Verständnis der Wasserstrahlpumpentechnologie

Wenn Sie Schneidgeräte mit Wasserstrahlpumpen kaufen oder ersetzen möchten, sollten Sie Folgendes bedenken.

Die Pumpe ist das Herzstück der Maschine und die zweitteuersten Betriebskosten, wenn Sie mit Schleifmittel schneiden. Wenn Sie nur Wasser schneiden, macht dies den Großteil Ihrer Betriebskosten aus. Die anfängliche Investition in die Ausrüstung ist nicht so wichtig wie die laufenden Betriebskosten. Einsparungen von 10 bis 20 Prozent im Vorfeld können Sie in den nächsten Betriebsjahren das Zehnfache kosten.

In der Branche dominieren drei Haupttechnologien für Wasserstrahlpumpen. Die ersten auf dem Markt waren die hydraulischen Verstärkerpumpen, die OMAX®-Mitbegründer Dr. John Olsen während seiner Anstellung bei Flow Research Inc. in den 1970er Jahren erfunden hatte. Zwanzig Jahre später wurde die Direktantriebspumpentechnologie erfunden und das Rennen begann.

Im Jahr 2008 wurde die elektrische Servopumpe von der Techni Waterjet Company in Australien entwickelt. Die Techni-Pumpe heißt jetzt Quantum SPT. Der Eigentümer verkaufte das Maschinenunternehmen und hält nur noch das Pumpenunternehmen, das Quantum SPT heißt.

Hydraulische Verstärkerpumpen

Die erste Entwicklung, die hydraulische Verstärkerpumpe, ist immer noch die beliebteste, vor allem weil sie das am häufigsten von Maschinenbauern und Integratoren angebotene Produkt ist; Es war jahrelang die einzige Pumpe, die Maschinenintegratoren zur Verfügung stand. Der Maschinenintegrator kann eine handelsübliche Pumpe erwerben und in seine Maschinen integrieren. Vor kurzem haben einige kleine Unternehmen damit begonnen, Integratoren Direktantriebspumpen anzubieten, aber bisher sind nur sehr wenige in diese Richtung gegangen.

Der Pumpentyp ist sehr einfach aufgebaut. Ein Hydraulikzylinder mit einem Kolben an jedem Ende des Kolbens wird mit einem von einem Elektromotor angetriebenen Hydraulikpaket hin und her bewegt. Jeder Kolben wird durch einen Zylinder gedrückt, der Einlass- und Auslass-Rückschlagventile für Wasser enthält. Während ein Kolben/Zylinder Wasser aus dem Rückschlagventil drückt, zieht der andere das Wasser in den Zylinder. Der Vorgang wiederholt sich, während der Hydraulikzylinder die Richtung umkehrt.

Das Wasser wird aus den beiden Auslassleitungen gesammelt und in einem Schalldämpfer gesammelt. Der Dämpfer speichert Energie im komprimierten Wasser und stößt einen Teil des gespeicherten Wassers aus, während die Kolben am Ende jedes Hubs umkehren. Dies führt zu einem gleichmäßigeren Drucksignal und geringeren Auswirkungen auf Hochdruckarmaturen und -komponenten. Die meisten hydraulischen Druckübersetzerpumpen laufen mit etwa 60 bis 100 Hüben pro Minute.

Pumpen mit Direktantrieb

Die Direktantriebspumpe wird von einem Elektromotor über einen Zahnriemen mit einer Kurbelwelle angetrieben. Die Kurbel treibt drei Kolben in Zylindern an. Jede Kolben-/Zylinderkombination verfügt über ein Rückschlagventil, das beim Rückhub des Kolbens Wasser in den Zylinder eindringen lässt und das Wasser in die Hochdruckleitungen drückt. Die drei Hochdruckleitungen münden in einen Druckspeicher, um den pulsierenden Effekt beim Zusammenführen dieser Leitungen zu reduzieren.

Direktantriebspumpen laufen mit etwa 1.400 SPM und haben daher nicht den besten Ruf hinsichtlich der Lebensdauer der Dichtungen.

Elektrische Servopumpen

Die elektrische Servopumpe ist wie ein hydraulischer Verstärker, da sie mit nur 60 bis 100 SPM hin- und herbewegt, was zu einem relativ geringen Verschleiß der Dichtungen führt und Wasser an beiden Enden der Einheit erzeugt.

Die beiden Hauptunterschiede zwischen den Technologien bestehen darin, dass die elektrische Servopumpe einen Wirkungsgrad von 90 Prozent hat, da sie einen elektrischen Servomotor anstelle eines hydraulischen Systems verwendet, das die Kolben mit einem Wirkungsgrad von 60 bis 65 Prozent bewegt. Außerdem verbraucht die elektrische Servopumpe bei geschlossener Düse nahezu keine Leistung, während der hydraulische Verstärker seine Hydraulikeinheit weiterhin mit 50 Prozent Leistung betreibt.

Elektrischer Verbrauch

Die drei Pumpentypen verbrauchen Strom unterschiedlich.

Eine hydraulische Druckverstärkerpumpe verbraucht mehr Strom, um den gleichen Wasserdurchfluss zu erzeugen wie die beiden anderen Technologien, da das Hydrauliksystem nur einen Wirkungsgrad von 60 bis 65 Prozent hat. Eine 50-PS-Pumpe fördert etwa die gleiche Wassermenge wie eine 40-PS-Direktantriebspumpe oder eine 30-kW-Elektroservopumpe. Hydraulische Verstärkerpumpen verbrauchen etwa 50 Prozent der Energie, wenn sie beim Überqueren oder Be-/Entladen des Tisches im Stillstand sind. Sie zahlen also während der gesamten Betriebszeit der Pumpe Strom, da die Pumpe das Hydrauliköl umwälzt, um es kühl zu halten.

Wenn Sie eine Maschine mit einer Direktantriebspumpe starten, verbrauchen Sie sofort Strom, bis Sie die Maschine am Ende des Tages abschalten. Dies gilt unabhängig davon, ob es sich um Schneiden, Verschieben oder Be-/Entladen von Material handelt. Die Pumpe zieht kontinuierlich Volllast.

Eine elektrische Servopumpe ist elektrisch am effizientesten. Es verbraucht nur dann Strom, wenn die Düse schneidet. Im Stillstand während der Fahrt oder beim Be-/Entladen verbraucht es weniger als 5 Prozent der Energie.

Nachfolgend finden Sie einen Vergleich des Stromverbrauchs über einen Zeitraum von einer Stunde bei gleicher Wasserleistung und unter Verwendung des Branchendurchschnitts von 60 % der Düsen-Einschaltzeit.

Über eine Stunde hinweg verbraucht die elektrische Servopumpe also etwa 30 Prozent weniger Strom, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen.

Wasserverbrauch

Bei der Beurteilung des Wasserverbrauchs müssen Sie sowohl Schneidwasser als auch Kühlwasser berücksichtigen.

Oft ist es aus finanzieller Sicht sinnvoll, nach Wasserkühlern zu suchen, um die zum Kühlen einer Pumpe erforderliche Wassermenge zu reduzieren. Einige Gemeinden begrenzen die Wassermenge, die in den Abfluss geleitet werden darf.

Beim Trennschleifen fungiert Wasser als Träger für das Schleifmittel. Da das Schleifmittel für den Schnitt verantwortlich ist, gilt: Je mehr Wasser Sie haben, desto mehr Schleifmittel können Sie transportieren und desto schneller schneiden Sie. (Dies gilt natürlich so lange, bis Sie den Wasserstrahl übersättigen. Dann schneiden Sie tatsächlich langsamer.)

Insgesamt benötigen elektrische Servopumpen weniger Wasser, um das gleiche Ergebnis zu erzielen, was besser für die Umwelt und Ihr Geschäftsergebnis ist.

Wartung und Umbau von Pumpen

Pumpenumbauten können teuer und zeitaufwändig sein. Die drei Technologien weisen große Unterschiede in den Betriebskosten pro Stunde, der Zeit, die für die Überholung der Pumpe benötigt wird, und dem empfohlenen Intervall zwischen den Überholungen auf.

Hydraulische Verstärkerpumpen sind als Hochdruck- oder Ultrahochdruckpumpen (60.000 PSI oder 87–94 KSI) erhältlich. Der ultrahohe Druck eignet sich gut für reines Wasserschneiden und wird oft als gut für abrasives Schneiden angepriesen. Mit Schleifmitteln können Sie zwar 2 bis 5 Prozent schneller schneiden, dafür verdoppeln sich jedoch Ihre Betriebskosten. Die meisten Ultrahochdruckpumpen werden mit 75 KSI statt mit ihrer Nennleistung betrieben, da die erhöhten Kosten zu hoch sind, um die Leistungssteigerung zu rechtfertigen.

Wenn Sie einen Druck von 60 KSI betreiben, betragen die Betriebskosten für eine 50-PS-Pumpe etwa 6 bis 8 US-Dollar/Stunde und 10 bis 12 US-Dollar/Stunde für eine 100-PS-Pumpe. Wenn Sie eine Ultrahochdruckanlage mit 87 oder 94 KSI betreiben, können Sie die Kosten verdoppeln.

Zusätzlich zur Pumpe müssen Sie auch die Wartung des Hydrauliksystems selbst berücksichtigen, die 1,50 bis 2 US-Dollar pro Stunde kostet.

Ein hydraulischer Verstärker muss unter normalen Bedingungen alle 500 bis 700 Schneidstunden erneuert werden (8 Stunden x 60 % Einschaltdauer = 4,8 Stunden, 500/4,8 = 104,17 Arbeitstage). Der Wiederaufbau dauert voraussichtlich zwei bis drei Stunden. Denken Sie daran, dass Sie auch das Hydrauliksystem warten müssen.

Direktantriebspumpen laufen ständig und nutzen daher die Lebensdauer der Dichtungen zu 100 Prozent, wenn sie eingeschaltet sind. Der Betrieb einer 20-, 30- oder 40-PS-Pumpe kostet etwa 3,75 bis 4 US-Dollar pro Stunde. Ein 50-PS-Motor kostet 5,50 bis 6 US-Dollar pro Stunde. Wenn Sie eine Doppelpumpe oder die 100-PS-Pumpe verwenden, verdoppeln Sie diese Mengen. Das Intervall zwischen den Umbauten beträgt etwa 500 Stunden, es sei denn, Sie haben ein bestimmtes Modell, das für 1.000 Stunden ausgelegt ist, und Sie betreiben es bei 55 KSI und nicht bei den 60 KSI, für die es ausgelegt ist. Beachten Sie, dass es sich hierbei um Maschinenbetriebszeiten und nicht um Schneidzeiten handelt, da die Pumpe entweder Wasser aus der Düse oder in den Abfluss pumpt. Wenn Sie eine Schicht arbeiten, sollten zwischen den Umbauten etwa 60 Arbeitstage liegen (500 Stunden/8 Stunden = 62,5 Tage).

Der Wiederaufbau von Direktantriebspumpen kann zwei bis vier Stunden dauern.

Der Betrieb einer einzelnen elektrischen Servopumpe kostet 2,30 bis 2,50 US-Dollar pro Stunde und der Betrieb einer Doppelpumpe 4,50 bis 5 US-Dollar pro Stunde. Der Wiederaufbau dauert pro Ende weniger als fünf Minuten. In der Realität dauert der Wiederaufbau pro Ende 15 bis 20 Minuten. Da die Pumpe alle 500 bis 600 Stunden Schneidzeit erneuert werden muss, müssen Sie anhand der Arbeitszyklustabelle bestimmen, wie oft Sie Ihre Pumpe überholen müssen (8 Stunden x 60 Prozent Arbeitszyklus = 4,8 Stunden, 500). /4,8=104,17 Arbeitstage).

Druckspitzen im toten Kopf

Druckspitzen im Leerkopf treten auf, wenn der Schneidkopf zum Verschieben oder Laden/Entladen von Material stoppt. Wenn der Schneidkopf das Ventil schließt, kommt es zu Druckspitzen. Diese Spitze führt zu einer Belastung aller Rohrleitungen und Komponenten wie Drehgelenke, Leitungen und Ein-/Aus-Ventile. Je mehr Teile Ihr Teil enthält, desto stärker wirkt sich die Spitze auf Ihre Betriebskosten aus. Je höher die Spitze, desto schlimmer ist die Auswirkung auf die Rohrleitungen der Pumpe.

Direktangetriebene Pumpen weisen eine schwer zu bestimmende Totdruckspitze auf. Die meisten Maschinen laufen mit etwa 3.500 PSI, dieser kann jedoch auch durch schlechte Wartung des Ablassventils beeinträchtigt werden.

Hydraulische Verstärkerpumpen erreichen sowohl bei Einzel- als auch bei Doppelpumpenkonfigurationen einen Spitzendruck von etwa 4.500 bis 4.700 PSI.

Einzelne elektrische Servopumpen erreichen Spitzenwerte unter 1.000 PSI und unter 500 PSI bei Doppelpumpen.

Wenn Sie die Betriebskosten und den Zeitaufwand für die Wartung jeder Pumpe addieren, können Sie die effizienteste Wasserstrahlpumpentechnologie für Ihren Betrieb auswählen.

Dan Smith ist Eigentümer von Waterjet World Inc., 4143 Cedar Springs Road, Burlington, Ontario. L7P 0P6, 844-427-6381, www.waterjetworld.ca.