体面板上存有一定数量的瑕疵,但是如果瑕疵数量超过了可接受的极限值,则需要人工检查和手工抛光,这会导致汽车制造商的成本增大、效率下降。

磷酸盐涂层之前的预清洗

位于美国底特律的一家大型汽车制造商由于目前的袋滤系统处理能力不足,导致其汽车成品存在着令人不满的喷涂缺陷和明显的瑕疵。

尽管他们采用的袋滤方式曾经能有效地清除细小纤维(大约在150-400 祄的范围),但是它们不能清除导致瑕疵的其他大颗粒污染物,例如焊球和磨削碎粒。使用更精细等级的滤袋会带来维护和成本方面的问题,而使用较粗大等级的滤袋则会引起许多潜在的喷涂缺陷。显然,袋滤器在消除焊球和磨削碎粒方面不起作用。

该汽车制造商意识到,要在喷涂磷酸盐涂料之前的车体预清洗操作中去除所有的固体杂质。他们在袋滤器之前的洗涤水循环管路上安装了Lakos分离器作为预处理系统,有效地进行预滤,去除大颗粒,例如焊球、磨削细粒和碎渣。

使用分离器去除这些较重的固体颗粒,使得袋滤器能够承担由小微粒构成的更大负载,去除纤维和密封剂,延长袋滤器使用寿命,提高微米级滤袋的效率。因此,Lakos公司称,在一些汽车工厂,喷涂缺陷已经减少了多达85%。该汽车制造商现在已经在全世界范围内采用该项工艺。

油漆和涂料的过滤

Amazon FerroStik公司的磁性预滤器是对磁力的另一项创新的应用,其设计旨在延长油漆和涂料过滤应用中的袋滤器和筒式过滤器的使用寿命。通过在这些过滤器的上游应用磁性预过滤技术来保护它们,能够显著提高它们的性能,而且可清洁的FerroStik系统能够延长过滤器的使用寿命,提高滤出液的质量。

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图4. 用于处理油漆和涂料的磁性预过滤系统
(图片由Amazon Filters有限公司提供)。

Amazon公司的这一系统由一个标准的袋式滤壳和悬挂其中的四根高强度磁棒组成(如图4所示)。磁性过滤器可以清除大大小小的铁粒子,否则它们会堵塞最终的过滤器或者穿过它们残留在液体中。当磁铁表面沾满铁粒子之后,能够在线进行清理,接着继续工作。

Amazon FerroStik系统能够固定安装,或者连接软管作为便携式设备使用。磁性过滤系统可以在单通道模式下使用,或者用在循环系统中,以便最大程度地清除杂质微粒。Amazon公司指出该系统的主要优点包括,改善滤出液质量,增强对下游设备的保护,延长过滤器使用寿命,减少运营成本。

组装

当汽车的基本构造完成之后,无数的零件被安装到车辆上,在它们的制造、安装和操作中,用到了许多过滤和分离工艺。我们在此集中讨论一项创新技术,它应用气体分离技术,可用于生产车间和当地汽修厂。

用于轮胎充气的氮气

派克汉尼汾(Parker Hannifin)公司研发的TyreSaver系统专门用于为轮胎充氮气。该系统可以安装在生产线上或者较小规模的地方,供汽车维修人员用在轮胎装配和维修工艺中(如图5所示)。派克汉尼汾司称,与轮胎充气通常所用的普通压缩空气相比,干氮气从轮胎中的泄漏比前者慢3-4倍,这带来了多种好处,包括胎压长期稳定,阻力更小,磨损更少(25%),耗油率更低(8%),二氧化碳排放量更少,性能更优,安全性更高。

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图5. TyreSaver公司的氮气分离设备
(图片致谢:Parker Filtration和Separation B.V公司)

派克公司的系统采用基于中空纤维的气体分离膜技术。由数千根中空纤维组成的纤维束能够让氧气有选择地通过。膜组件由固定在管道两端的一束纤维束构成。进入膜组件的压缩空气具有正常的大气比例,主要由氧气和氮气构成,还含有少量其他气体,例如水蒸气、氦气和微量气体。除了氧气,水蒸气和氦气也会有选择地通过膜壁,主要留下氮气用来给轮胎充气。

结论

我们看到一些传统的过滤技术现在已经得到升级,用以提高现有的性能不佳设备的运转性能。这为汽车制造商们提供了节约成本的解决方案,他们可以安装包括分离器、磁滤器和正电反渗透预处理设备在内的各种先进的预处理装置。这不仅可以节约成本,还有利于环保,因为过滤元件的损耗减少了。

因为我们开始减少内燃机的使用,对清除发动机生产和工作中产生的废弃微粒的相关规定变得日趋严格,这使得在现有生产线上广泛应用预处理技术的需求变大。车辆电子系统的发展、电动机和燃料电池的使用、HCCI发动机的引入,以及废气循环技术,这些因素需要具有较高清除规范的优秀过滤产品。这很可能会推动纳米涂料技术的发展,并推动更加紧凑和完整的过滤解决方案的发展。
文章内容仅供参考 (投稿) (8/6/2010)
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