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Hochdruckpumpen erzeugen bedarfsgerecht scharfes Wasser

08.03.2010
Hoch- und Höchstdruckpumpen haben ihre Zuverlässigkeit bereits unter Beweis gestellt, so auch beim Wasserstrahlschneiden. Die Entwicklung zeigt in Richtung höhere Betriebsdrücke. Doch zwischen dem konkreten Anwendungsfall, dem Verbrauch an Abrasivmittel und dem Verschleiß gilt es, eine Balance zu finden.

Anwendung finden Hoch- und Höchstdruckpumpen nicht nur beim klassischen Einsatz als Druckerzeuger für das Wasserstrahlschneiden, sondern auch als Pumpen für die Einspritzung und Dosierung von Peroxiden in LDPE-Anlagen (Low Density Polyethylene) bis etwa 3500 bar, für die Druckprüfung von Ventilen und Komponenten in der chemischen und petrochemischen Industrie bis 5500 bar wie auch für die sogenannte Autofrettage (Höchstdruckverfahren, bei dem meist dickwandige Zylinder mit Innendruck über die Elastizitätsgrenze des Materials belastet werden, dies führt zur Standzeiterhöhung des Bauteils) mit Betriebsdrücken bis 12000 bar und teilweise auch noch darüber. Wie bereits erwähnt, liegt die Hauptanwendung von Hochdruckpumpen auf dem Gebiet des Wasserstrahlschneidens.

Abrasivmittel erweitert Möglichkeiten beim Wasserstrahlschneiden

Seit Anfang der 70er Jahre wird das Schneiden mit dem puren Wasserstrahl angewendet. Von Anfang bis Mitte der 80er Jahre gab es einen Innovationsschub. Dem reinen Wasserstrahl wurde noch Abrasivmittel, wie beispielsweise Granatsand, beigemengt. Mit dem sogenannten Wasserabrasivstrahl konnte die Schneidleistung vervielfacht werden.

Damit eröffnete sich auch ein wesentlich größeres Anwendungsgebiet. Konnten mit dem Wasserstrahl lediglich Papier, Leder, Kunststoffe, Schaumstoffe und Lebensmittel geschnitten werden, ist der Wasserabrasivstrahl imstande, außer Korund und Diamant nahezu alle Materialien zu trennen. Dabei liegt die Anwendungsgrenze in Bezug auf Materialdicke bei etwa 300 mm. In den letzten Jahren hat sich das Wasserstrahl- und Wasserabrasivstrahlschneiden als fester Bestandteil in der Fertigungstechnik etabliert und erobert sich nahezu täglich neue Einsatzgebiete.

Verschiedene Antriebskonzepte entscheiden über den Einsatz

Das Herzstück jeder Wasserstrahlschneidanlage ist unangefochten die Hochdruckpumpe. Kamen ursprünglich nur Pumpen zum Einsatz, die nach dem sogenannten Druckübersetzerprinzip arbeiteten, werden bereits seit mehreren Jahren auch schon direkt angetriebene Hochdruckpumpen (Dreikolbenpumpenprinzip) eingesetzt. Für die Anwendung beim Wasserstrahl- und Wasserabrasivstrahlschneiden gibt es bei den Pumpen grundsätzlich drei Antriebskonzepte:

-konventionelle Druckübersetzer,

-gephaste Druckübersetzer und

-direkt angetriebene Pumpen.

Konventionelle Druckübersetzer arbeiten nach dem Prinzip des oszillierenden Gleichgangzylinders, bei dem ein hydraulischer Antriebskolben (ölseitig) beiderseits mit einem Plunger (wasserseitig) verbunden ist. Ein Elektromotor treibt eine Hydraulikpumpe (meist Axialkolbenpumpe) an.

Hochdruckplunger komprimiert das Speisewasser bei konventionellem Druckübersetzer

Der Ölstrom wird zum Antriebskolben des Druckübersetzers geleitet. Das Speisewasser wird dem Druckübersetzer mit einem Vordruck von mindestens 3 bar zugeführt, gelangt über das Saugventil in den Hochdruckzylinder, wird über den Hochdruckplunger komprimiert, über das Druckventil in die Hochdruckleitung ausgelassen und zum Verbraucher, der Wasserdüse, geführt.

Die Druckerhöhung erfolgt abhängig vom Flächenübersetzungsverhältnis zwischen Antriebskolben und Hochdruckplunger. Das ergibt bei einem üblichen Verhältnis von 1:20 bei einem hydraulischen Antriebsdruck von 200 bar auf der Hochdruckseite einen Wasserdruck von etwa 4000 bar.

Pumpen mit 11 bis 110 kW Antriebsleistung für das Wasserstrahlschneiden

Werden höhere Betriebsdrücke gewünscht, kann dies einerseits durch Druckerhöhung im ölhydraulischen Antriebsteil erfolgen oder andererseits durch Vergrößerung des Flächenübersetzungsverhältnisses zwischen Öl- und Wasserseite. Diese Pumpenart wird bis dato am häufigsten für das Wasserstrahlschneiden eingesetzt. Die Antriebsleistungen liegen zwischen 11 und 110 kW.

Der Kolben und die damit verbundenen Plunger oszillieren mit einer Frequenz von etwa 0,5 Hz. Dabei wird der Druck in den beiden Hochdruckzylindern des Druckübersetzers innerhalb von etwa 80 ms von etwa 3 bar (Vordruck) auf bis zu 4000 bar (Betriebsdruck) erhöht. Abhängig vom Plungerdurchmesser, beträgt die Fördermenge pro Druckübersetzer etwa 4 l/min.

Zweiter Druckübersetzer verdoppelt Wassermenge zum Wasserstrahlschneiden

Soll die Wassermenge, die für das Schneiden zur Verfügung steht, erhöht werden, kann dies durch den Einbau eines zweiten Druckübersetzers erfolgen. Damit wird die Fördermenge verdoppelt und es können entweder mehrere Düsen gleichzeitig oder Schneiddüsen mit größeren Durchmessern eingesetzt werden.

Um die Druckeinbrüche zu reduzieren, die beim Umschalten in der jeweiligen Endlage entstehen, wird nach dem Druckübersetzer ein Pulsationsdämpfer eingebaut. Bei einem Betriebsdruck von 4000 bar beträgt die Kompressibilität von Wasser etwa 12%. Dieser Effekt wird im Pulsationsdämpfer genutzt und ein Teil des gespeicherten Wasservolumens wird während der Umschaltphase abgegeben.

Druck der Hochdruckpumpe über Pulsationsdämpfer steuern

Dabei hat das Speichervolumen des Pulsationsdämpfers einen wesentlichen Einfluss auf die Druckschwankungen. An einer Hochdruckpumpe mit einer Antriebsleistung von 37 kW wurden bei 4000 bar und einer Wasserdüse mit Durchmesser 0,35 mm Druckmessungen durchgeführt.

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. 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.

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).

Franz Trieb | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/betriebstechnik/pumpenarmaturenrohrleitungen/articles/253925/

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