Любой гидравлический насос преобразует механическую энергию, развиваемую приводом, в кинетическую энергию потока рабочей среды. Для шестерёнчатых агрегатов это обеспечивается зубчатой парой, находящейся в закрытой камере. Шестеренные гидронасосы спецтехники используются для привода вспомогательных узлов, где часто требуется одновременно распределять рабочую жидкость между несколькими устройствами - цилиндрами опор или крана, двигателями и т.д.
Функционирование, виды и классификация шестерённых насосов
Кинематическая схема шестерёнчатого гидронасоса включает в себя:
- входной вал;
- выходной вал;
- хотя бы одну зубчатую передачу;
- фиксирующие втулки;
- герметичный корпус с уплотнительными устройствами.
Для передачи крутящего момента и плавности изменения скорости рабочей среды валы вращаются в подшипниковых узлах. Фиксирующая втулка исключает самопроизвольный сдвиг одного из элементов зубчатой пары.
Необходимая разность давлений создаётся так. Вращающийся элемент образует жидкостное уплотнение с внутренней поверхностью корпуса, создавая разрежение на входе в гидронасос. Всасываемая жидкость направляется в зазор между шестернями. Таких зазоров два: диаметральный – по контуру, и осевой – между торцевыми поверхностями. Обычно эти зазоры не превышают 0,15..0,30 мм, поэтому давление рабочей среды резко увеличивается, и она направляется по нагнетающему участку трубопровода к исполнительным механизмам.
Производят два конструктивных варианта шестерёнчатого гидроагрегата, различающиеся видом зубчатого контакта и направлением вращения колёс.
Работа гидронасоса с внешним зацеплением
Узел состоит из двух одинаковых, механически связанных между собой шестерён, каждая из которых вращается на отдельном валу (в некоторых схемах каждый из валов приводится во вращение отдельным двигателем)
Когда шестерни выходят из зацепления, объём увеличивается, рабочая среда поступает в полость, где захватывается элементами контура. Когда зубья сцепляются на стороне нагнетания, объём уменьшается, и жидкость вытесняется под давлением.
Жесткие допуски позволяют гидронасосу развивать всасывание на входе и предотвращают обратную утечку с противоположной стороны (утечка более вероятна для сред, имеющих малую вязкость).
В таких изделиях устанавливают прямозубые, косозубые или шевронные шестерни.
Работа насоса с внутренним зацеплением
Тут шестерни имеют разные размеры, причём одна вращается внутри другой. Зубья большей из деталей – ротора - выступают внутрь, где эксцентрично установлена внешняя шестерня меньшего размера. Когда элементы контура входят в контакт в одной точке, вращение ротора прекращается. Шестерня и втулка, смонтированная в корпусе насоса, удерживают направляющее колесо в нужном положении. Неподвижная серповидная перегородка (или прокладка) заполняет полость, образовавшуюся в результате нецентрального монтажного положения одного из элементов зубчатой пары, и действует как уплотнение между впускным и выпускным отверстиями.
Когда детали выходят из контакта на входной стороне гидронасоса, объем увеличивается. Рабочая среда поступает к полости и захватывается в направлении от входа к выпуску. Как и в предыдущем случае, когда зубья сцепляются на стороне нагнетания, объём уменьшается, и энергоноситель вытесняется под давлением. В насосах с такой схемой предусматриваются только прямозубые шестерни.
Классификация шестеренчатых насосов высокого давления
Параметры классификации приведены согласно ГОСТ 19027-89:
- Вид рабочей среды – вода или химически неагрессивные органические среды. В спецтехнике воду не применяют из-за малой вязкости и способности к коррозии.
- Способ крепления – на лапах или фланцами.
- Допустимая температура корпуса.
- Частота вращения приводного вала.
- Эксплуатационные показатели – подача и давление рабочей среды.
- Материал корпуса.
- Размеры и масса.
Вязкость рабочей среды – в пределах 700…1200 МПа. Поскольку прокачиваемые продукты постепенно окисляются и загрязняются механическими частицами, корпуса производят из коррозионно-стойких сталей или алюминиевых сплавов.
Особенности шестерённых гидронасосов
Шестерёнчатые насосы часто устанавливают в таких силовых установках спецтехники как гидромоторы (как правило, в передвижном оборудовании). Для этого привод устанавливают с противоположной стороны.
Изделия компактны и просты по конструкции, легко адаптируются к любым видам спецтехники, характеризуются небольшой трудоёмкостью регламентного обслуживания. В то же время шестерёнчатые насосы не могут развивать давления, создаваемые поршневыми насосами, или скорости потока, которые обеспечиваются насосами центробежного типа.
Из двух возможных вариантов только схемы с внешним зацеплением отличаются повышенной жёсткостью опор, допуская работу при достаточно высоком давлении (до 20 МПа) и скорости потока. Шестерёнчатые насосы с внутренним зацеплением работают в условиях жидкостного трения, поэтому функционируют тише и надёжнее работают на всасывание. Применяются для рабочих сред с более высокой вязкостью.
Недостатки шестерёнчатых гидронасосов:
- Невозможность длительной эксплуатации без смазки.
- Сравнительно высокий износ подвижных частей, что требует обязательной очистки рабочих сред сетчатыми фильтрами.
- Жёсткие допуски на размеры, требующие постоянного контроля.
По мере увеличения зазоров надёжность снижается и увеличивается проскальзывание потока - утечка перекачиваемой жидкости с её нагнетанием обратно на сторону всасывания. Проскальзывание пропорционально кубу значения зазора между зубьями и корпусом. Поэтому начальный износ невелик, но потом резко увеличивается, а производительность падает.
Важное ограничение - герметичность корпуса гидронасоса: при длительной работе спецтехники он перегревается. Тепловое расширение деталей уменьшает внутренние зазоры, что увеличивает износ, вплоть до отказа привода.
Наиболее частые неисправности гидравлических шестерённых насосов
Среди распространённых признаков выхода гидронасоса из строя:
- Аномальный шум при работе, вызванный явлениями кавитации и/или аэрации. Кавитация обусловлена недостаточным объёмом перекачиваемого потока, когда давление падает ниже допустимого минимума. Процесс сопровождается эрозией металла, что вызывает дополнительное загрязнение рабочей среды в камере. При аэрации процентное содержание воздуха в потоке увеличивается. Это сопровождается интенсивными стуками внутри, когда непрерывность потока нарушается. Признаки аэрации - вспенивание рабочей среды и неустойчивое перемещение исполнительных механизмов, приводящихся в работу насосом.
- Высокая температура жидкости (выше 80…85°C). Это приводит к необратимому повреждению уплотнений и снижает чистоту масла. Колебания температуры провоцируют разную скорость нагрева отдельных частей гидронасоса, вследствие чего значения зазоров выходят из области оптимального диапазона. Перегрев рабочей среды частично снимается рассеиванием тепла в баке, поэтому важно следить за тем, чтобы уровень масла поддерживался на требуемом уровне. Проблема связана с накоплением грязи и мусора внутри сетчатых фильтров.
- Медленная работа. Один из признаков выхода шестерённого насоса из строя - снижение его производительности. Оно проявляется в уменьшении скорости потока либо в удлинении времени рабочего цикла. Причины – появление внешней (например, из-за лопнувшего шланга) или внутренней утечки в корпусе, присоединённых клапанах или исполнительных механизмах. Признаки внутренней утечки – повышение температуры и/или падение давления, что легко контролируется инфракрасным термометром и расходомером.
Для исключения подобных ситуаций следует использовать технику на оптимальных режимах эксплуатации, заявленных производителем.
Принципы выбора модели шестерённого гидронасоса
Вязкость гидравлической жидкости
Прежде всего, учитывается вязкость рабочей среды. Повышение вязкости увеличивает объёмный КПД, поскольку более вязкие жидкости лучше заполняют внутренние зазоры в камере. От величины этих зазоров и развиваемого давления зависит степень проскальзывания: чем меньше вязкость, тем оно больше. Для поддержания стабильного значения давления минимизируют значения допустимых зазоров. Например, установочные зазоры рекомендуется поддерживать в пределах 0,17…0,35 мм (меньшие значения – для зубчатых деталей меньшего диаметра).
Давление и расход
Относятся к параметрам, более всего влияющим на выбор типоразмера оборудования. В шестерённых гидронасосах скорость потока прямо пропорциональна скорости вращения зубчатой пары. При этом после каждого оборота к выходному отверстию доставляется фиксированное количество энергоносителя. Однако фактический расход будет меньше теоретического, поскольку часть масла просачивается в зазоры. Для вычисления потерь применяют заявленное производителем значение КПД. Например, при КПД 85% допустимо учесть, что до 15% рабочей среды просачивается обратно во впускное отверстие.
Поскольку скорость потока неизменна (независимо от давления), перекрытие напора для шестерёнчатых гидронасосов отсутствует. Если управляемая система потребует постоянного повышения давления, достаточно увеличить крутящий момент.
Все конструкции снабжаются внутренним предохранительным клапаном. В насосах, рассчитанных на более высокие давления, кроме внутреннего, устанавливается ещё и внешний предохранительный клапан. Он регулируется на максимальное давление в системе. От этого показателя зависит мощность системы.
Энергия привода
Показатель, в наибольшей степени влияющий на изменения вязкости, что случается при длительной непрерывной работе. Здесь учитываются:
- Скорость вращения. Более вязкие сорта требуют более низкой скорости, чтобы жидкость успела заполнить пространство между зубьями;
- Мощность. Учитывают, что, помимо установочной мощности, гидронасосу понадобится дополнительная мощность, компенсирующая потери на трение;
- Крутящий момент. Для низкоскоростных моделей увеличение мощности возможно при увеличении крутящего момента на роторе и валу. Стальные детали получат преимущество перед чугунными, так как менее инерционны;
- Температура нагрева рабочей среды. Если прогнозируется длительная работа привода без остановок, то предпочтение отдаётся гидронасосам с температуростойкими уплотнениями.
Учитывают также первоначальную стоимость материалов, затраты на замену и долговечность компонентов оборудования.
Заключение
Шестерёнчатые насосы высокого давления – вид гидрооборудования, применяемого для управления узлами спецтехники. Гидронасосы работают в широком диапазоне внешних условий и нагрузок, что делает их подходящим выбором там, где требуется точность выходных параметров. Кроме того, срок службы агрегатов намного больше, чем у других типов насосов с приводом от основного двигателя.
В пользу описанных гидросистем говорит также удобство эксплуатации, когда не требуются большие навыки и опыт обслуживания.
Необходимый тип шестерённого гидронасоса можно подобрать по обновляемому каталогу сайта компании КранАвтоЗапчасть. Наша компания предлагает гидравлические насосы японского производства, гидроагрегаты Casappa (Италия) и достаточно популярные в России турецкие гидронасосы.
