Se considera que las máquinas de corte por chorro de agua con abrasivo presentan la tecnología más innovadora de corte que permite cortar casi todos los materiales. El agua bajo presión de 3.000 a 4.000 bares se utiliza para dispersar los granos de arena de abrasivo. El proceso de corte se clasifica como corte con chorro abrasivo. Para obtener una presión de agua tan alta se utilizan dos tipos de bombas. Las bombas más populares son aquellas con un intensificador de presión hidráulica; Otras construcciones son bombas de cigüeñal que utilizan soluciones similares a los compresores de pistón.
Los fabricantes de máquinas de corte por chorro de agua están tratando de demostrar que su solución es la mejor desde el punto de vista del usuario. Los beneficios potenciales se ven afectados por muchos factores, que a menudo causan una mala comprensión de los parámetros y las posibilidades y limitaciones de las soluciones individuales. En este documento, se realizará una comparación sustancial entre el intensificador de presión y las bombas de cigüeñal y se presentará el impacto de su diseño en la calidad de corte y los costos operativos. Para la comparación, se han utilizado los datos disponibles en los sitios web oficiales de fabricantes seleccionados de ambos tipos de bombas.
Capacidad y potencia
Al comparar los parámetros de las bombas, debe prestar atención a las condiciones de corte bajo las cuales se dan los parámetros de capacidad y presión. Ocurre que algunos fabricantes proporcionan la capacidad de la bomba en relación con el suministro de agua a baja presión, mientras que otros proporcionan la salida de la bomba a la presión máxima. Debido a la compresibilidad del agua (que comienza a ser de gran importancia a una presión tan alta), estas diferencias pueden alcanzar hasta el 20%. Por ejemplo, una bomba de cigüeñal popular con una potencia de 22kW tiene una capacidad de 3.8l / min en el suministro, pero en la salida la capacidad es máxima de 3.2l / min. También se debe tener en cuenta que las potencias de los tipos individuales de bombas pueden variar considerablemente. Pero no podemos considerar el costo de operación solo en base a la energía consumida por la red de energía. La velocidad de corte en una máquina de corte por chorro de agua depende en gran medida de la cantidad de energía suministrada al cabezal, que está directamente relacionada con la presión y la capacidad de la bomba. El aumento de la presión da como resultado un aumento de la velocidad de corte, lo que hace que los costos de energía más altos se compensen con una duración más corta de cortar un detalle particular, lo que da un costo comparable de electricidad para bombas con diferentes potencias basadas en el corte de un detalle particular. Sin embargo, cortar a una presión más alta proporciona algunos ahorros específicos en relación con el consumo del abrasivo o granate. Es solo el consumo de arena el que genera los costos más altos y, a menudo, representa más de la mitad de todos los costos de mano de obra de las máquinas de corte por chorro de agua, por lo que es importante minimizar su consumo en función de un detalle. Es muy importante también el hecho de que ahorramos tiempo con velocidades de corte más elevadas.
La capacidad de salida de una bomba de muestra con una potencia de 37kW (50HP) y con un intensificador a una presión máxima de 4.150 bar es de 4.16l / min, lo que proporciona una potencia de aproximadamente 29kW a la boquilla inyectora (presión * capacidad / constante 600), por lo que la eficiencia es 78%. Mientras que la capacidad de una bomba de manivela de 22kW (30HP) de muestra a una presión máxima de 3.450bar es 3.2l / min, lo que le da una potencia de aproximadamente 18kW a la boquilla inyectora, por lo que la eficiencia es del 82%. Sin embargo, en este caso, debe considerar pérdidas adicionales en el inversor que alimenta el motor de la bomba del cigüeñal en un nivel del 5%, lo que proporciona un 77% de eficiencia. Cuando el motor de la bomba es alimentado por el convertidor de frecuencia (inversor), aparece el problema del alto nivel de armónicos de corriente y que resulta del funcionamiento impulsivo del rectificador en el inversor, lo que puede provocar pérdidas excesivas en los cables e interferencia a otros dispositivos conectados a la misma red eléctrica.
Desgaste de las juntas y retenes
El desgaste del sellado de las juntas y retenes es un factor bastante importante para generar costos a presiones de mil bares. Cada carrera del pistón genera desgaste de los materiales de sellado que periódicamente deben reemplazarse. Debido al accionamiento directo de un motor eléctrico, la frecuencia de los golpes en las bombas del cigüeñal es decenas de veces por segundo, lo que establece altos estándares para el sellado y la calidad del agua. El uso del sistema de tratamiento de agua se hace necesario, lo que permite lograr un tiempo aceptable entre el reemplazo de las juntas y retenes. En bombas con intensificadores de presión, el ciclo de operación es de aproximadamente dos segundos, lo que aumenta considerablemente la vida útil de las juntas y retenes y, en la mayoría de los casos, permite eliminar los sistemas de tratamiento de agua que son costosos de mantener.
Enfriamiento
Debido al proceso de funcionamiento y a las potencias elevadas empleadas en las bombas de las máquinas de corte por chorro de agua, es necesario utilizar un sistema de enfriamiento. Un ejemplo de bomba de cigüeñal se enfría en el sistema abierto, lo que significa que, aparte del agua que se consume para cortar, se consume una cantidad significativamente mayor de agua para enfriar y luego se descarga a la alcantarilla. Las bombas con un intensificador generalmente tienen un circuito cerrado de enfriamiento en el que el aceite se enfría mediante un intercambiador de calor con un ventilador. En este caso, no se consume medio refrigerante. Además, el uso del intercambiador de calor en invierno permite el uso de energía para el calentamiento de las instalaciones.
Ajuste de la presión
En esta bomba de manivela en particular, el fabricante declara el rango de ajuste de capacidad de 1.5 a 3.2 litros por minuto, lo que brinda la posibilidad de ajustar la presión para un orificio típico en el rango de 1.600 a 3.450bar. Este ajuste es posible con un convertidor de frecuencia incorporado. Tenga en cuenta que la eficiencia energética de dicha potencia disminuye al disminuir la velocidad del motor debido al fenómeno de deslizamiento que ocurre en los motores de inducción. El ajuste de la presión es esencial, particularmente para cortar o perforar materiales frágiles como el vidrio o la piedra. Estos materiales a menudo requieren una reducción de presión a 500 bar en la perforación, que en el caso de las bombas de manivela es imposible. Alguna solución es usar un cabezal especial que use solo una parte de la energía suministrada por la bomba. En soluciones con un intensificador, el ajuste de presión se realiza a través de la bomba de aceite con presión controlada y capacidad variable. Las bombas más modernas con intensificador permiten ajustar la presión en el rango de 500 bar. El motor gira a una velocidad constante y el control se obtiene ajustando el desplazamiento del anillo de la bomba de aceite cambiando la carga en el eje del motor. Con esta solución, el motor aún puede operar en el área óptima de sus características y el rango de ajuste puede ser muy amplio.
Velocidad de reacción
Las máquinas para corte por chorro de agua, debido a sus características de operación, requieren encender y apagar el chorro con frecuencia para pasar a la siguiente pieza. Ambos sistemas realizan esta tarea de manera similar. Usando aire comprimido, la válvula en el cabezal de corte se abre y se cierra. Sin embargo, las bombas se comportan de manera diferente ahora. Una bomba con un intensificador, gracias a las bajas velocidades de movimiento, tiene la capacidad de detenerse inmediatamente y cambiar a un modo inactivo en el que la bomba de aceite, debido a la falta de movimiento, reduce la carga del motor a un modo inactivo. Debido a la gran inercia de la velocidad de los elementos giratorios, las bombas de cigüeñal no pueden detenerse de inmediato. El problema se ha resuelto utilizando una válvula de alivio de presión que no permite romper el sistema después de cerrar el cabezal y un aumento repentino de la presión. Tal solución no proporciona un rendimiento óptimo porque la bomba no puede dejar de absorber energía inmediatamente durante los movimientos entre los elementos que se cortan.
Otros costos
Una de las diferencias más importantes entre las bombas de cigüeñal y las bombas con un intensificador de presión es la frecuencia de golpes de pistones en cilindros de alta presión. En las bombas con intensificador, esta frecuencia es de aproximadamente 0,5 Hz, es decir, 1 ciclo cada 2 segundos, mientras que, en las bombas de cigüeñal accionadas directamente desde el motor, la frecuencia es varias veces mayor. Cada golpe genera un desgaste unitario de las juntas y retenes, por lo que cuanto mayor es la frecuencia de los golpes, más rápido se desgastan. La calidad del agua también tiene un gran impacto en el desgaste. En el caso de las bombas de cigüeñal, esto lleva a la necesidad de equipos de tratamiento de agua adicionales, lo que genera mayores costos. Las bombas con intensificador no son tan sensibles a la calidad del agua y en la mayoría de los casos la aplicación del tratamiento es innecesaria.
Resumen
Actualmente, estas bombas intensificadoras de presión son las que dominan el sector entre los fabricantes de máquinas CNC de corte por chorro de agua. Esto se debe a que consideraron que las oportunidades para el desarrollo de bombas con un accionamiento de manivela terminaron con presiones de 3.800 bar y potencias de 30 kW. Las bombas con intensificador se modifican y desarrollan constantemente y el mejor ejemplo es la introducción gradual del estándar de 6.000 bar en las máquinas de corte por chorro de chorro de agua. Los intensificadores de las bombas se producen con potencias de 18 a 200kW. La ventaja más importante de las bombas de cigüeñal son los costos de producción sustancialmente más bajos, lo que permite su uso en máquinas destinadas a empresas semiprofesionales, donde se utilizarán ocasionalmente y donde los costos de mano de obra y operación no son significativos. Si una empresa requiere la capacidad de competir en el mercado a nivel global o si el proceso de corte por chorro de agua se utilizará de forma contínua, definitivamente debe invertir en una máquina de corte por chorro de agua específica con una bomba intensificadora de presión.
Bombas de cigüeñal:
Ventajas:
– Trabaja de forma más silenciosa
– Tamaños más pequeños
– Emplea menor cantidad de aceite
– Es más barato de fabricar
Desventajas
– Altos costos de operativos
– Presiones más bajas y menor capacidad
– Sistema de enfriamiento abierto
– Posibilidad limitada de ajustar la presión
– Pérdidas de energía en el inversor
– Necesidad de tratamiento de agua
Bombas intensificadoras de presión:
Ventajas:
– Menores costos de operativos
– Mayor vida útil de las juntas y retenes
– Posibilidad de ajustar la presión en un amplio rango