Hochdruckpumpen erzeugen bedarfsgerecht scharfes Wasser

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Die drei Kurven veranschaulichen die Auswirkungen auf die Druckschwankungen, wenn die Pumpe ohne Pulsationsdämpfer betrieben wird oder jeweils mit einem Pulsationsdämpfer mit 0,88 oder 2,49 l Speichervolumen. Dabei ist eindeutig erkennbar, dass sich die Druckschwankungen mit steigendem Volumen des Dämpfers reduzieren. Geringe Druckschwankungen im Hochdrucksystem wirken sich standzeitverlängernd auf das gesamte Schneidsystem aus und verbessern am Werkstück das Schnittbild des Wasserstrahles.

Sicherheit bei Hochdruckpumpen durch Druckentlastungsventil

Aus Sicherheitsgründen ist in jeder Hochdruckpumpe ein Druckentlastungsventil eingebaut, das beim Drücken des Stopp- und Not-Aus-Tasters das gesamte Hochdruckleitungssystem druckentlastet.

Abhängig vom Hersteller und von der Schneidanwendung bieten Hochdruckpumpen für das Wasserstrahlschneiden auch die Möglichkeit, den Druck während des Schneidbetriebes zu verändern. So ist es bei spröden Materialien, wie beispielsweise Stein oder Glas, notwendig, den Druck beim Starten des Schneidvorganges zu reduzieren.

Schneiddruck beim Wasserstrahlschneiden je nach Material erst verzögert aufgebaut

Würde mit vollem Druck „angeschossen“, könnte dies zum „Abplatzen“ im Bereich des Startloches führen. Verhindert wird dies, indem man den Betriebsdruck auf 800 bis 1000 bar senkt und erst nach dem Durchstrahlen auf den erforderlichen Schneiddruck hochfährt.

An dieser Stelle sei noch erwähnt, dass beim Wasserstrahlschneiden nicht mit hohem Druck, sondern mit hoher Geschwindigkeit des Wassers geschnitten wird. Die Druckenergie, die in der Hochdruckpumpe generiert wird, wird in der Schneiddüse in Geschwindigkeitsenergie umgewandelt, wobei die Strahlgeschwindigkeiten, abhängig vom Druck, bei 600 bis 900 m/s liegen.

Gephaster Druckübersetzer und direkt angetriebene Pumpen

Druckübersetzer in gephaster Ausführung bedeutet, dass mindestens zwei einfach wirkende Differenzialzylinder gegeneinander verschaltet sind (Bild 4). Jede der beiden Einheiten verfügt über einen ölhydraulischen Antriebszylinder und einen Hochdruckzylinder.

Der Hydraulikantrieb ist ähnlich wie beim konventionellen Druckübersetzer ausgeführt. Auch hier entscheidet das Übersetzungsverhältnis zwischen Antriebskolben und Hochdruckplunger über den Enddruck des Druckerzeugers.

Während der eine Kolben den Druckhub ausführt, wird der zweite Kolben mit erhöhter Geschwindigkeit zurückgezogen. Noch vor Erreichen der Endposition des ersten Kolbens wird das Wasser im zweiten Zylinder vorkomprimiert. Bei dieser Pumpenkonstruktion wird kein Pulsationsdämpfer benötigt, da die Druckschwankungen durch den phasenverschobenen Lauf der beiden Kolben kompensiert werden.

Hydraulikantrieb macht Pumpen zum Wasserstrahlschneiden teurer

Eine Erhöhung der Fördermenge kann durch den Einbau von einem oder zwei weiteren Druckübersetzern realisiert werden. Der Nachteil der gephasten Ausführung liegt in der komplizierteren Ansteuerung der einzelnen Zylinder und in der Tatsache, dass mindestens zwei Druckübersetzereinheiten benötigt werden und dies sich erhöhend auf den Pumpenpreis auswirkt.

Seit mehreren Jahren sind beim Wasserstrahlschneiden bereits direkt angetriebene Hochdruckpumpen im Einsatz. Der Antrieb entspricht dem Prinzip von Dreikolbenpumpen, die auch beim Hochdruckreinigen eingesetzt werden.

Der Vorteil dieser Konstruktionsart liegt im direkten Antrieb und dem damit verbundenen höheren Wirkungsgrad der Pumpe. Ein frequenzgesteuerter Elektromotor treibt eine Kurbelwelle an, mit der drei Hochdruckplunger verbunden sind (Bild 5).

Direkt angetriebene Hochdruckpumpen bieten beim Wasserstrahlschneiden nur begrenzte Möglichkeiten

Dieses Pumpensystem ist derzeit mit einem Druck von 3800 bar limitiert. Die durchschnittliche Hubzahl der Plunger liegt bei etwa 500 pro Minute.

Dadurch ist die Belastung der einzelnen Hochdruckkomponenten höher und die erhöhte Anzahl der Lastwechsel wirkt sich nachteilig auf die Standzeit der Hochdruckzylinder und des Dichtungssystems aus. Für den Schneidbetrieb ist im Hochdruckkreis noch ein Bypass-Ventil eingebaut, das beim Schließen des Schneidkopfes die nicht benötigte Wassermenge abnimmt.

Abrasivmittelverbrauch und Verschleiß in Balance halten

Derzeit geht der Weg bei den Druckübersetzerpumpen in Richtung höhere Betriebsdrücke. Einige Schneidanlagen mit Pumpendrücken bis etwa 6000 bar sind bereits seit einigen Jahren in Betrieb. Als Vorteil steht der reduzierte Abrasivmittelverbrauch im Vordergrund. Dem entgegen stehen aber der erhöhte Verschleiß bei Hochdruckdichtungen und Rückschlagventilen im Druckerzeuger sowie die reduzierten Standzeiten bei Hochdruckrohren, Schneiddüsen und Fokussen für den Betrieb mit dem Wasserabrasivstrahl.

Die Anwendung höherer Drücke mit entsprechenden Düsendurchmessern beim Schneiden von sehr dicken Materialien führt in jedem Fall zu höheren Schneidleistungen. Kombinationen, bei denen der Betriebsdruck erhöht und der Düsendurchmesser verringert wird, sind aber nicht sinnvoll.

Bei den meisten Anwendungen kann durch die Erhöhung des Düsendurchmessers oder den Einsatz eines zweiten Schneidkopfes bei 3600 bis 4000 bar ein im Vergleich mit 6000 bar absolut vergleichbares Schnittergebnis erzielt werden, wobei die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der Schneidsysteme mit bis zu 4000 bar unvergleichlich höher liegt.

Franz Trieb ist Prokurist und Leiter Profit Center Hochdruckpumpen der BHDT GmbH in 8605 Kapfenberg (Österreich).

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