Recirkulačný systém vysokotlakového čerpadla

 

Tlak vody sa dosahuje v multiplikátorovej časti na požadovaný dimenzovaný tlak. Multiplikátor, nazývaný aj násobič tlaku, pracuje tak, že plocha piesta olejovej časti je v pomere napríklad 20 : 1 k ploche piesta tlakujúceho vodu. Olejový piest pritom pracuje pri tlaku 200 bar, čím sa 20-násobne zvyšuje tlak na plochu piesta tlakujúceho vodu, čím v podstate dosahujeme výstupný tlak vody 4 000 bar, resp. 400 MPa.

Vysokotlakové čerpadlo predstavuje určitú úroveň spoľahlivosti jeho jednotlivých zložiek, ktoré podliehajú priemyselným štandardom pre hydrodynamické aj hydroabrazívne použitie.

 

Vysokotlakové čerpadlo

Vysokotlakové čerpadlo, obr.1 a obr. 2, je vybavené dvomi súčasne prevádzkovanými (riadenými) hydraulickými multiplikátormi, akumulátorom tlaku, motorovým hydraulickým vzostupovým výtlačným olejovým čerpadlom, elektrickým štartovým panelom, kontrolnými senzorami, solenoidmi, kontrolným deliacim panelom a nízkotlakovým vodným okruhom s filtrom.

Konštrukčne je zakomponované v ráme s rozmermi: dĺžka – 197 cm, šírka  – 91 cm a výška – 144 cm. Vysokotlakový systém je vhodne postavený na odkvapovej vani. Všetky zložky sú pre zjednodušenie údržby ľahko prístupné aspoň z dvoch strán.

 

Štandardne vybavenie vysokotlakového čerpadla:

•          systém nízkotlakovej vody,

•          hydraulický systém,

•          multiplikátor,

•          akumulátor tlaku,

•          recirkulačný systém,

•          chladiaci systém oleja,

•          elektrický systém,

•          oddelené vodné a olejové odkvapové vane.

Maximálny tlak vysokotlakovej vody je limitovaný hydraulickým poistným ventilom. Čerpadlo je vhodné pre rôzne potreby produkcie, pre malé i veľké rozsahy.

Vysokotlakový multiplikátor má obojstranný vodný piest, zavesený na olejovom pieste, ktorý kmitá z jednej strany na druhú a opačne. Z multiplikátora alebo multiplikátorov, ktoré pracujú paralelne, sa privádza vysokotlaková voda do akumulátora tlaku. Kompresný pomer je 20:1 s maximálnym hydraulickým tlakom 214 bar.

Recirkulačný obvod pre chladenie a filtráciu oleja beží, keď beží hlavný elektromotor.

Hlavnou funkčnou črtou vysokotlakového vodného čerpadla je:

•          nominálny tlak 4 150 bar (60 000 psi),

•          pracovný tlak 3 800 bar (55 000 psi).

 

Recirkulačný systém vysokotlakového čerpadla

Recirkulácia udržiava hydraulický olej pri prevádzkovej teplote, ak sa používa minimálne množstvo prietoku vody. Systém recirkulácie, obr. 3, zabezpečuje aj nevyhnutnú olejovú klimatizáciu a filtráciu na udržanie čistoty oleja. Klimatizácia hydraulického oleja zahŕňa jeho chladenie, čistenie a spolu s hydraulickou nádržou odstraňovanie vzduchových bublín vznikajúcich v oleji, kvôli miešaniu a turbulentnému toku v hlavnom čerpadlovom obvode.

Chladiaci a filtračný systém je charakterizovaný zostavou:

Prevádzka systému spočíva v tom, že recirkulačné čerpadlo (1) berie olej z nádrže (6) a čerpá ho do vodného výmenníka tepla (3), potom preteká cez olejový filter späť do nádrže. Vizuálny ukazovateľ (4) udáva, či filtračný člen potrebuje výmenu. To by malo byť udané, ak čerpadlo beží a teplota oleja je približne 46 °C. Ak ukazovateľ ukazuje žltú alebo práve prešiel do červenej zóny, treba filtračný člen vymeniť.

Olejový plniaci otvor sa musí používať, ak sa pumpuje olej do nádrže na udržanie čistoty. Plnením v tomto bode hydraulický olej musí prechádzať cez hydraulický filter, aby sa dostal do nádrže čistý. Tým sa garantuje, že olej ide do nádrže aspoň jedným smerom cez správny filter. Na obr. 4 je schéma recirkulačného obvodu.

Prevádzková teplota je nastavená otočením vodného modulovaného ventilu (3), ktorý nastavuje tlačidlo. Teplota oleja stúpa v smere hodinových ručičiek.

Vodný modulovaný ventil reguluje chladiaci prietok, ktorý vstupuje otvorom „D“ do výmenníka tepla (3) a potom sa vyprázdňuje cez otvor „C“ do odpadu.

Prevádzková teplota oleja je továrensky nastavená na 46 °C na základe teploty a toku chladiacej vody vo výrobe. Nastavenie môže byť nevyhnutné.

Systémový tlak vyšší ako 4,2 bar je chránený poistným ventilom (8) umiestneným na filtrovej hlavici (5). Prevádzková teplota a tlak oleja sa nastavuje podľa tab. 1.

Náhľad na údržbu

Za normálneho stavu prevádzky bude olej udržiavaný na prevádzkovej teplote a vizuálny ukazovateľ bude čitateľný v zelenej zóne. Aby sme dostali najlepšiu hodnotu z hydrauliky (vrátané recirkulácie), má sa zmeniť filtračný člen ak ukazuje, že je na to čas. Hydraulický olej má byť vymenený po 3 000 hodinách alebo 1 roku prevádzky (čo bude skôr), alebo kedykoľvek, keď kvapalina ukazuje, že je kontaminovaná a fixovaná jednoduchou prevádzkou filtra. Kvôli reakcii s vodou sa neodporúča používať oleje s prísadami.

Olejový filter slúži na to, ak vizuálny ukazovateľ je v žltej zóne alebo vstupuje do žltej zóny. Olejový filter treba vtedy vymeniť (obr. 5) podľa servisného postupu.

Olejová nádrž (obr. 6) je vybavená nasledujúcimi časťami:

Plniace zložky pozostávajú z olejovej filtrovej hlavice, plniaceho otvoru a plniacej otvorenej čiapočky. Odvzdušňovač nie je plniaca zložka a nemusí byť použitá ako plniaci bod. Po 3 000 hodinách prevádzky alebo raz za rok (čo bude skôr) treba hydraulický olej vymeniť.

Pri plnení oleja treba dodržať niekoľko zásad:

- nikdy nepredstierať, že nový valec oleja je oslobodený od ničiacich znečisťujúcich látok,

- olej z nového valca nespĺňa požiadavky čistej hydrauliky. Preto je dôležité používať  olejovú transferovú pumpu, ktorá núti pretekať olej cez vratný filter do nádrže.

- Olej musí byť filtrovaný cez ekvivalentný filter ako je od výrobcu čerpadla.

- Poškodenie základných hydraulických zložiek, podliehajúcich záruke, môže zapríčiniť neúspech.

- Zlyhanie pri naplnení čerpadlového puzdra olejom poškodí čerpadlo kvôli vzduchu uzavretom vo vnútri čerpadla.

 

Zubové čerpadlo sa používa ako objemové čerpadlo, ktoré dopravuje kvapalinu po presne definovaných objemových kvantách, daných objemom pracovného priestoru čerpadla (napríklad zdvihom piestu). Hlavnou úlohou v hydraulickom obvode je udeľovať pracovnej kvapaline tlakovú energiu a energiu kinetickú, nutnú pre dopravu kvapaliny obvodom. Keďže tlaková energia rádovo prevyšuje energiu kinetickú, používa sa pre čerpadlá v hydraulických obvodoch výraz generátor tlaku alebo hydrogenerátor.

Zubové generátory sú vďaka svojej jednoduchej konštrukcií a výrobe najrozšírenejším typom. Bežne sa konštruujú pre tlaky 3 – 5 MPa (špeciálne konštrukcie s vymedzovaním bočných vôlí umožňujú pracovné tlaky 16 i viac MPa). Generátory sa konštruujú na množstvo dodávané jedným párom kolies maximálne 80 – 100 dm³.min^-l. Základným elementom zubového generátora je pár spoluzaberajúcich čelných ozubených kolies, najčastejšie s priamymi zubami. Súkolesie je uložené s minimálnou obvodovou a bočnou vôľou v skrini, ktorú tvorí teleso a dve veká – viď obr. 7.

Jedno z kolies, hnacie, je poháňané cez spojku elektromotorom. Otáčaním ozubených kolies sa v mieste, kde kolesá vychádzajú zo záberu, neustále otvárajú nové zubové medzery. Tým vzniká v týchto miestach malý podtlak. Atmosférický tlak na hladinu nádrže vytláča kvapalinu do sacieho priestoru generátora. Kvapalina zapĺňa zubové medzery na obvode kolies a je dopravovaná do výtlačného priestoru. Sací účinok zubových generátorov je veľmi malý. Najlepšie pracujú, ak sú ponorené pod hladinu kvapaliny v nádrži. Je jasné, že všetka kvapalina dopravovaná zubnými medzerami sa nevytlačí do výtlačného potrubia. Obvodovými a bočnými vôľami medzi kolesami a skriňou sa časť kvapaliny v dôsledku tlakového spádu medzi nasávaním a výtlakom vracia späť do nasávania. Toto „stratené“ množstvo kvapaliny určuje tzv. objemovú účinnosť generátorov, teda pomer medzi množstvom teoreticky dodávaným a skutočne vytlačeným. Objemová účinnosť jednoduchých generátorov je asi 0,75, pri konštrukciách s vymedzovaním vôlí sa dosahuje účinnosť cez 0,9. Mechanická účinnosť je asi 0,95.

 

Záver

Jednotlivé zložky hydrauliky, ktoré vyžadujú pravidelnú kontrolu a údržbu, sú elektromotor a rozvodové časti potrubia. Motor treba kontrolovať po každých 5 000 hodinách prevádzkovania. Prevádzkové tlakové nastavenia potrubia treba kontrolovať denne a nastaviť podľa potreby.

V prípade potreby znovunastavenia hodnoty nízkeho tlaku, teda minimálnej hodnoty tlaku, pri ktorom bude prebiehať recirkulácia oleja a prípadné prestrely krehkých a chúlostivých materiálov, sa nastaví nízkotlakový kontrolný ventil na hodnotu podľa displeja a uzamkne sa uzatváracou maticou.

Podobný postup sa volí aj pri nastavení vysokého tlaku, ktorým sa bude rezať v prevádzkovom režime a nakoniec sa nastaví vysokotlakový kontrolný ventil na hodnotu podľa displeja a uzamkne sa uzatváracou maticou.

Nízkotlakový a vysokotlakový nastavovací kontrolný ventil sú umiestnené na prietokovom difúzore olejového hydraulického čerpadla.

Hydraulický systém vysokotlakového čerpadla pre technológiu vodného lúča je najdôležitejšou časťou čerpadla, lebo poháňa samotný multiplikátor, ktorý tlakuje vodu na požadovaný (nastavený) tlak pre proces rezania hydroeróziou. Správnosť nastavenia hydraulického systému podstatne vplýva na celkovú kvalitu reznej plochy výrobku.

 

Poďakovanie

Tento článok bol vytvorený realizáciou projektu VEGA č. 1/0396/11 .

 

Literatúra

[1] Vasilko K., Kmec J.: Delenie materiálu. DATAPRESS Prešov, Prešov 2003, 232 st. ISBN 80-7099-903-9.

[2] Kmec,J., Sobotová,L.: Progresívne delenie hydroeróziou, 2011.In: Strojírenská technologie – Plzeň 2011: IV. ročník mezinárodní konference: 25. - 26.1.2011: Plzeň, Česká republika – Plzeň: ZČU v Plzni, 2011 S.. 1 - 6. ISBN 978-80-7043-934-0.

[3] Badida, M., Majerník, M., Šebo, D., Hodolič, J.: Strojárska výroba a životné prostredie. Vienala Košice, 2001,s.253, ISBN 80- 7099-695-1

[4] Kmec, J., Sobotová, L.: Delenie hydroerózneho lúča – 1 elektronický optický disk (CD-ROM), in: Trendy a inovatívne prístupy v podnikových procesoch: 12. medzinárodná vedecká konferencia: zborník príspevkov v elektronickej forme: Košice, december 2009: TU, SjF, 2009 s. 1 – 5, ISBN 978-80-553-0330-7.

[5] Kmec, J., Sobotová, L.: Vodný lúč 25 rokov na Slovensku. In: Transfer inovácií. Č. 18 (2010), s. 160 – 164, ISSN 1337-7094 , prístup: www.sjf.tuke.sk/transfer-inovacii/.

[6] Kmec, J., Sobotová,L. Bičejová,Ľ.: Kategórie faktorov vplývajúcich na hydroeróziu, 2010, 1. elektronický optický disk (CD-ROM), In: Trendy a inovatívne prístupy v podnikových procesoch: 13. medzinárodná vedecká konferencia: zborník príspevkov: 8. 12. 2010, Košice: SjF TU, 2010 s. 1 – 10, ISBN 978-80-553-0570-7

[7] Kmec, J. : Skúsenosti s automatizáciou procesu delenia materiálov novými technológiami. 1. medzinárodný seminár IDEE 9. Trenčín 1994, 6 st.

[8] Kollárová, M., Kmec, J.: Analysis of enviromental system for recycling abrasive  Material used in waterjet cutting, 11th Conference on Environment and Minereal  Processing – Part III. Ostrava 2007, ISBN 978-80-248-1431-5. str. 227 – 230.

[9] Hloch S., Fabian, S.:  Modeling of abrasive waterjet cutting process by means of full Factorial design. In.: The 47 th Conference on Simulation and Modeling. Helsinky. September 2006, Suomi.

 

TEXT/ FOTO: doc. Ing. Ján Kmec, CSc., Dr.h.c. Prof. Ing. Miroslav Badida, PhD., doc. Ing. Lýdia Sobotová, PhD., KTaM, SjF, TU v Košiciach