Шестеренные насосы

08.06.2016

Шестеренные насосы – самые распространенные в системах объемного гидропривода. Они применяются во многих гидросистемах низкого и среднего давления, как на мобильной технике, так и в промышленном оборудовании. Шестеренные насосы делятся на два типа – внешнего и внутреннего зацепления.

Шестеренные

На рис. 1 показаны схемы внешнего зацепления шестеренного насоса и распределение радиальных нагрузок от действия гидравлических сил в результате нарастания давления от линии всасывания до области подачи рабочей жидкости в гидросистему (нагнетающей полости).

Шестеренные насосы внешнего зацепления представляют зубчатую пару из двух одинаковых шестерен, вращающуюся в корпусе. Ведущая шестерня жестко связана с приводным валом (вал-шестерня), ведомая – установлена на оси свободно. Шестерни охватываются внутренними цилиндрическими поверхностями корпуса. Зазоры между шестернями и боковыми стенками, а также между зубьями и внутренними цилиндрическими поверхностями корпуса минимальны. Они должны обеспечивать беспрепятственное вращение шестерен при перепаде температур рабочей жидкости от минус 30-40 °С до плюс 80-90 °С и в то же время минимизировать величину утечек.

При вращении шестерен рабочая жидкость из всасывающей полости попадает во впадины между зубьев, т.е. в пространство, ограниченное двумя зубьями шестерни, боковыми стенками и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса. Эти объемы жидкости обе шестерни перемещают из всасывающей полости насоса в нагнетающую.

При входе в зацепление в нагнетающей полости зуб ведущей шестерни погружается во впадину ведомой. В этот момент рабочая жидкость вытесняется из впадины и направляется в гидросистему. Затем, в свою очередь, зуб ведомой шестерни погружается во впадину ведущей, и новая порция рабочей жидкости устремляется в гидросистему. За один оборот приводного вала все зубья обеих шестерен входят в зацепление и вытесняют определенные порции рабочей жидкости, сумма которых составляет величину рабочего объема насоса.

В процессе зацепления зубьев небольшое количество жидкости запирается в их «мертвых объемах». Постоянно происходит кратковременный заброс давления в локальных точках, который негативно влияет на ресурс насоса и другие его характеристики. Вместе с тем порционное вытеснение жидкости является причиной пульсаций ее подачи в гидросистему и крутящего момента, отбираемого у первичного двигателя.

При вращении шестерен давление рабочей жидкости во впадинах зубьев возрастает по мере приближения их к нагнетающей полости. В результате возникают значительные гидравлические радиальные силы, действующие на валы шестерен насоса. Характер неравномерного распределения радиальных сил.

Схемы внешнего зацепления
Рис. 1 Схемы внешнего зацепления и распределение радиальных нагрузок

По этой причине наиболее нагруженным узлом шестеренного насоса являются его подшипники. Типовая конструкция шестеренного насоса внешнего зацепления.

Шестеренный насос
Рис. 2 Шестеренный насос внешнего зацепления

Прямозубое зацепление шестерен характеризуется прямолинейным контактом рабочих поверхностей по всей ширине зуба. При неточном изготовлении шестерен возникает толчкообразное движение ведомой шестерни, генерирующее повышенный шум и повышающее износ рабочих поверхностей.

Эти недостатки успешно устраняются в насосах с косозубыми шестернями. У них вход в зацепление зубьев и выход из него происходят постепенно. Благодаря этому уменьшается влияние погрешностей в профиле зуба и достигается плавная, малошумная работа насоса. При косозубом зацеплении пульсация подачи и крутящего момента, а также запирание жидкости во впадинах значительно ниже, чем у прямозубых аналогов. Угол наклона зубьев обычно составляет 7-10°.

При таких параметрах сдвиг зубьев по окружности на торцах шестерен составляет половину шага. Однако при работе ко-созубых шестерен возникают осевые усилия, которые прижимают шестерни к торцам корпуса. На рис. 3 показан типовой шестеренный насос с косыми зубьями, а на рис. 4 – его аналог с зубьями специального профиля, который позволяет существенно снизить шум и повысить плавность работы.

насос с косыми зубьями
Рис. 3. Шестеренный насос с косыми зубьями

профиля и проката
Рис. 4. Шестеренный насос с косыми зубьями специального профиля и проката

Шестеренные насосы внешнего зацепления имеют очень широкую гамму исполнений. Их рабочие объемы составляют от 0,16 до 200 см3, а развиваемое давление – до 20,0 МПа. С небольшими рабочими объемами шестеренные насосы способны развивать давление до 28,0 МПа.

Шестеренные насосы выпускаются в индивидуальном литом корпусе из алюминия или стали (рис. 2-4), а также в корпусах из алюминиевого длинномерного проката специального профиля, не требующего большого количества механической обработки. Передние и задние крышки у таких насосов унифицированы. Эта технология позволяет без лишних затрат выпускать однотипные насосы с различным рабочим объемом. Изменяется только длина корпуса, нарезанная из проката, и ширина шестерен. На рис. 5 показана серия шестеренных насосов с различными унифицированными фланцами, крышками, валами, корпуса которых выполнены из однотипного алюминиевого проката соответствующего профиля. Такие насосы легко могут изготавливаться в многосекционном исполнении.

Рис. 5. Шестеренные
Рис. 5. Шестеренные насосы с корпусами

Обычно специальный прокат для шестеренных насосов выпускается четырех типоразмеров. Из первой его группы изготавливаются насосы с совсем маленьким рабочим объемом (от ~0,16 до ~0,8 см3), но часто с высоким давлением (до 28,0 МПа). Вторая группа проката предназначена для небольших насосов (от ~1,0 до ~10,0 см3) с высоким давлением (до 20,0 МПа), третья группа – для средних насосов (от ~4,5 до ~40,0 см3) с высоким и средним давлением (от 20,0 до 17,0 МПа). Из четвертой группы проката изготавливают средние и крупные шестеренные насосы (от ~20,0 до ~100,0 см3) с высоким и средним давлением (от 20,0 до 15,0 МПа).
Такой технический подход обеспечил возможность быстрого изготовления дешевых многосекционных насосов с одинаковыми или различными рабочими объемами, в том числе состыкованными корпусами из профилей соседних групп. На рис. 6 показаны трехсекционные насосы, выполненные из двух групп проката. На рис. 7 показан двухсекционный насос, составленный из проката соседних групп.

 Трехсекционные насосы, выполненные
Рис. 6. Трехсекционные насосы, выполненные из двух групп проката

из проката соседних групп
Рис. 7. Двухсекционный насос, составленный из проката соседних групп

На рис. 8 и 9 показаны основные узлы шестеренных насосов с внутренним зацеплением.

Качающий узел шестеренного насоса
Рис. 8. Качающий узел шестеренного насоса внутреннего зацепления

внутреннего зацепления
Рис. 9. Шестеренный насос внутреннего зацепления

Шестеренные насосы внутреннего зацепления содержат установленную в корпусе шестерню с внутренними зубьями. В зацепление с ней входит меньшая по размерам шестерня с внешними зубьями. Шестерни установлены относительно друг друга с эксцентриситетом (смещением). Между ними расположен неподвижный серповидный элемент, который своими рабочими поверхностями охватывает с одной стороны внутренние, а с другой – внешние зубья обеих шестерен. Серповидный элемент разделяет всасывающую и нагнетающую полости насоса. Меньшая шестерня с внешними зубьями является ведущей и выполнена заодно с приводным валом, а большая шестерня с внутренними зубьями является ведомой и свободно установлена в подшипниках скольжения. Нагнетание рабочей жидкости в гидросистему осуществляется аналогично за счет вытеснения ее объемов зубьями из впадин шестерен при их вращении.

Шестеренные насосы внутреннего зацепления менее шумные, обладают повышенными характеристиками, но более трудоемкие в изготовлении и, следовательно, дорогие.

Наиболее широкое распространение в гидроприводах мобильной техники получили шестеренные насосы внешнего зацепления. Они просты в изготовлении, дешевы, неприхотливы в работе. Такие насосы стабильно работают с загрязненными рабочими жидкостями с величиной твердых частиц до 40 мкм. Но это не значит, что гидропривод должен работать при таких неприемлемых условиях, которые вызывают повышенный износ всех гидрокомпонентов.

Большое применение шестеренные насосы нашли в строительно-дорожной, коммунальной, сельскохозяйственной технике. Они используются в гидроприводах со средним давлением до 16,0-18,0 МПа. Их часто устанавливают на узле дополнительного отбора мощности дизельного двигателя для привода вспомогательных гидросистем. Шестеренными насосами оснащаются неполноповоротные экскаваторы, бульдозеры, дорожные катки, вилочные погрузчики и др.

Источник: 3 (119)2016 Строительная техника и технологии

print