周鋒

摘 要：介紹水刺用高壓泵的工作原理，不同水刺產(chǎn)品對水刺數(shù)量壓力的要求。舉例說明水刺用高壓泵流量、電機(jī)功率的計(jì)算及選型。

關(guān)鍵詞：水刺;高壓泵;曲軸;柱塞;流量;壓力;功率

一、引言

近二十年來水刺非織造布生產(chǎn)線呈多元化迅速發(fā)展，僅國內(nèi)各種各樣的水刺非織造布生產(chǎn)線300條以上，年產(chǎn)量達(dá)60萬噸以上。高壓泵作為水刺非織造布生產(chǎn)線的“心臟”，重要性不言而喻。

二、高壓泵的工作原理

水刺非織造布生產(chǎn)線通常采用三柱塞往復(fù)式高壓泵：使用壓力5～50MPa，使用流量200～1000L/min，柱塞直徑60～80mm，行程20～120mm。個(gè)別流量需求較大的生產(chǎn)線也采用四柱塞或者更多柱塞，流量可以達(dá)到1000L/min以上。高壓泵主要由底座、電機(jī)、聯(lián)軸器、傳動(dòng)箱、泵頭及其他附件等組成。

如下圖一、圖二所示為某進(jìn)口品牌的三柱塞往復(fù)式高壓泵的傳動(dòng)箱的兩個(gè)方向的剖面圖。電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)軸頭轉(zhuǎn)動(dòng)，軸頭通過齒輪副降速后帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)。曲軸圓周上均布三組連桿，連桿通過銷軸與連接桿連接。當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過三組連桿帶動(dòng)連接桿依次做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。箱體下方形成油池對傳動(dòng)件進(jìn)行潤滑。

如下圖三所示為某進(jìn)口品牌的三柱塞往復(fù)式高壓泵泵頭的剖面圖。連接桿與柱塞連接并帶動(dòng)柱塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)柱塞推向閥組時(shí)，下方低壓閥關(guān)閉，上方高壓閥打開，柱塞推動(dòng)腔內(nèi)水流通過出液口輸出高壓。當(dāng)柱塞遠(yuǎn)離閥組時(shí)，上方高壓閥關(guān)閉，下方低壓閥打開，低壓水流通過進(jìn)液口充入。高壓泵通過三個(gè)柱塞配合三個(gè)閥組的動(dòng)作形成脈沖式高壓水流。

高壓泵通常設(shè)有一些輔助功能以保障高壓泵的穩(wěn)定工作。傳動(dòng)箱外部設(shè)有油位視窗，傳動(dòng)箱內(nèi)潤滑油油位必須在視窗刻度范圍內(nèi)，以保證傳動(dòng)件的潤滑充分，高壓泵通常使用運(yùn)動(dòng)粘度為220m2/s的齒輪油。傳動(dòng)箱外部設(shè)有冷卻箱，通過接入冷卻水以達(dá)到降低傳動(dòng)箱內(nèi)油溫的目的。傳動(dòng)箱底部油池設(shè)有溫度傳感器對油溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以防止傳動(dòng)箱溫度過高對傳動(dòng)件使用壽命造成影響，通常高壓泵要求油溫不高于80℃。傳動(dòng)箱外部設(shè)有油泵與曲軸直連，箱體下部潤滑油通過油泵加壓對傳動(dòng)件進(jìn)行冷卻，油泵出口通過管道連接壓力開關(guān)（或者壓力變送器）對油壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以保證潤滑油的壓力符合設(shè)計(jì)要求，通常高壓泵要求油壓0.2～0.8MPa，為保證油壓滿足使用，高壓泵長時(shí)間運(yùn)行時(shí)會(huì)要求電機(jī)的最低轉(zhuǎn)速。

低壓水腔通過管道連接壓力開關(guān)（或者壓力變送器）對進(jìn)水壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以保證進(jìn)水壓力符合設(shè)計(jì)要求，通常高壓泵要求進(jìn)水壓力0.3～0.6MPa。低壓水腔下方與氣囊連接，以減輕低壓閥開關(guān)過程中造成的水流脈沖震動(dòng)，氣囊充氣壓力通常設(shè)定為進(jìn)水壓力的70%左右。

三、水刺壓力的選擇

水刺非織造布是纖維網(wǎng)通過高壓水流的多次打擊進(jìn)行纏結(jié)而形成的，所以產(chǎn)品克重、生產(chǎn)速度、纏結(jié)效果、布面風(fēng)格都是影響生產(chǎn)線水刺數(shù)量和壓力的因素。產(chǎn)品克重越高、生產(chǎn)速度越快、纏結(jié)效果越好所需水刺數(shù)量越多壓力越大。平紋、提花、打孔等不同的布面風(fēng)格也對水刺數(shù)量和壓力有不同的要求。

下表舉例列出家用擦拭布、醫(yī)用純棉布、墻布、革基布等原料為棉型短纖維（或棉纖維）的普通水刺非織造布產(chǎn)品在不同克重時(shí)產(chǎn)品纏結(jié)成布所需水刺數(shù)量和壓力：

一些特殊產(chǎn)品則對水刺數(shù)量和壓力有不同的要求，需要根據(jù)實(shí)際需求確定水刺數(shù)量和壓力。例如：中空纖維需要用20～30MPa的水刺壓力對纖維進(jìn)行多次打擊才能很好的對纖維進(jìn)行裂解而形成超細(xì)纖維;化妝棉則只能用不超過6MPa水刺壓力多次打擊才能形成既不分層又非常蓬松的布面風(fēng)格;木漿濕法成網(wǎng)與棉型短纖維網(wǎng)復(fù)合同樣需要較低壓力多次打擊才能成布。

四、流量的計(jì)算

水刺流量與壓力的開平方和水流截面積直接成正比。水刺壓力根據(jù)生產(chǎn)線生產(chǎn)工藝需求確定。水流截面積與水針板開孔數(shù)量和孔徑成正比。

以2.5m水刺機(jī)水刺壓力10MPa，所用水針板有效寬度2500mm孔徑0.12mm孔間距0.6mm為例列出水刺流量計(jì)算步驟。

壓力P=10MPa

孔數(shù)a=2500mm/0.6=4167

孔徑d=0.12mm

水流截面積S=a×πd2/4=47.1mm2

水流截面當(dāng)量直徑D==7.75mm

流量系數(shù)u=0.6

流量Q=2.1uD2√P=2.1×0.6×60×3.16=239L/min

上面流量的計(jì)算公式僅在壓力5MPa～30MPa經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，流量系數(shù)大小需根據(jù)不同設(shè)備及供水管路系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。

五、電機(jī)功率的計(jì)算

高壓泵所需功率與壓力及流量直接成正比。以水刺壓力P=100Pa、流量Q=239L/min為例列出高壓泵電機(jī)功率計(jì)算步驟。

功率系數(shù)m=0.75

電機(jī)功率N=mPQ/385=0.75×100×239/385=47kW

選擇電機(jī)功率55kW>47kW

在上面電機(jī)功率計(jì)算過程中必須滿足的條件是高壓泵額定最大流量正好是239L/min。而在選擇高壓泵時(shí)考慮到水針板針孔的誤差、磨損等因素必須選擇高壓泵額定最大流量大于239L/min。

例如選擇一款三柱塞往復(fù)式高壓泵柱塞直徑70mm，行程70mm，曲軸額定最高轉(zhuǎn)速400r/min，該高壓泵額定最大流量Q1=3×π×352×70×400/1000000=323L/min。電機(jī)功率必須按照高壓泵額定最大流量重新計(jì)算：N1=mPQ1/385=0.75×100×323/385=63kW。選擇電機(jī)功率75kW>63kW。

高壓泵所需電機(jī)功率由兩個(gè)主要參數(shù)壓力和流量決定：電流的大小由曲軸所傳遞的扭矩決定，曲軸的扭矩由柱塞的直徑和壓力決定;變頻器根據(jù)曲軸的轉(zhuǎn)速整頻后輸出電壓隨之變化，曲軸的轉(zhuǎn)速由柱塞運(yùn)行的頻率（即實(shí)際使用的流量）決定。

六、結(jié)束語

目前國內(nèi)水刺非織造布生產(chǎn)線所使用的高壓泵品牌較多，有以URACA為代表的進(jìn)口品牌，也有無錫、天津等地所生產(chǎn)的國產(chǎn)品牌。國產(chǎn)品牌與進(jìn)口品牌相比在設(shè)備的可靠性方面仍存在一定的差距。例如：介質(zhì)的震動(dòng)，軸頭的油密封，連接桿的油密封，柱塞的水密封，閥組彈簧的使用壽命等在使用過程中仍然存在很大的問題。所以，國內(nèi)高壓泵供應(yīng)商需要進(jìn)一步克服這些存在的隱患，才能以價(jià)格優(yōu)勢取代進(jìn)口品牌，間接地推動(dòng)水刺非織造布產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。