水刺生产线高压泵的选用

周锋

摘 要：介绍水刺用高压泵的工作原理，不同水刺产品对水刺数量压力的要求。举例说明水刺用高压泵流量、电机功率的计算及选型。

关键词：水刺;高压泵;曲轴;柱塞;流量;压力;功率

一、引言

近二十年来水刺非织造布生产线呈多元化迅速发展，仅国内各种各样的水刺非织造布生产线300条以上，年产量达60万吨以上。高压泵作为水刺非织造布生产线的“心脏”，重要性不言而喻。

二、高压泵的工作原理

水刺非织造布生产线通常采用三柱塞往复式高压泵：使用压力5～50MPa，使用流量200～1000L/min，柱塞直径60～80mm，行程20～120mm。个别流量需求较大的生产线也采用四柱塞或者更多柱塞，流量可以达到1000L/min以上。高压泵主要由底座、电机、联轴器、传动箱、泵头及其他附件等组成。

如下图一、图二所示为某进口品牌的三柱塞往复式高压泵的传动箱的两个方向的剖面图。电机通过联轴器带动轴头转动，轴头通过齿轮副降速后带动曲轴转动。曲轴圆周上均布三组连杆，连杆通过销轴与连接杆连接。当曲轴转动时通过三组连杆带动连接杆依次做直线往复運动。箱体下方形成油池对传动件进行润滑。

如下图三所示为某进口品牌的三柱塞往复式高压泵泵头的剖面图。连接杆与柱塞连接并带动柱塞做往复运动。当柱塞推向阀组时，下方低压阀关闭，上方高压阀打开，柱塞推动腔内水流通过出液口输出高压。当柱塞远离阀组时，上方高压阀关闭，下方低压阀打开，低压水流通过进液口充入。高压泵通过三个柱塞配合三个阀组的动作形成脉冲式高压水流。

高压泵通常设有一些辅助功能以保障高压泵的稳定工作。传动箱外部设有油位视窗，传动箱内润滑油油位必须在视窗刻度范围内，以保证传动件的润滑充分，高压泵通常使用运动粘度为220m2/s的齿轮油。传动箱外部设有冷却箱，通过接入冷却水以达到降低传动箱内油温的目的。传动箱底部油池设有温度传感器对油温进行实时监测，以防止传动箱温度过高对传动件使用寿命造成影响，通常高压泵要求油温不高于80℃。传动箱外部设有油泵与曲轴直连，箱体下部润滑油通过油泵加压对传动件进行冷却，油泵出口通过管道连接压力开关（或者压力变送器）对油压进行实时监测，以保证润滑油的压力符合设计要求，通常高压泵要求油压0.2～0.8MPa，为保证油压满足使用，高压泵长时间运行时会要求电机的最低转速。

低压水腔通过管道连接压力开关（或者压力变送器）对进水压力进行实时监测，以保证进水压力符合设计要求，通常高压泵要求进水压力0.3～0.6MPa。低压水腔下方与气囊连接，以减轻低压阀开关过程中造成的水流脉冲震动，气囊充气压力通常设定为进水压力的70%左右。

三、水刺压力的选择

水刺非织造布是纤维网通过高压水流的多次打击进行缠结而形成的，所以产品克重、生产速度、缠结效果、布面风格都是影响生产线水刺数量和压力的因素。产品克重越高、生产速度越快、缠结效果越好所需水刺数量越多压力越大。平纹、提花、打孔等不同的布面风格也对水刺数量和压力有不同的要求。

下表举例列出家用擦拭布、医用纯棉布、墙布、革基布等原料为棉型短纤维（或棉纤维）的普通水刺非织造布产品在不同克重时产品缠结成布所需水刺数量和压力：

一些特殊产品则对水刺数量和压力有不同的要求，需要根据实际需求确定水刺数量和压力。例如：中空纤维需要用20～30MPa的水刺压力对纤维进行多次打击才能很好的对纤维进行裂解而形成超细纤维;化妆棉则只能用不超过6MPa水刺压力多次打击才能形成既不分层又非常蓬松的布面风格;木浆湿法成网与棉型短纤维网复合同样需要较低压力多次打击才能成布。

四、流量的计算

水刺流量与压力的开平方和水流截面积直接成正比。水刺压力根据生产线生产工艺需求确定。水流截面积与水针板开孔数量和孔径成正比。

以2.5m水刺机水刺压力10MPa，所用水针板有效宽度2500mm孔径0.12mm孔间距0.6mm为例列出水刺流量计算步骤。

压力P=10MPa

孔数a=2500mm/0.6=4167

孔径d=0.12mm

水流截面积S=a×πd2/4=47.1mm2

水流截面当量直径D==7.75mm

流量系数u=0.6

流量Q=2.1uD2√P=2.1×0.6×60×3.16=239L/min

上面流量的计算公式仅在压力5MPa～30MPa经过实际验证，流量系数大小需根据不同设备及供水管路系统进行调整。

五、电机功率的计算

高压泵所需功率与压力及流量直接成正比。以水刺压力P=100Pa、流量Q=239L/min为例列出高压泵电机功率计算步骤。

功率系数m=0.75

电机功率N=mPQ/385=0.75×100×239/385=47kW

选择电机功率55kW>47kW

在上面电机功率计算过程中必须满足的条件是高压泵额定最大流量正好是239L/min。而在选择高压泵时考虑到水针板针孔的误差、磨损等因素必须选择高压泵额定最大流量大于239L/min。

例如选择一款三柱塞往复式高压泵柱塞直径70mm，行程70mm，曲轴额定最高转速400r/min，该高压泵额定最大流量Q1=3×π×352×70×400/1000000=323L/min。电机功率必须按照高压泵额定最大流量重新计算：N1=mPQ1/385=0.75×100×323/385=63kW。选择电机功率75kW>63kW。

高压泵所需电机功率由两个主要参数压力和流量决定：电流的大小由曲轴所传递的扭矩决定，曲轴的扭矩由柱塞的直径和压力决定;变频器根据曲轴的转速整频后输出电压随之变化，曲轴的转速由柱塞运行的频率（即实际使用的流量）决定。

六、结束语

目前国内水刺非织造布生产线所使用的高压泵品牌较多，有以URACA为代表的进口品牌，也有无锡、天津等地所生产的国产品牌。国产品牌与进口品牌相比在设备的可靠性方面仍存在一定的差距。例如：介质的震动，轴头的油密封，连接杆的油密封，柱塞的水密封，阀组弹簧的使用寿命等在使用过程中仍然存在很大的问题。所以，国内高压泵供应商需要进一步克服这些存在的隐患，才能以价格优势取代进口品牌，间接地推动水刺非织造布产业的发展。