Техническое руководство по подбору винтового компрессора для систем лазерной резки
Аннотация: В статье рассматриваются ключевые технические аспекты выбора винтового компрессора для обеспечения работы станков лазерной резки металлов. Освещены требования к качеству сжатого воздуха, методики расчета производительности и давления, а также анализ дополнительных опций, влияющих на надежность и экономическую эффективность всего технологического комплекса.
1. Введение. Роль сжатого воздуха в лазерной резке
Сжатый воздух в современных системах лазерной резки является не вспомогательным, а технологическим газом. Его основные функции:
- Очистка зоны реза: Продувка удаляет продукты горения и расплава из зоны взаимодействия луча с материалом, предотвращая обратное отражение лазерного излучения и обеспечивая чистоту кромки.
- Охлаждение линзы: Защита линз и зеркал резонатора от загрязнения и перегрева, что критически важно для сохранения мощности луча и качества фокусировки.
- Резка как режущий газ: для материалов толщиной до 2-3 мм (таких как нержавеющая сталь, алюминий) сжатый воздух может использоваться в качестве основного режущего газа, что значительно снижает эксплуатационные расходы по сравнению с использованием азота.
Несоответствие сжатого воздуха требованиям лазерного оборудования приводит к ряду критических проблем: нестабильность реза, образование окалины, загрязнение и повреждение оптической системы, простои и рост себестоимости продукции.
2. Ключевые технические параметры выбора компрессора
2.1. Производительность (л/мин или м³/мин)
Производительность является первым и наиболее важным параметром. Она должна покрывать суммарный расход всех потребителей с запасом.
Методика расчета:
- Определите потребление лазерного станка. Указанный в техническом паспорте станка расход воздуха (например, 1500 л/мин) часто является номинальным. Необходимо учитывать коэффициент одновременности (К). Для станка с одной режущей головой K=1. Для многоголовочных станков уточните у производителя, является ли указанный расход суммарным или для одной головы.
- Учтите другие потребители в цехе, которые могут быть подключены к той же сети: пневмоцилиндры, приводы, обдув готовых изделий.
- Добавьте технологический запас. Рекомендуемый запас производительности составляет 20-30% от суммарного расхода. Это компенсирует возможные утечки в сети, падение производительности компрессора со временем и пиковые нагрузки.
Формула для ориентировочного расчета:
Q_компрессора = (Q_лазер × K + Q_прочие) × 1.25
Где:
- Q_компрессора – требуемая производительность компрессора (л/мин),
- Q_лазер – паспортный расход лазерного станка (л/мин),
- K – коэффициент одновременности (обычно =1),
- Q_прочие – расход прочего пневмооборудования (л/мин).
Пример: Лазерный станок потребляет 1500 л/мин. Других потребителей нет.
Q_компрессора = (1500 × 1 + 0) × 1.25 = 1875 л/мин.
Следует выбрать компрессор с производительностью не менее 1.9 - 2.0 м³/мин.
2.2. Рабочее давление (бар)
- Давление на выходе компрессора: Большинство лазерных станков требуют давления на входе в режущую голову в диапазоне 6-12 бар. Однако необходимо учитывать потери давления в системе подготовки воздуха (осушитель, фильтры) и в трубопроводах.
- Рекомендация: Компрессор должен обеспечивать рабочее давление не менее 13 бар (в зависимости от толщины металла, может потребоваться давление вплоть до 25 бар), золотой серединой для лазерной резки считаются компрессоры с максимальным давлением 16 бар. Это гарантирует, что после прохождения через систему подготовки и распределения к лазеру будет поступать воздух с требуемым давлением.
2.3. Качество сжатого воздуха: класс очистки
Это критический параметр, напрямую влияющий на ресурс лазерной головы. Масло, влага и твердые частицы в воздухе недопустимы.
- Масло: даже в безмасляных компрессорах присутствуют пары масла из атмосферного воздуха. Требуется глубокая очистка.
- Влага: Конденсат вызывает коррозию дюз и оптики, нарушает стабильность реза.
- Твердые частицы: Абразивный износ точных каналов режущей головы.
Требуемый класс очистки по ISO 8573-1:2010:
- Твердые частицы (класс 2): Размер частиц ≤ 1 мкм, концентрация ≤ 100 000 частиц/м³.
- Влага (класс 2): Точка росы под давлением ≤ -40°C. Это основополагающее требование для предотвращения конденсации влаги в лазерной голове.
- Масло (класс 1): Содержание масла ≤ 0.01 мг/м³.
2.4. Тип компрессора: маслонаполненный vs безмасляный
- Безмасляные компрессоры (Class 0):
- Преимущество: гарантируют отсутствие масла в сжатом воздухе на выходе.
- Недостаток: Высокая начальная стоимость, большие эксплуатационные расходы, меньший ресурс по сравнению с маслонаполненными винтовыми блоками.
- Применение: В сверхчувствительных процессах, где риски, связанные с присутствием масла в воздухе, недопустимы.
- Маслонаполненные винтовые компрессоры с многоступенчатой очисткой:
- Преимущество: более надежные, долговечные, энергоэффективные и экономичные в капитальных затратах.
- Ключевое условие: Оснащение системой фильтрации, обеспечивающей класс очистки по маслу 1 (≤ 0.01 мг/м³).
- Вывод: для большинства задач лазерной резки маслонаполненный винтовой компрессор с правильной системой подготовки воздуха является оптимальным технико-экономическим решением.
3. Система подготовки сжатого воздуха
Компрессор — это лишь часть системы. Для обеспечения требуемого класса чистоты необходимы следующие компоненты:
- Влагомаслоотделитель (циклонного типа): устанавливается сразу после ресивера, удаляет основную массу капельной влаги и масла.
- Рефрижераторный осушитель: обязателен для достижения точки росы до +3°C. Подбирается по производительности и температуре входящего воздуха.
- Адсорбционный осушитель: требуется для достижения точки росы -40°C. Наиболее эффективно и стабильно работает в паре с рефрижераторным осушителем.
- Фильтры тонкой очистки:
- Угольный фильтр-адсорбер: финальная ступень для удаления паров масла. Именно он обеспечивает класс 1 по маслу.
- Стерильный фильтр: улавливает мельчайшие аэрозольные частицы (устанавливается опционально).
- Ресивер (воздухосборник): сглаживает пульсации давления, обеспечивает запас воздуха на пиках потребления, способствует первичному охлаждению воздуха и конденсации влаги.
4. Дополнительные опции и рекомендации
- Частотное преобразование (VSD): настоятельно рекомендуется. Лазерный станок работает в циклическом режиме (резка/холостой ход). Частотный преобразователь позволяет компрессору точно подстраивать производительность под текущее потребление, экономя до 30-35% электроэнергии и, за счёт уменьшения частоты пуска/останова, снижая износ оборудования.
- Мониторинг и телеметрия: Современные контроллеры позволяют отслеживать ключевые параметры (давление, точка росы) и интегрироваться в систему управления цехом для предотвращения аварийных ситуаций. Сейчас на рынке набирают популярность контроллеры с WI-FI.
5. Заключение
Правильный подбор винтового компрессора для лазерной резки — это комплексная инженерная задача, выходящая за рамки простого соответствия расходам и давлениям. Критически важным является обеспечение стабильного давления и, прежде всего, сверхвысокого качества сжатого воздуха с точкой росы под давлением не выше +3°C (для некоторых станков не выше -40°C) и содержанием масла не более 0.01 мг/м³.
Оптимальным решением в большинстве случаев является маслонаполненный винтовой компрессор с частотным регулированием, для большинства задач будет достаточно давления 16 бар.
Компрессор в обязательно порядке должен быть оснащенный полноценной системой подготовки воздуха, включающей рефрижераторный осушитель и угольный фильтр. Адсорбционный осушитель может быть установлен отдельно, если требуемая точка росы ниже -40°C.
Инвестиции в качественную систему генерации и подготовки сжатого воздуха многократно окупаются за счет сохранения ресурса дорогостоящего лазерного оборудования, снижения брака и исключения внеплановых простоев.
