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.
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.
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.
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.
Рис. 3. Шестеренный насос с косыми зубьями
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 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.
Рис. 6. Трехсекционные насосы, выполненные из двух групп проката
Рис. 7. Двухсекционный насос, составленный из проката соседних групп
На рис. 8 и 9 показаны основные узлы шестеренных насосов с внутренним зацеплением.
Рис. 8. Качающий узел шестеренного насоса 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