水刺生產線高壓泵的選用

周鋒

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

關鍵詞：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線呈多元化迅速發展，僅國內各種各樣的水刺非織造布生產線300條以上，年產量達60萬噸以上。高壓泵作為水刺非織造布生產線的“心臟”，重要性不言而喻。

二、高壓泵的工作原理

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

如下圖一、圖二所示為某進口品牌的三柱塞往復式高壓泵的傳動箱的兩個方向的剖面圖。電機通過聯軸器帶動軸頭轉動，軸頭通過齒輪副降速后帶動曲軸轉動。曲軸圓周上均布三組連桿，連桿通過銷軸與連接桿連接。當曲軸轉動時通過三組連桿帶動連接桿依次做直線往復運動。箱體下方形成油池對傳動件進行潤滑。

如下圖三所示為某進口品牌的三柱塞往復式高壓泵泵頭的剖面圖。連接桿與柱塞連接并帶動柱塞做往復運動。當柱塞推向閥組時，下方低壓閥關閉，上方高壓閥打開，柱塞推動腔內水流通過出液口輸出高壓。當柱塞遠離閥組時，上方高壓閥關閉，下方低壓閥打開，低壓水流通過進液口充入。高壓泵通過三個柱塞配合三個閥組的動作形成脈沖式高壓水流。

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

低壓水腔通過管道連接壓力開關（或者壓力變送器）對進水壓力進行實時監測，以保證進水壓力符合設計要求，通常高壓泵要求進水壓力0.3～0.6MPa。低壓水腔下方與氣囊連接，以減輕低壓閥開關過程中造成的水流脈沖震動，氣囊充氣壓力通常設定為進水壓力的70%左右。

三、水刺壓力的選擇

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

下表舉例列出家用擦拭布、醫用純棉布、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品在不同克重時產品纏結成布所需水刺數量和壓力：

一些特殊產品則對水刺數量和壓力有不同的要求，需要根據實際需求確定水刺數量和壓力。例如：中空纖維需要用20～30MPa的水刺壓力對纖維進行多次打擊才能很好的對纖維進行裂解而形成超細纖維;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格;木漿濕法成網與棉型短纖維網復合同樣需要較低壓力多次打擊才能成布。

四、流量的計算

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

以2.5m水刺機水刺壓力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算步驟。

壓力P=10MPa

孔數a=2500mm/0.6=4167

孔徑d=0.12mm

水流截面積S=a×πd2/4=47.1mm2

水流截面當量直徑D==7.75mm

流量系數u=0.6

流量Q=2.1uD2√P=2.1×0.6×60×3.16=239L/min

上面流量的計算公式僅在壓力5MPa～30MPa經過實際驗證，流量系數大小需根據不同設備及供水管路系統進行調整。

五、電機功率的計算

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功率計算步驟。

功率系數m=0.75

電機功率N=mPQ/385=0.75×100×239/385=47kW

選擇電機功率55kW>47kW

在上面電機功率計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式高壓泵柱塞直徑70mm，行程70mm，曲軸額定最高轉速400r/min，該高壓泵額定最大流量Q1=3×π×352×70×400/1000000=323L/min。電機功率必須按照高壓泵額定最大流量重新計算：N1=mPQ1/385=0.75×100×323/385=63kW。選擇電機功率75kW>63kW。

高壓泵所需電機功率由兩個主要參數壓力和流量決定：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;變頻器根據曲軸的轉速整頻后輸出電壓隨之變化，曲軸的轉速由柱塞運行的頻率（即實際使用的流量）決定。

六、結束語

目前國內水刺非織造布生產線所使用的高壓泵品牌較多，有以URACA為代表的進口品牌，也有無錫、天津等地所生產的國產品牌。國產品牌與進口品牌相比在設備的可靠性方面仍存在一定的差距。例如：介質的震動，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，國內高壓泵供應商需要進一步克服這些存在的隱患，才能以價格優勢取代進口品牌，間接地推動水刺非織造布產業的發展。