Urządzenia do cięcia wodą z dodatkiem ścierniwa - waterjet, uważa się za najbardziej innowacyjną technologię cięcia kształtowego, która pozwala na obróbkę niemalże wszystkich materiałów. Woda pod ciśnieniem 3 do 4 tys. bar używana jest do rozpędzenia ziaren piasku granatu zwanego garnetem. Proces cięcia jest zaliczany do obróbki strumieniowo ściernej i jest najbardziej zbliżony do procesu szlifowania. Do uzyskania tak wysokiego ciśnienia wody używane są dwa rodzaje pomp. Najpopularniejsze są pompy z hydraulicznym wzmacniaczem ciśnienia, inne konstrukcje to pompy korbowodowe wykorzystujące rozwiązania podobne do sprężarek tłokowych.
Producenci urządzeń do cięcia wodą waterjet starają się wykazać, że stosowane przez nich rozwiązanie jest z punktu widzenia użytkownika najlepsze. Na ewentualne korzyści wpływa bardzo wiele czynników, co często powoduje niezrozumienie parametrów, oraz możliwości i ograniczeń poszczególnych rozwiązań. W niniejszym opracowaniu dokonane zostanie merytoryczne porównanie pomp ze wzmacniaczem ciśnienia i korbowodowych oraz ich wpływu ich konstrukcji na jakość cięcia i koszty pracy urządzenia. Do porównania wykorzystano dane dostępne na oficjalnych stronach internetowych wybranych producentów obydwóch typów pomp.
Zasada działania pomp do maszyn waterjet
Pompa korbowodowa do zasilania wycinarek waterjet działa podobnie do sprężarki tłokowej, posiada korbowód i tłoki. Silnik elektryczny napędza wał korbowy, a ten za pośrednictwem korbowodów porusza nurnikami (tłokami). Silnik napędowy zasilany jest za pośrednictwem falownika, za pomocą którego można regulować obroty silnika a tym samym wydajność pompy. Regulacja ciśnienia odbywa w sposób pośredni poprzez zmianę wydajności pompy (obrotów silnika) oraz dobór kryzy w głowicy. Regulacja ta odbywa się przy pomocy falownika.
Pompa ze wzmacniaczem ciśnienia posiada pompę hydrauliczną o regulowanej automatycznie wydajności i zadawanym ciśnieniu napędzaną silnikiem elektrycznym. Tłoczy ona olej do multiplikatora ciśnienia (wzmacniacza), gdzie następuje wzmocnienie ciśnienia spowodowane różnicą powierzchni tłoków olejowego i wodnego. Olej naciska na tłok cylindra niskiego ciśnienia, a ten napiera na nurnik (najczęściej o 20 krotnie mniejszej powierzchni) i tak z 200 barów oleju powstaje 4000 barów wody. Regulacja ciśnienia odbywa się przez zmianę zadanego ciśnienia na pompie hydraulicznej. Pozwala to na regulację ciśnienia w bardzo dużym zakresie co jest niemożliwe w pompach korbowodowych z powodu pośredniej regulacji ciśnienia.
Szybkość zużywania się części pomp do wycinarek wodnych waterjet
Przy ciśnieniach na poziomie tysięcy barów dość istotnym czynnikiem generującym koszty są zużywające się uszczelnienia. Zarówno pompy korbowowodowe, jak i wzmacniaczowe posiadają nurniki pracujące ruchem posuwisto zwrotnym. Każdy pojedynczy suw to jednostkowe zużycie elementów takich jak uszczelnienia czy zawory zwrotne. W pompie korbowodowej, ze względu na bezpośredni napęd wału korbowego z silnika elektrycznego, częstotliwość suwów wynosi kilkadziesiąt cykli na sekundę. W pompach ze wzmacniaczem ciśnienia częstotliwość wynosi ok. 1 suw na 2 sekundy co jest wartością kilkadziesiąt razy niższą niż w pompach korbowodowych. Nietrudno więc zauważyć, że żywotność rozwiązania ze wzmacniaczem będzie bez porównania wyższa, pomimo, że w pompach korbowych stosowanych jest znacznie więcej i droższych uszczelnień oraz wymaga się zasilania tych pomp krystalicznie czystą wodą z drogich filtrów osmotycznych. Aby uzyskać jakkolwiek akceptowane żywotności uszczelnień w pompach korbowodowych, niezbędne jest wykorzystanie drogich materiałów oraz wymagane jest stosowanie systemu uzdatniania wody zasilającej pompę tego rodzaju. Wiąże się to z wysokimi kosztami nie tylko zakupu systemu uzdatniania wody, lecz również jego utrzymania. Pompy do maszyn waterjet ze wzmacniaczem ciśnienia nie potrzebują drogich w zakupie i utrzymaniu uzdatniaczy wody a pomimo to osiągają wyższe ciśnienia i wartości mocy.
Przebijanie niskociśnieniowe w maszynach do cięcia wodą
Aby można było rozpocząć cięcie od środka materiału niezbędna jest przebicie materiału w miejscu rozpoczęcia procesu wycinania. O ile w materiałach takich jak metale nie ma z tym problemu, o tyle materiały kruche, jak szkło czy kamień często pękają przy próbie przebicia. Aby temu zapobiec, producenci pomp do waterjetów wprowadzili możliwość obniżenia ciśnienia wody na czas przebijania przez materiał, co skutecznie eliminuje opisany problem.
Ze względu na bezpośrednie napędzanie silnikiem elektrycznym w pompach korbowodowych nie jest możliwa regulacja ciśnienia w szerokim zakresie ze względu na ograniczenie w zmniejszaniu obrotów silnika elektrycznego sterowanego falownikiem. Ma to miejsce ponieważ przy zmniejszaniu prędkości obrotowej silnika elektrycznego za pomocą falownika, zmniejsza się jego moc oraz sprawność, a po przekroczeniu pewnej minimalnej prędkości obrotowej silnik by się zatrzymał lub przegrzał. W związku z tym minimalne ciśnienie pompy korbowodowej to ok. 2000 barów, jest ono stanowczo za wysokie do przebijania niektórych materiałów (takich jak szkło). Aby bezpiecznie przebijać szkło za pomocą pompy korbowodowej wymagane jest stosowanie przystawki umożliwiającej częściowe zawrócenie wody na przelew aby zmniejszyć energię strugi, lecz powoduje to niepotrzebne straty wody i energii. Co prawda istnieje możliwość przebijania w trybie startu z wyłączonym silnikiem, jednak taką operację można powtórzyć tylko kilka razy na godzinę z powodu mocnego przegrzewania się silnika podczas tego procesu.
W przeciwieństwie do tego pompy wzmacniaczowe dzięki bezpośredniemu sterowaniu ciśnieniem mają bardzo szeroki zakres regulacji umożliwiając regulację ciśnienia niemal od zera, a dodatkowo posiadają możliwość automatycznego zmniejszenia ciśnienia na czas przebijania kruchych materiałów, a następnie szybkiego przejścia do ciśnienia cięcia przy wysokim ciśnieniu co znacząco wpływa na wydajność.
Wyłączania pompy waterjet przy zamknięciu głowicy
Waterjet-y ze względu na swoją charakterystykę pracy wymagają częstego załączania i wyłączania strugi w celu przejścia do następnego detalu. Sytuacja ta jest bardzo widoczna szczególnie przy wycinaniu detali z dużą ilością otworów. Obydwa systemy realizują to zadanie w podobny sposób. Za pomocą sprężonego powietrza otwierany i zamykany jest zawór przy głowicy tnącej. Jednak same pompy zachowują się już inaczej. Pompy korbowodowe są pozbawione możliwości natychmiastowego wyłączania pompy na czas przechodzenia pomiędzy wycinanymi elementami z powodu dużej inercji rozpędzonego silnika napędowego. Ze względu na to, że próba wyłączenia głowicy przy rozpędzonej pompie spowodowała by niekontrolowany wzrost ciśnienia, w pompach korbowodowych zastosowano dodatkową głowicę przy pompie, która jest otwierana w momencie kiedy zamykana jest głowica tnąca tak aby skierować pompowaną wodę do ścieków. W głowicy tej umieszczona jest taka sama kryza jak w głowicy tnącej po to aby podczas przechodzenia do następnego detalu nie spadło ciśnienie w układzie zasilającym głowicę tnącą. Konsekwencją tego jest znacznie zwiększenia kosztów cięcia, ponieważ pomimo, że waterjet podczas przejazdów ustawczych nic nie wycina, pobiera ona taką samą ilość energii elektrycznej i wody jak podczas cięcia. Dodatkowo podczas ruchów w powietrzu elementy pompy zużywają się tak jak podczas cięcia.
W pompach wzmacniaczowych, dzięki zastosowaniu pompy łopatkowej ze zmienną wydajnością i sterowanym ciśnieniem można natychmiast wstrzymać strugę wody powodując tym samym ograniczenie poboru energii do ruchu jałowego, oraz wstrzymać zużycie wody. Wówczas również zatrzymuje się multiplikator co wyraźnie zmniejsza koszty eksploatacyjne części oraz zużycie prądu i wody.
Przerabianie maszyn waterjet z pompami korbowodowymi na wzmacniaczowe
Użytkownicy maszyn waterjet z pompami korbowodowymi zawiedzeni bardzo wysokimi kosztami eksploatacji w przypadku poważniejszej awarii której usunięcie może kosztować nawet kilkadziesiąt tysięcy, kupują tzw. replace kity produkcji innych firm, między innymi Accustream. Różnica w kosztach eksploatacji jest tak wysoka, że zakup nowej pompy może się zwrócić nawet po 1.5 roku użytkowania. Koszt eksploatacji pompy waterjet ze wzmacniaczem ciśnienia może być nawet czterokrotnie niższy niż pomp korbowodowych. To, oraz fakt, że nie zdarza się aby ktokolwiek wymieniał pompę wzmacniaczową na korbowodową, wskazuję, że doświadczeni użytkownicy wybierają pompy waterjet ze wzmacniaczem ciśnienia. Decyzja o zakupie pompy korbowodowej do wycinarki waterjet jest podejmowana najczęściej z powodu nie dostatecznej wiedzy na temat jej ograniczeń oraz niezweryfikowanych zapwenień i argumentów sprzedawców.
Wydajność i moc pomp do waterjetów
Podczas porównywania parametrów pomp do wateretów, należy zwrócić uwagę przy jakich warunkach pracy podawane są parametry wydajnościowo ciśnieniowe. Zdarza się bowiem, że jedni producenci podają wydajność pompy w odniesieniu do zasilania wodą po stronie niskiego ciśnienia, a inni podają wydajność wyjściową przy ciśnieniu maksymalnym. Ze względu na ściśliwość wody (która przy tak wysokich ciśnieniach zaczyna mieć istotne znaczenie) różnice te mogą dochodzić do 20%. Popularna pompa korbowodowa o mocy 22kW ma np. wydajność na zasilaniu 3.8l/min ale już na wyjściu maksymalnie 3.2l/min. Warto również zaznaczyć że moce poszczególnych typów pomp znacznie mogą się różnić. Niektórzy producenci maszyn do cięcia wodą twierdzą, że ich maszyna jest tańsza w eksploatacji ponieważ pompa ma mniejszą moc. Nie można jednak rozpatrywać kosztów pracy urządzenia tylko w oparciu o moc pobieraną z sieci. Czy powinniśmy kupować samochód z silnikiem o najmniejszej mocy jaki uda nam się znaleźć? Szybkość wycinania w maszynach typu waterjet ściśle zależy od ilości energii dostarczonej do głowicy co jest bezpośrednio związane z ciśnieniem i wydajnością pompy. Zwiększenie ciśnienia przekłada się na zwiększenie prędkości cięcia co powoduję, że wyższe koszty energii elektrycznej są rekompensowane krótszym czasem wycinania konkretnego detalu co daje porównywalny koszt prądu dla pomp o różnych mocach w przeliczeniu na wycięcie konkretnego detalu. Konsekwencją powyższego jest jednak to, że mając maszynę z pompą o wyższej mocy możemy w jednostce czasu wykonać proporcjonalnie więcej detali co często oznacza, że musieli byśmy kupić dwie maszyny z mniejszymi pompami aby zastąpić jedną z pompą o większej mocy.
Zużycie garnetu w wycinarkach wodnych
Garnat to materiał ścierny używany między innymi w wycinarkach wodnych typu waterjet jako czynnik skrawający materiał. Występuje w formie piasku o różniej gradacji i powstaje poprzez zmielenie minerału znanego jako Granat. Właśnie zużycie garnetu jest najistotniejszym czynnikiem w kosztach cięcia strumieniem wody. Stanowi on ponad 50% wszystkich kosztów cięcia. Optymalna ilość garnetu dostarczanego do głowicy tnącej jest niezależna od mocy pompy, co powoduje, że używając większej pompy z wyższym ciśnieniem możemy wyciąć detal w krótszym czasie, co skutkuje zużyciem mniejszej ilości garnetu. Różnice te mogą być ponad dwukrotne, więc odpowiedni dobór pompy może przełożyć się na znacznie zwiększenie opłacalności cięcia, co na konkurencyjnym rynku usług jest wyjątkowo istotne.
Koszty cięcia waterjet
Często zadawanym pytaniem przez klienta jest: „Ile kosztuje godzina pracy waterjet?”. Jest to jeden z podstawowych błędów popełnianych przez potencjalnego nabywcę wycinarki wodnej. Jeśli w danym czasie jesteśmy w stanie wyciąć 4 razy więcej detali to nawet 2 razy wyższa cena za godzinę pracy da nam połowę niższy koszt wycięcia detalu. Właśnie koszt wycięcia konkretnego detalu jest podstawowym wykładnikiem różnic kosztów cięcia na różnych maszynach waterjet. Koszt cięcia waterjet zawsze należy rozpatrywać w odniesieniu do wydajności cięcia, a nie do kosztu godziny pracy. Zdaża się, że sprzedawcy oferują wycinarki waterjet z pompami o zaniżonej mocy tylko dla tego, aby nieco obniżyć cenę i przebić ofertę konkurencji, a często już niewielka dopłata do ceny zakupu waterjeta pozwala na podwojenie jego wydajności co jest w żywotnym interesie kupującego.
Sprawność pomp water-jet
Należy zwrócić również uwagę, że sprzedawcy wycinarek waterjet często manipulują informacjami dotyczącymi oferowanych przez nich produktów tak aby przedstawić je w jak najlepszym świetle co często nie przekłada się na szeroko rozumiane "dobro klienta". Przykładem takiego działania jest próba wykazania, że pompy korbowodowe maja wyższą sprawność od pomp wzmacniaczowych. Wydajność wyjściowa przykładowej pompy o mocy 37kW (50HP) ze wzmacniaczem przy ciśnieniu maksymalnym 4150bar wynosi 4.16l/min, co daje moc na dyszy ok. 29kW (ciśnienie * wydajność / stała 600) więc sprawność wynosi 78%. Natomiast wydajność przykładowej pompy korbowej 22kW (30HP) przy ciśnieniu maksymalnym 3450bar wynosi 3.2l/min, co daje moc na dyszy ok. 18kW więc sprawność wynosi 82%. Jednak w tym wypadku należy dodatkowo uwzględnić straty w falowniku zasilającym silnik pompy korbowej na poziomie 5% co daje 77% sprawności, co wykazuje, że sprawność pomp korbowodowych jest faktycznie nieco niższa niż pompy wzmacniaczowej. Przy zasilaniu silnika pompy za pomocą przekształtnika częstotliwości (falownika) pojawia się jeszcze problem wysokiego poziomu harmonicznych prądu wynikających z impulsowej pracy prostownika w przekształtniku co może prowadzić do nadmiernych strat w przewodach i kar na rzecz dostawcy energii za przekraczania dopuszczalnego ich poziomu.
Chłodzenie pomp maszyn do cięcia waterjet
Ze względu na przetwarzanie znacznych mocy w pompach do zasilania maszyn waterjet niezbędne jest stosowania układu chłodzenia. Przykładowa pompa korbowodowa chłodzona jest w systemie w którym woda chłodząca pompę służy do zasilania tej pompy w wodę do cięcia. Nagrzana woda która schłodziła korpus pompy z powrotem jest do niej doprowadzana i de facto ją z powrotem podgrzewa. Rozwiązanie to uniemożliwia wykorzystanie pompy korbowodowej do długotrwałej pracy ponieważ w związku z konstrukcją układu chłodzenia pompy korbowodowej jej temperatura stale się podnosi, a po przekroczeniu pewnej wartości pompa ulega zniszczeniu. Pompy do maszyn waterjet ze wzmacniaczem ciśnienia, mają na ogół niezależny, zamknięty obieg chłodzenia w którym olej chłodzony jest za pomocą wymiennika ciepła z wentylatorem. W tym przypadku chłodzenie jest skutecznie niezależnie od czasu pracy pompy. Dodatkowo stosowanie wymiennika ciepła pozwala w okresie zimowym na wykorzystanie odprowadzanej energii do dogrzewania pomieszczeń.
Podsumowanie
Obecnie wśród producentów urządzeń do cięcia strumieniem wody zdecydowanie dominują pompy ze wzmacniaczem ciśnienia. Stało się tak ponieważ uznali, że możliwości rozwoju pomp z napędem korbowym zakończyły się na ciśnieniach 3800bar i mocach 30kW. Pompy ze wzmacniaczem cały czas są modyfikowane i rozwijane a najlepszym tego przykładem jest stopniowe wprowadzanie do urządzeń waterjet standardu 6000bar. Pompy ze wzmacniaczem produkowane są o mocach od 18 do 200kW. W pompach korbowodowych 80% części to elementy dedykowane tylko do tych pomp co prowadzi do ustalania nienaturalnie wysokich cen za części eksploatacyjne. Pompy waterjet ze wzmacniaczem ciśnienia mają zastosowane w 80% standardowe części hydrauliki siłowej co znacząco zwiększa konkurencje w śród ich dostawców. Najważniejsza zaleta pomp korbowodowych to znacznie niższe koszty produkcji co pozwala na ich stosowania w urządzeniach półprofesjonalnych przeznaczonych do firm w których będą wykorzystywane dorywczo gdzie wydajność pracy i koszty eksploatacyjne nie mają większego znaczenia. Jeśli natomiast użytkownik wymaga możliwości konkurowania na rynku usług, lub proces cięcia wodą będzie wykorzystywał intensywnie, wówczas powinien zainwestować w maszynę waterjet z pompą ze wzmacniaczem ciśnienia.
Pompy korbowodowe:
Zalety:
-cichsza praca
-mniejsze rozmiary
-mniejsza ilość oleju
-tańsze w produkcji
Wady:
-wysokie koszty eksploatacyjne
-niska trwałość
-delikatna konstrukcja
-mniejsze ciśnienia i wydajność
-otwarty układ chłodzenia
-ograniczona możliwość regulacji ciśnienia
-straty energii w falowniku
-konieczność uzdatniania wody
Pompy ze wzmacniaczem ciśnienia:
Zalety:
-niższe koszty eksploatacyjne
-większa trwałość uszczelnień
-szeroki zakres regulacji ciśnienia
-zamknięty układ chłodzenia
-brak konieczności uzdatniania wody
-większe ciśnienia i wydajności
-brak strat w falowniku
Wady:
-głośniejsza praca
-większe gabaryty
-większa ilość oleju
-droższe w produkcji
