СИСТЕМА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
HIGH PRESSURE FLUID MEDIUM SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к системе текучей среды высокого давления. В частности, изобретение относится к системе для доставки густого материала высокой вязкости, такого как мастика.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Мастики все чаще используются в качестве герметиков на производственных объектах при изготовлении изделий, в частности в автомобильной промышленности. Типично мастика будет наноситься на изделие (например, части транспортных средств), когда изделие проходит через различные этапы в производственном процессе, например на различных станциях в производственной линии. Когда требуется нанесение мастики, оператор может просто протянуть руку за пистолетом для нанесения мастики, который соединен с отводом от контура мастики, который снабжается мастикой под высоким давлением. Высокое давление обеспечивается с помощью насоса. Используемые насосы представляют собой гидравлические или пневматические объемные насосы.
Однако, так как мастики являются очень густыми и вязкими, мощность и давление, доступные в обычных насосах, ведут к тому, что контуры должны быть короткими, так что насосы для мастики и резервуары для перекачиваемой мастики до сих пор должны располагаться вблизи станций, на которых располагаются отводы. Другая проблема заключается в том, что текучие среды имеют тенденцию к загустеванию, и могут даже затвердевать, если слишком долгое время остаются неподвижными, например, ночью или в выходные, когда оборудование не используется. В больших производственных линиях эти проблемы означают, что большое количество контуров перекачивания мастики должны быть установлены вблизи точек, где используется мастика, с соответствующим большим количеством насосов и емкостей (резервуаров) для хранения.
Подобные проблемы могут возникать и с другими текучими средами высокой вязкости, такими как эпоксидные материалы или другие типы адгезивов.
Поэтому настоящее изобретение направлено на создание улучшенной системы доставки текучей среды высокого давления, которая преодолевает или облегчает приведенные выше проблемы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предлагается система для доставки текучей среды высокой вязкости. Система содержит насос с переменной скоростью. Контур, через который перекачивается текучая среда, содержит петлю, имеющую множество отводов текучей среды от контура. Контроллер управляет работой и скоростью насоса (i) таким образом, что насос перекачивает текучую среду в контуре в режиме высокого давления, в котором текучая среда течет от насоса к отводам текучей среды через оба конца петли. В режиме высокого давления контроллер управляет скоростью насоса, чтобы поддерживать давление текучей среды в контуре. Контроллер также управляет работой и скоростью насоса (ii) таким образом, что насос перекачивает текучую среду по контуру в режиме низкого давления во время периодов, когда ни один из отводов текучей среды не используется.
Работа системы в режиме высокого давления имеет преимущество в том, что текучая среда высокого давления доступна на всех отводах для использования на производственном участке. Работа системы в режиме низкого давления имеет преимущество в том, что сохраняется движение текучей среды по системе, например, во время периодов, когда оборудование на производственном участке простаивает.
В варианте воплощения в соответствии с первым аспектом, в режиме низкого давления текучая среда течет от насоса через первый конец петли и выходит через второй конец петли.
В варианте воплощения в соответствии с первым аспектом, система установлена на производственном объекте, при этом отводы текучей среды располагаются в местах, расположенных на производственном участке по изготовлению изделия.
В варианте воплощения в соответствии с первым аспектом, насос с переменной скоростью располагается на станции повышения давления, и насос имеет впуск для приема текучей среды от насосной станции среднего давления.
В варианте воплощения в соответствии с первым аспектом, насосная станция среднего давления содержит поршневую установку. Поршневая установка обеспечивает, что текучая среда принуждается входить во впуски насосов, так что насосы правильно заполняются.
В варианте воплощения в соответствии с первым аспектом, система дополнительно содержит датчик давления на выпуске для обнаружения давления текучей среды на выпуске насоса. Датчик давления на выпуске обеспечивает сигнал, представляющий обнаруженное давление контроллеру, и контроллер управляет скоростью насоса на основании обнаруженного давления текучей среды на выпуске.
В варианте воплощения в соответствии с первым аспектом, система дополнительно содержит реле давления, реагирующее на давление текучей среды на выпуске насоса, для подтверждения того, что работа насоса обеспечивает давление текучей среды ниже максимального рабочего давления насоса.
В варианте воплощения в соответствии с первым аспектом, насос с переменной скоростью представляет собой объемный насос с приводом от электродвигателя переменного тока.
В варианте воплощения в соответствии с первым аспектом, привод электродвигателя переменного тока осуществляется с помощью инвертора. Предпочтительно, инвертор имеет векторное управление приводом, которое может представлять собой векторное управление приводом с обратной связью.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предлагается способ эксплуатации системы доставки текучей среды высокой вязкости. Система содержит контур, через который перекачивается текучая среда, насос с переменной скоростью и множество отводов текучей среды от контура. Способ включает в себя первый этап (i) управления работой и скоростью насоса таким образом, что насос перекачивает текучую среду в контуре в режиме высокого давления, чтобы обеспечить текучую среду под давлением для отводов. В режиме высокого давления скоростью насоса управляют таким образом, чтобы поддерживать давление текучей среды в контуре. Способ включает в себя второй этап (ii) управления работой и скоростью насоса таким образом, что насос перекачивает текучую среду по контуру в режиме низкого давления во время периодов, когда ни один из отводов текучей среды не используется.
В варианте воплощения в соответствии со вторым аспектом, отводы текучей среды представляют собой отводы от петли в контуре, и в режиме высокого давления текучая среда перекачивается в петлю через оба конца петли.
В варианте воплощения в соответствии со вторым аспектом, в режиме низкого давления текучая среда перекачивается через первый конец петли и выходит через второй конец петли.
В варианте воплощения в соответствии со вторым аспектом, система содержит датчик давления, осуществляющий мониторинг давления текучей среды на выпуске насоса. Способ дополнительно включает в себя, в режиме высокого давления, этап обнаружения с помощью датчика давления падения давления текучей среды на выпуске насоса ниже предварительно заданного давления текучей среды. Способ дополнительно включает в себя, в режиме высокого давления, запуск насоса или увеличение скорости насоса и восстановление давления текучей среды на выпуске насоса до предварительно заданного значения.
В варианте воплощения в соответствии со вторым аспектом, способ дополнительно включает в себя этап обнаружения, используя датчик давления, что текучая среда на выпуске насоса восстановилась до предварительно заданного значения. Способ дополнительно включает в себя этапы уменьшения скорости насоса до нуля, и, когда насос имеет нулевую скорость, использования насоса, чтобы поддерживать воздействие на текучую среду в течение предварительно заданного периода времени.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предлагается система для доставки текучей среды высокой вязкости. Система содержит насосную станцию среднего давления, станцию повышения давления, содержащую насос с переменной скоростью, имеющий впуск, принимающий текучую среду от насосной станции среднего давления, контур, через который перекачивается текучая среда, множество отводов текучей среды от контура, и контроллер. Контроллер управляет работой и скоростью насоса, (i) чтобы перекачивать текучую среду в контуре в режиме высокого давления, чтобы обеспечить текучую среду под давлением для отводов, при этом контроллер управляет скоростью насоса, чтобы поддерживать давление текучей среды в контуре, и (ii) чтобы перекачивать текучую среду по контуру в режиме низкого давления во время периодов, когда ни один из отводов текучей среды не используется.
Насосная станция среднего давления может содержать поршневую установку.
Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения предлагается способ эксплуатации системы доставки текучей среды высокой вязкости. Система содержит насосную станцию среднего давления, станцию повышения давления, содержащую насос с переменной скоростью, имеющий впуск, контур, через который перекачивается текучая среда, и множество отводов текучей среды от контура. Способ включает в себя (i) перекачивание текучей среды от насосной станции среднего давления к станции повышения давления, (ii) управление работой и скоростью насоса с переменной скоростью, чтобы перекачивать текучую среду в контуре в режиме высокого давления, чтобы обеспечить текучую среду под давлением для отводов, и управлять скоростью насоса с переменной скоростью, чтобы поддерживать давление текучей среды в контуре, и (iii) управление работой и скоростью насоса с переменной скоростью, чтобы перекачивать текучую среду по контуру в режиме низкого давления во время периодов, когда ни один из отводов текучей среды не используется.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - схема размещения системы доставки текучей среды высокого давления на производственном объекте в соответствии с аспектами изобретения.
Фиг. 2а - схема на фиг. 1, на которой выделен путь потока для режима работы высокого давления.
Фиг. 2b - схема на фиг. 1, на которой выделен путь потока для режима работы низкого давления (режима рециркуляции).
Фиг. 3 - схематическое изображение, иллюстрирующее более подробно станцию повышения давления системы на фиг. 1, включающую в себя насос высокого давления и соответствующие средства управления.
Фиг. 4 - изображение, иллюстрирующее объемный насос высокого давления.
На фиг. 1 показана схема примерного варианта воплощения системы высокого давления, пригодной для доставки текучей среды, такой как мастика. Система включает в себя контур 20, по которому циркулирует текучая среда. Множество насосов 24, 26 используются для перекачивания текучей среды. Как показано на чертеже, насосы располагаются таким образом, что образуют две насосные ступени. Первая насосная ступень включает в себя рабочую насосную станцию 23 среднего давления, включающую в себя два насоса 24а, 24b среднего давления.
Как показано на фиг. 1, насосная станция 23 среднего давления выполнена в виде поршневой установки, в которой установлена емкость 22 (обычно цилиндрическая), содержащая текучую среду в виде мастики. Насосы 24а, 24b установлены в фиксированном положении, которое вначале находится на верху полной емкости 22. Когда текучая среда перекачивается, силовые цилиндры 27 прилагают давление к текучей среде внутри емкости 22 таким образом, что текучая среда принуждается входить во впуски насосов 24а, 24b, тем самым обеспечивая правильное заполнение насосов. Типично пара таких насосных станций 23 среднего давления будут работать в тандеме, при этом в любой момент времени одна станция осуществляет перекачивание и другая находится в резерве. Обычно рабочая насосная станция 23 среднего давления будет работать до тех пор, пока поршневая установка не достигнет вершины ее хода, и емкость 22 не будет почти пуста. В это время резервная насосная станция среднего давления будет забирать работу на себя, пока емкость 22 в (ранее) работавшей станции 23 пополняется или заменяется на полную емкость.
Вторая насосная ступень действует как станция 25 повышения давления, которая включает в себя насос 26 высокого давления, пример которого будет описан более подробно ниже. Вторая насосная ступень имеет выпуск 29, через который текучая среда перекачивается в контур 20 и/или по контуру 20.
Контур 20 также включает в себя петлю 30, которая типично проходит вокруг производственного участка 31 и имеет отводы 32, каждый из которых ведет к линии 34, с которой оператор или управляемая машина, такая как робот, может работать с устройством для нанесения (не показано), таким как пистолет для нанесения мастики, чтобы наносить на производственном участке 31 текучую среду, когда это требуется, на части изделия. Контур 20 включает в себя возвратную линию 40, обратно от петли 30 в насосную станцию 23 среднего давления. Соединительный клапан 36 обеспечен в короткой соединительной линии между началом петли 30 (в точке после выпуска 29 насоса 26) и концом петли перед возвратной линией 40. Запорный клапан 38 в возвратной линии 40 может быть закрыт для предотвращения потока между петлей 30 и возвратной линией 40.
Система выполнена с возможностью работать или в режиме высокого давления или в режиме низкого давления (режиме рециркуляции). В режиме высокого давления соединительный клапан 36 открыт и запорный клапан 38 закрыт. На фиг. 2а показана схема на фиг. 1, на которой выделен путь потока для режима работы высокого давления. В этом режиме насосы перекачивают текучую среду в петлю 30 с обоих концов. Это обеспечивает, что текучая среда высокого давления будет доступна во всех отводах 32 для использования на производственном участке 31.
В режиме низкого давления (режиме рециркуляции) соединительный клапан 36 закрыт и запорный клапан 38 открыт. В этом режиме насосы перекачивают текучую среду под низким давлением вдоль петли 30 и обратно через открытый запорный клапан 38 и возвратную линию 40 в насосные станции 23 среднего давления. На фиг. 2b показана схема на фиг. 1, на которой выделен путь потока для режима работы низкого давления (режима рециркуляции). Это обеспечивает сохранение движения текучей среды по системе, например, во время периодов, когда оборудование на производственном участке 31 простаивает.
В альтернативной конфигурации, в режиме высокого давления текучая среда перекачивается в петлю и вдоль петли в одном направлении, т.е. только с одного конца. В этом случае запорный клапан 38 остается закрытым и соединительный клапан 36 также закрыт (или может быть полностью исключен).
Работой системы управляет контроллер 28. Контроллер 28 управляет скоростью насоса 26, чтобы перекачивать текучую среду/мастику по контуру 20 в режиме высокого давления во время периодов, когда один или больше из отводов 32 используются. В этом режиме контроллер управляет скоростью насоса 26, чтобы поддерживать давление текучей среды/мастики в петле 30. Контроллер также управляет насосом 26, чтобы перекачивать текучую среду/мастику по контуру 20 в режиме низкого давления во время периодов, когда ни один из отводов 32 не используется.
На фиг. 3 иллюстрируется более подробно станция 25 повышения давления с насосом 26 высокого давления. Насос 26 высокого давления типично может представлять собой объемный насос с поршнями, которые совершают возвратно-поступательные движения внутри цилиндров для перекачивания текучей среды. Привод поршней осуществляется с помощью блока 42 привода (пример которого описывается ниже в отношении насоса, иллюстрируемого на фиг. 3). Блок привода связан с двигателем 43 с переменной скоростью вращения, который в описываемом ниже примере на фиг. 4 представляет собой электродвигатель переменного тока. Работой и скоростью двигателя управляют с панели 28 управления, в которой размещаются контроллер (такой как программируемый контроллер, компьютер, и т.д.) и инвертор. Как показано на фиг. 3, насос 26, блок 42 привода и двигатель 43 поддерживаются на напольной раме 41.
Насос 26 имеет впуск 44, через который принимается текучая среда от станции 23 среднего давления (см. фиг. 1), и выпуск 29, как описано выше в отношении фиг. 1. Датчик 45 давления на впуске осуществляет мониторинг давления текучей среды на впуске 44 насоса. Датчик 46 давления на выпуске осуществляет мониторинг давления текучей среды на выпуске 29 насоса. Датчик 45 давления на впуске гарантирует, что имеется достаточное давление в текучей среде на впуске 44 перед началом перекачивания насосом 26 (т.е. что насос 26 заполнен). Также имеется реле 47 давления на выпуске насоса, которое обеспечивает функцию безопасности, чтобы гарантировать, что насос не будет продолжать перекачивание в режиме высокого давления, если возникнет определенное максимальное давление насоса. Сигналы от датчиков 45, 46 давления и реле 47 давления подаются на контроллер в панели 28 управления. Клапан 48 перед впуском 44 насоса и другой клапан 49 на выпуске 29 насоса могут использоваться для изолирования станции повышения давления (например, для технического обслуживания или ремонта).
Отметим, что при работе в режиме высокого давления могут быть короткие периоды, когда для производства на производственном участке не требуется, или требуется очень небольшое, использование текучей среды/мастики. В эти периоды может потребоваться, чтобы насосы, в частности насос 26 высокого давления, работали с очень низкими скоростями, или даже были неподвижными, при этом все еще прилагая давление к текучей среде/мастике. Насосы, которые описываются ниже, были разработаны таким образом, чтобы особенно подходить для этого типа работы. Однако альтернативные насосы или насосные системы могут использоваться в системе, подобной показанной на фиг. 1.
Обращаясь к фиг. 1, 2а и 3, в режиме высокого давления насос 26 и его контроллер поддерживают давление на выпуске насоса 26 на предварительно заданном значении, независимо от расхода насоса 26, как в системе управления с обратной связью по фактическому давлению. Таким образом, когда текучая среда (например, мастика) используется или должна быть доступной для использования на производственном участке 31, контроллер управляет насосом, чтобы поддерживать давление текучей среды в петле 30. Если датчик 46 давления на выпуске обнаруживает падение давления, контроллер запускает насос 26, или, если он уже работает, увеличивает скорость насоса 26, чтобы восстановить давление на выпуске до предварительно заданного значения. Когда текучая среда фактически используется на отводах 34 на производственном участке 31, двигатель 32 приводит в действие блок 42 привода, чтобы перемещать поршни в насосе 26 и заставить текучую среду перекачиваться в петлю 30. Когда использование отводов 34 прекращается, контроллер все еще обеспечивает питание двигателя в течение короткого периода времени, чтобы прилагать крутящий момент к блоку привода, который преобразуется в усилие на поршнях в насосе 26, таким образом, чтобы поддерживать давление на текучую среду в петле 30. Если затем нет никакого дальнейшего падения давления на выпуске, обнаруживаемого датчиком 46, контроллер выключает насос 26. В то время как режим работы остается режимом высокого давления, контроллер затем будет повторно запускать насос 26, если датчик 46 давления на выпуске обнаруживает падение давления ниже предварительно заданного значения.
Обращаясь к фиг. 1, 2b и 3, в режиме низкого давления насос 26 требуется только для обеспечения достаточного давления текучей среды, чтобы она текла по петле 30 и обратно через открытый клапан 38 и возвратную линию 40 в станцию 23 среднего давления. Это обеспечивает сохранение движения текучей среды и что она не будет загустевать или затвердевать в трубопроводах, но так как высокое давление не требуется, насосы потребляют меньше энергии.
На фиг. 3 показан вид в изометрии примера объемного насоса 50 типа, в частности подходящего для насоса 26, описанного выше в отношении фиг. 1. Насос 50 представляет собой пример насоса типа, описанного в поданной тем же заявителем совместно рассматриваемой заявке на патент GB 1502686.7.
Как показано на фиг. 4, объемный насос 50 имеет три цилиндра 52а, 52b, 52с, каждый из которых имеет соответствующий поршень (не виден), выполненный с возможностью возвратно-поступательно перемещения внутри цилиндра. Цилиндры 52а, 52b, 52с образованы в корпусе 54 насоса, в котором образован впускной канал 58 для соединения с источником текучей среды, подлежащей перекачиванию, и выпускной канал 56, из которого перекачивается текучая среда. Также внутри корпуса 54 насоса размещается система обратных клапанов, при этом каждый цилиндр имеет соответствующий впускной обратный клапан и соответствующий выпускной обратный клапан, которые обеспечивают, что текучая среда течет в насос и из насоса в одном направлении, когда поршни перемещаются внутри цилиндров.
Объемный насос 50 показан установленным на раме 59, которая также поддерживает приводной электродвигатель 60 переменного тока с переменной скоростью, обеспечивающий, через редуктор 63, привод во вращательное движение для системы 62 кулачков, и панель 65 управления. Система 62 кулачков обеспечивает привод в возвратно-поступательное движение для поршней в цилиндрах 52а, 52b, 52c. Во время цикла возвратно-поступательного движения поршни проходят через ход всасывания и ход нагнетания. Во время хода всасывания цилиндра (например, цилиндра 52а), поршень внутри цилиндра 52а перемещается вверх. Всасывающее действие поршня открывает впускной обратный клапан и закрывает выпускной обратный клапан, соответствующие цилиндру 52а. Текучая среда втягивается вдоль впускного канала 56 через соответствующий впускной обратный клапан и в цилиндр 52а.
Во время хода нагнетания поршни перемещаются вниз внутри цилиндров. В то время как цилиндр 52а находится на его ходе всасывания, поршни в цилиндрах 52b, 52c находятся на их ходах нагнетания. Поршни внутри цилиндров 52b, 52с увеличивают давление текучей среды, что заставляет их соответствующие впускные обратные клапаны закрыться и их соответствующие выпускные обратные клапаны открыться. Текучая среда вытесняется из цилиндров 52b, 52с через выпускные обратные клапаны и вдоль выпускного канала 58.
Привод поршней осуществляется с помощью электродвигателя 60 переменного тока с переменной скоростью, связанного с системой 62 кулачков. Кулачки имеют форму, обеспечивающую, что ход всасывания происходит в течение периода времени, который не больше, чем половина периода времени хода нагнетания. Кулачки выполнены с возможностью привода поршней со сдвигом по фазе относительно друг друга таким образом, что в любом положении во время цикла вращения по меньшей мере два поршня осуществляют нагнетание. Это означает, что двойная площадь поршня используется для приложения давления к текучей среде, тем самым генерируя значительно большее давление в текучей среде, чем для одного цилиндра. Эта конфигурация также обеспечивает более низкие механические усилия на кулачках, чем было бы в том случае, когда эквивалентное давление текучей среде должно было быть получено с помощью одного поршня.
Электродвигатель 60 переменного тока, который осуществляет привод системы кулачков, как описано выше, чтобы обеспечить привод в возвратно-поступательное движение поршней, имеет инвертор с векторным управлением приводом с обратной связью. Для насосов, описанных выше, в системе, такой как показанная на фиг. 1, требуется обеспечивать и поддерживать высокое давление текучей среды/мастики, даже когда количество подлежащей использованию мастики очень небольшое (или равно нулю). Это означает, что насос 26 на фиг. 1 должен быть способен поддерживать высокое давление с помощью электродвигателя 60 переменного тока, поддерживающего крутящий момент на кулачковом валу, даже когда он не вращается, и это может происходить только в том случае, если электродвигатель переменного тока не останавливается. Привод электродвигателя 60 переменного тока осуществляется с помощью инвертора. Инвертор использует векторное управление, предпочтительно векторное управление с обратной связью, при котором сигнал, подаваемый в инвертор, указывает относительные положения статора и ротора двигателя.