Шестеренчатый насос

Шестеренчатый насос. Принцип работы и частые проблемы

Шестеренчатый гидронасос (в простонародье «шестеренник») – настоящее сердце гидравлической системы. Чем он лучше аксиально-поршневого «собрата» и почему иногда выходит из строя? Ответы в нашем материале!

Шестеренчатые насосы весьма просты в конструктивном плане. Они состоят из крышки с приводным валом, опорных втулок валов, сальника, уплотнительных пластин («восьмерок») и двух прямозубых шестерней.

Шестерни являются главными деталями. Они находятся в постоянной сцепке друг с другом. Во время работы насоса, в зоне выхода шестерней из зацепа образуется разреженное пространство. Благодаря этому рабочая жидкость поступает из гидробака в полость всасывания. После она описывает круг и оказывается в полости нагнетания, из которой попадает в гидросистему.

Простота конструкции делает шестеренные насосы более дешевыми и надежными по сравнению с аксиально-поршневыми. Они не так требовательны к качеству масла и всегда создают ровный, непульсирующий поток рабочей жидкости под нужным давлением.

Однако некоторые ругают «шестеренники» за то, что они часто ломаются или «не вытягивают» гидроцилиндр при большой загрузке полуприцепа. Но, как показывает практика, насос повинен в этой ситуации меньше всего.

«Порочный круг» в гидросистеме

Поломка почти всегда происходит из-за принудительного повышения давления в гидравлической системе. Так поступают, если гидроцилиндр стопорится, не в силах поднять сильно нагруженный полуприцеп.

На большинстве тягачей выходной шланг, ведущий от «шестеренника» к гидрораспределителю, имеет относительно низкую пропускную способность – примерно 100 литров в минуту. Этого вполне хватает для нормальной работы гидравлики при адекватной загрузке. Но в случае перегруза гидроцилиндр часто не может вытянуть все секции.

Тогда водитель не находит ничего лучше, как повысить обороты двигателя и «разогнать» насос. В этом случае шланг не успевает пропускать возросший объем рабочей жидкости. Распределитель заполняется, срабатывает предохранитель. В результате масло уходит не в гидроцилиндр, а в баки, и создается «порочный круг».

Усилия опять не хватает, поэтому водитель еще сильней раскручивает мотор. Из-за этого в точке выхода масла из насоса создается колоссальное давление. Оно воздействует на шестеренки, буквально вдавливая их в стенки рабочей камеры. Создается трение и насос приходит в негодность.

Не допускайте подобной ситуации! «Шестеренники» – достаточно тихоходные агрегаты, поэтому превышать давление в гидросистеме можно лишь имея достаточно широкий патрубок, ведущий к распределителю. Да и не виноват насос в том, что полуприцеп не может откинуться до конца. Если есть перегрузка, справиться с весом не может именно гидроцилиндр.

Недостаток сил

Гидроцилиндр самосвального полуприцепа имеет телескопическое строение. Чем ближе секция к сердцевине, тем меньшую площадь она имеет. При использовании стандартной гидравлики на 190 бар, каждому квадратному сантиметру рабочей поверхности цилиндра передается равное давление. Таким образом, внешняя секция цилиндра имеет грузоподъемность около 172 тонн, а четвертая по счету – лишь 72 тонны.

Это нормально в обычных условиях, например, в случае перевозки щебня. При подъёме п/прицепа часть груза высыпается, и вес уменьшается. В результате задача для последующих секций значительно облегчается. Но когда нужно выгрузить, например, мокрый песок, этого не происходит. Механизм стопорится, чаще всего на третей секции. И если мы в этот момент увеличим давление в гидросистеме, то либо сломаем насос, либо порвем стопорные кольца внутри цилиндра.

Чтобы этого избежать, не повышайте давление до той отметки, когда срабатывает колпачок-предохранитель в гидрораспределителе. Ну а наилучшим решением будет просто не перегружаться сверх нормы. Ведь даже самая надежная техника обязательно сломается при неправильной эксплуатации.

Шестерённая гидромашина

Шестерённая (шестерёнчатая) гидромаши́на — один из видов объёмных гидравлических машин.

Так же как и другие виды объёмных роторных гидромашин эта машина принципиально может работать как в режиме насоса, так и в режиме гидромотора. В том случае, если к валу гидромашины прикладывается вращательный момент, то машина работает в режиме насоса. Если на вход гидромашины подаётся под давлением рабочая жидкость, то с вала снимается вращающий момент, и машина работает в режиме гидромотора.

Содержание

• 1 Виды конструкций
• 2 Принцип действия
• 3 Рабочий объём
• 4 Запертые объёмы
• 5 Область применения
• 6 Преимущества
• 7 Недостатки
• 8 Маркировка шестерённых гидромашин
• 9 Основные технические характеристики
• 10 Примечания
• 11 Литература
• 12 См. также

Виды конструкций [ править | править код ]

Шестерённые гидромашины выпускаются с внешним и внутренним зацеплением (одним из вариантов последней является героторная гидромашина со специальным трохоидальным зацеплением). Гидромашины с внутренним зацеплением более компактны, но из-за сложности изготовления применяются редко. Иногда для снижения шумности и неравномерности подачи применяют шестерни с косыми зубьями. В некоторых случаях для облегчения входа перекачиваемой среды (расплав полимера) входной патрубок имеет размеры (эквивалентный диаметр) соизмеримые с размером шестерён.

Шестерённая гидромашина с внешним зацеплением

Шестерённая гидромашина с внутренним зацеплением

В этом насосе с внутренним зацеплением жидкость перемещается слева направо

Принцип действия [ править | править код ]

Шестерённый насос с внешним зацеплением работает следующим образом. Ведущая шестерня находится в постоянном зацеплении с ведомой и приводит её во вращательное движение. При вращении шестерён насоса в противоположные стороны в полости всасывания зубья, выходя из зацепления, образуют разрежение (вакуум). За счёт этого из гидробака в полость всасывания поступает рабочая жидкость, которая, заполняя впадины между зубьями обеих шестерён, перемещается зубьями вдоль цилиндрических стенок колодцев в корпусе и переносится из полости всасывания в полость нагнетания, где зубья шестерён, входя в зацепление, выталкивают жидкость из впадин в нагнетательный трубопровод. При этом между зубьями образуется плотный контакт, вследствие чего обратный перенос жидкости из полости нагнетания в полость всасывания ничтожен. Смазка движущихся элементов насоса производится перекачиваемой жидкостью (масло, расплав полимера и др.), для поступления смазывающей жидкости к зонам трения конструкцией насоса предусматриваются специальные каналы в корпусных деталях насоса.

Рабочий объём [ править | править код ]

Рабочий объём шестерённой гидромашины с внешним зацеплением может быть определён по формуле:

q 0 = 2 π ⋅ m 2 ⋅ b ⋅ z , =2pi cdot m^<2>cdot bcdot z,>

где m — модуль зубчатого зацепления; b — ширина шестерни; z — число зубьев шестерённой гидромашины, под которым понимается число зубьев на одной шестерне.

Запертые объёмы [ править | править код ]

Одной из технических проблем в шестерённых гидромашинах является проблема запертых объёмов, которые являются нежелательными. Вследствие малой сжимаемости жидкости, возникновение запертых объёмов в процессе работы гидромашины, если не предусмотреть меры борьбы с ними, может привести к возникновению большого момента на валу. Для борьбы с ними выполняют специальные канавки в корпусе или крышке, по которым жидкость из запертых объёмов уходит либо в полость высокого давления, либо в полость низкого давления.

Область применения [ править | править код ]

Данный вид машин широко используется в системах объёмного гидропривода, в системах смазки и др. Например, гидропривод бульдозеров на базе тракторов Т-100, Т-130 и Т-180 имеет силовой шестерённый насос НШ-100.

Шестерённые насосы применяются для получения давлений до 30 МПа [1] (при использовании очень чистой жидкости и высокой современной точности изготовления).

Героторные насосы применяют для подачи цементной и бетонной смеси от бетономешалки до места заливки. Кроме того, героторные гидромашины используют в качестве центрального звена в некоторых дифференциалах с повышенным внутренним сопротивлением.

В ряде случаев требуется синхронная подача перекачиваемой (перекачиваемых) жидкости к разным точкам потребления — в этих случаях целесообразно применение многопоточных насосов с единым приводом. Преимущество состоит в том, что подачи могут быть только одновременными. Конструкция с применением многопоточных насосов получается компактнее, проще и легче.

Преимущества [ править | править код ]

• широкий диапазон вязкости среды;
• простота конструкции;
• высокая надёжность в сравнении, например, с аксиально-плунжерными гидромашинами;
• низкая стоимость;
• способность работать при высокой частоте вращения;
• высокая надежность при работе например с расплавами полимеров.

Недостатки [ править | править код ]

• нерегулируемость рабочего объёма;
• неспособность работать при очень высоких давлениях, либо высокие требования к материалам и изготовлению деталей насоса;
• в сравнении с пластинчатыми гидромашинами — бо́льшая неравномерность подачи;
• высокое требование к точности изготовления шестерен и пластин, образующих корпус;
• двукратное изменение направления движения жидкости в насосе, что снижает КПД.

Маркировка шестерённых гидромашин [ править | править код ]

Маркировка отечественных шестерённых насосов устанавливается в соответствии с «ГОСТ 19027-89 НАСОСЫ ШЕСТЕРЁННЫЕ. Основные параметры».

Шестеренчатые насосы-дозаторы

Шестеренчатые дозировочные насосы получили свою популярность благодаря ровной, не пульсирующей подаче перекачиваемого продукта или реагента. Одна особенность не позволяет всегда использовать данные насосы в качестве дозаторов, а именно возможность подачи данными насосами абразивного продукта. Если подаваемый продукт абразивный — тогда нужно использовать вариант винтового дозатора, которые могут работать с большим количеством твердого, иногда до 60% (как металлургическая пульпа и похожие продукты).

Дозировочные шестеренные насосы могут быть разного типа конструктивного исполнения

В основном используются насосы с внешним зацеплением шестеренок и внутренним. Шестеренчатые насосы — это насосы объемного действия, т.е. имеют ряд принципиальных особенностей, а именно:

• Самовсасывание
• Давление до 30 там и более
• Работа с высоковязкими продуктами
• Работа с высокотемпературными продуктами до 400 о С
• Деликатное перекачивание продукта, т.е. не разрушается структура продукта
• Возможность установки перепускного клапана, что гарантирует безаварийную работу шестерённого дозатора
• Установка при необходимости рубашки обогрева, что дает возможность работы с кристаллизующимися (застывающими ) жидкостями
• Разные типы уплотнений, в том числе с промывкой
• Взрывозащищенное исполнение насоса
• Регулировка частотным преобразователем, вариатором и т.д.

ниже мы рассмотрим особенности каждой модели

Дозировочные насосы шестеренчатого типа с внешним зацеплением:

Шестерённый дозировочный насос может производиться в различных исполнениях по материалу, чаще всего это чугун или нержавеющая сталь. Привод насоса может быть сагрегатирован с насосом как напрямую через муфту, так и через мотор-редуктор. Как правило, прямое исполнением используется, когда продукт не вязкий, т.е. не требует больших моментов.

Фотография насоса с чугунным корпусом с прямым соединением через муфту:

Пример монтажа шестеренчатого дозатора с внутренним зацеплением шестеренок через мотор-редуктор:

Так все же, спросите вы, когда же лучше использовать шестеренчатый насос дозатор с внешним, а когда с внутренним зацеплением?

Ответ такой: если перекачивается продукт с плотностью и вязкостью ближе к воде, то лучше использовать дозировочные насос с внешним зацеплением, потому что при минимальной плотности и вязкости в шестеренчатом насосе с внутренним зацеплением возможно переливание продукта внутри насоса, т.е. насос, будет работать вхолостую. Но в то же время насос-дозатор с внешним зацеплением можно спокойно использовать для дозации высоковязкого продукта. Шестерёнчатый насос с внутренним зацеплением чаще всего используется на подачу высоковязких жидкостей, но опять-таки не всегда, все зависит от поставленной задачи.

Дозировочный насос внешнего зацепления в сборе в разрезе:

Как правило, шестеренчатый насос-дозатор поставляется с перепускным клапаном (иногда его называют байпас ), но по запросу может поставляться и без перепускного клапана. Данный перепускной клапан служит для шестеренного дозатора предохранителем от избыточного давления. Т.е. если на выходе насоса или на исходящем трубопроводе произошел «затык», то насос начинает работать сам на себя, т.к. продукт начинает циркулировать в насосе. Таким образом, насос избегает обратного потока, который влечет поломку насоса и иногда мотора или мотор-редуктора.

Шестеренчатый насос-дозатор с перепускным клапаном в разрезе:

Для удобства монтажа насоса-дозатора шестеренного типа используются различные типы присоединения, а именно фланец или резьба (резьбовое соединение, или как оно еще называется трубная резьба).

Фотография насоса-дозатора с фланцевым соединением:

В зависимости от того, какая жидкость перекачивается, шестерёнчатый дозировочный насос может оснащаться разными типами уплотнений. Это может быть одинарное торцевое уплотнение сальниковая набивка, двойное торцевое уплотнение с промывкой, одинарное торцевое механическое уплотнение с промывкой и др. Если продукт кристаллизуется, то, как правило, используется на шестеренчатых насосах уплотнение с промывкой и корпус насоса в рубашкой обогрева.

Пример насоса-дозатора с промывкой уплотнения:

Шестеренчатый дозировочный насос с промывкой уплотнения гликолем:

В зависимости от перекачиваемого продукта и требованиям к шестеренчатому насосу-дозатору, насос может поставляться как со стандартной степенью защиты мотора, так и во взрывозащищенном исполнении ATEX. Поставляемый шестеренчатый насос может агрегатироваться двигателем взрывозащищенного типа отечественного или импортного производства.

Если насос-дозатор соединен с мотором через муфту, то мы можем использовать российского производителя взрывозащищенного двигателя, если нет, то — импорт.

Шестеренчатый насос-дозатор с взрывозащищенным мотором:

Если стоит задача регулировки шестеренчатого насоса-дозатора от 0 литров и до максимума производительности насоса, тогда лучше использовать насос или с вариатором, или с частотным преобразователем частоты. При чем, если использовать частотный преобразователем, двигатель нужно оснастить дополнительным охлаждением. Данное дополнительное охлаждение не дает перегреваться мотору, когда частота сети становиться мене 17 Гц и более 75 Гц. Как показывает практика, дешевле использовать насос-дозатор с частотником и дополнительным охлаждением вместо вариатора.

Шестеренные насосы

В шестеренном (или шестеренчатом) насосе перекачивание жидкости осуществляется в камерах изменяемого объема образуемых профилем шестерен.

Характерные признаки шестеренных насосов

Во всех шестеренных насосах:

• присутствуют три основных элемента — неподвижный статор и вращающиеся ротор и замыкатели
• герметично разделены всасывающая и нагнетательная камера за счет одновременного замыкания статора, ротора и замыкателей
• подача осуществляется посредством создания во всасывающей камере объема, герметично отсекаемого замыкателем
• образуется защемленный объем
• распределение жидкости во всасывающей и нагнетательной полостях — щелевое, а значит отсутствует потребность в золотниках и клапанах
• замыкатели имеют одну степень свободы
• подача жидкости неравномерна, присутствует пульсация подачи
• подача насоса не зависит от нагрузки

Многие из этих особенностей характерны и для других объемных гидравлических машин, что не удивительно ведь шестеренные насосы и являются объемными.

Классификация шестеренных насосов

Существует множество видов шестеренных насосов, отличающихся друг от друга различными признаками:

• по характеру зацепления
  • с внутренним зацеплением
  • с наружным (внешним) зацеплением
• по форме зубьев
  • с прямыми зубьями — прямозубые
  • с шевронными зубьями
  • с винтовыми зубьями
• по направлению вращения ротора
  • правого вращения
  • левого вращения
  • реверсивные
• по числу сцепляющихся роторов
  • двухроторные
  • многороторные
• по числу ступеней
  • одноступенчатые
  • многоступенчаты
• по возможности регулирования
  • регулируемые
  • нерегулируемые
• по способу обеспечения работоспособности от давления
  • разгруженные
  • неразгруженные
  • с автоматической регулировкой торцевых зазоров

Представленная классификация является условной и может не охватывать некоторые малораспространенные или перспективные разработки.

Анализируя особенности насоса не стоит ограничиваться классификацией лишь по одному признаку, так как его работа зависит от множества факторов.

Шестеренные насосы с внутренним зацеплением обладают значительно меньшим уровнем шума и пульсации, однако их изготовление обходится значительно дороже, насосы этого типа чаще всего применяются в стационарных машинах — прессах, станках. Подробнее о конструкции и особенностях этих гидравлических машин вы можете прочитать в статье шестеренные насосы с внутренним зацеплением.

Одноступенчатые насосы с вешним зацеплением

Насосы этого типа получили широкое распространение в технике, особенно часто такие насосы применяются в гидроприводах мобильных машин.

Причины заключаются в конструктивных особенностях шестеренных насосов данного типа:

• низкая цена
• большой диапазон допустимых скоростей вращения
• широкий диапазон вязкости рабочей жидкости, а значит возможность работы при большом перепаде температур
• возможность создать высокое давление при небольшом весе

Конструкция шестеренного насоса

В каждом шестеренном насосе наружного зацепления присутствуют:

• ведущий вал-шестерня
• ведомый вал-шестерня
• корпус
• крышки
• подшипники
• крепежные элементы

Принцип работы шестеренного насоса

Рассмотрим принцип действия шестеренного насоса наружного зацепления. Принципиальная схема такого насоса показана на рисунке.

В корпусе 1 установлены ведомая и ведущая шестерни, при их вращении воздух заполняющий объем между зубьями переносится в линию нагнетания 3 из полости всасывания 8. Таким образом в полости всасывания создается разряжение. Из-за возникшего перепада давления, масло поднимается из бака Б по всасывающему трубопроводу 7 и заполняет впадины между зубьями, находящиеся во всасывающей полости.

При вращении шестерен масло переносится в полость нагнетания и при входе зубьев в зацепление вытесняется в нагнетательный трубопровод.

Важно понимать, что подача жидкости осуществляется в направлении указанном стрелками, а не в месте зацепления.

Устройство и работа шестеренного насоса показаны в следующем ролике.

Ведущая и ведомые шестерни насоса

На рисунке показана одна из типовых конструкций шестернного насоса, ведомая и ведущая шестерни установлены в подшипниках скольжения.

Внутренняя поверхность корпуса служит замыкателем рабочей камеры./p>

Многоступенчатые шестеренные насосы

Многоступенчатые насосы применяют для повышения давления или подачи агрегата. Для повышения давления шестерные пары устанавливаются последовательно, для повышения производительности (подачи) — параллельно.

С помощью второй ступени, установленной последовательно, можно практически удвоить давление на выходе насоса, но при это снизится КПД машины, так как подача каждой предыдущей ступень должна превышать потребную подачу последующей, для обеспечения надежного запаса питания. Для сброса излишек жидкости на выходе каждой из ступеней устанавливается переливной клапан.

Для увеличения производительности применяют многошестерные насосы с тремя и более шестернями, размещенными вокруг центральной оси.

Секционные сдвоенные шестеренные насосы

В секционном насосе на одном ведущем валу расположено несколько шестерен, каждая из которых вращает ведомую шестерню. Получается, что в одном корпусе установлено несколько насосов, линии всасывания и нагнетания этих машин обычно разъедены, но могут быть и объединены в специальном конструктивном исполнении.

На рисунке показан сдвоенный шестеренный насос.

В состав насоса входят две пары шестерен, каждая из которых образует отдельный качающий узел. Для привода вала сдвоенного насоса в движения используется один двигатель.

Многошестеренные насосы

На рисунке представлена схема трехшестеренного насоса. В этом насосе шестерня 1 ведущая, а шестерни 2 и 3 — ведомые, полости 4 — всасывающие, а полости 5 — напорные. Такие насосы выгодно применять в гидроприводах, в которых необходимо иметь две независимые напорные гидролинии.

Марки шестеренных насосов

Рассмотрим перечь наиболее распространенных марок шестеренных насосов:

Насосы с внешним (наружным) зацеплением.

• НШ
• Г11
• НМШ
• GP
• HY/ZFS — Bosch
• 1PF2G2 — Rexroth
• IPH — Duplomatic
• X1P — Vivolo
• GHP — Marzocchi

Марки и производители насосов c внутренним зацеплением

• PGF3 Rexroth
• PGH4 Rexroth
• IGP5 Duplomatic
• IGP5 Duplomatic

Формулы для расчета подачи шестеренного насоса

Расчетная схема для определения подачи шестеренного насоса, и основные зависимости показаны на рисунке:

Распространена и другая форма записи формулы. Теоретическую подачу шестеренного насоса можно определить, используя зависимость:

• где D — диаметр окружности выступов в мм,
• d — диаметр начальной окружности в мм,
• b — ширина шестерен в мм,
• n — число оборотов шестерени в минуту.