Основы гидравлики





Насосы шестеренные (зубчатые)



Шестеренные насосы являются объемными роторными гидромашинами с вытеснителями в виде зубчатых колес. Из всех роторных насосов они имеют наиболее простую конструкцию.

шестеренные насосы

Шестеренные насосы бывают с внешним и внутренним зацеплением. В насосах с внешним зацеплением, получивших наибольшее распространение, при вращении шестерен жидкость, заключенная во впадинах шестерен, переносится из полости всасывания в полость нагнетания и затем выдавливается в напорную линию зубьями шестерен, вступающими в зацепление. Число зубьев у шестерен принимают обычно равным 6…12.
В полости всасывания зубья выходят из зацепления, и освобождаемый объем заполняется жидкостью. Процесс имеет циклический характер и повторяется непрерывно с вращением шестерен.

Величина объемного КПД шестеренного (зубчатого) насоса в основном зависит от утечек жидкости через зазоры, образованные головками зубьев и корпусом насоса, а также между торцовыми поверхностями шестерен и боковыми стенками насоса.
Кроме того, дополнительно возникают утечки по линии контакта зубьев. Максимально объемный КПД таких насосов не превышает 0,8…0,95. Для уменьшения утечек стремятся подогнать сопрягаемые детали насоса и сделать минимальными зазоры между шестернями и корпусом насоса. При изготовлении зубьев с высокой точностью утечки по линии их контакта могут быть сведены к нулю.
Шестеренные насосы с внутренним зацеплением применяют значительно реже, чем насосы с внешним зацеплением из-за высоких требований к точности изготовления. Основное их преимущество в сравнении с шестеренными насосами внешнего зацепления – компактность.

Перечисляя технические особенности шестеренных насосов, стоит отметить, что в такого рода насосах применяются только прямозубые шестерни.

***

Преимущества и недостатки шестеренных насосов

Зубчатым (или шестеренным) насосам присущи все достоинства и недостатки объемных насосов, которые описаны здесь. Отдельно следует отметить, что шестеренные насосы - самые простые по конструкции и самые дешевые из объемных насосов. Они отличаются компактностью, высокой надежностью работы, относительно высоким КПД (до 80%), низкими требованиями к очистке рабочей жидкости (насосы работоспособны, если тонкость фильтрации не хуже 100 мкм).
В этих машинах отсутствуют элементы, подверженные неуравновешенному действию центробежных сил или движущиеся с ускорением, что позволяет эксплуатировать их при частоте вращения до n = 30 с-1.

С технической точки зрения очень удобным является то, что большинство шестеренных насосов не нуждаются в смазке, так как роль её выполняет рабочая жидкость.

Существенный недостаток шестеренных насосов – пульсация жидкости на выходе, вызываемая конструктивными особенностями зубчатого зацепления. Пульсация потока приводит к пульсации давления и повышенному шуму (до 90 дБ).
Кроме того, при работе шестеренных насосов возникает большая по величине и постоянная по направлению нагрузка на опоры шестерен, вызванная разностью давлений в напорной и всасывающей камерах. Эта сила вызывает повышенное изнашивание опор, что снижает долговечность насоса.

Полный КПД большинства шестеренных насосов обычно не превышает 0,6…0,75, эта величина является наименьшей по сравнению с полным КПД объемных насосов других типов.
Кроме того, шестеренные насосы характерны небольшим сроком службы при работе с высоким давлением. Поэтому их рекомендуется применять в тех гидромашинах и гидроприводах, где величина КПД не имеет существенного значения.

***

Область применения шестеренных насосов

Шестеренные насосы применяют в приводах технологического оборудования при сравнительно небольших давлениях (до 2,5 МПа). Такие насосы применяются чаще всего для перекачивания вязких жидкостей: масла, нефти, мазута, дизельного топлива, легко застывающих жидкостей (например, битума, парафина или вискозы), не содержащих механических примесей. Они широко распространены в машиностроении, нефтяной и химической промышленности, коммунальном и сельском хозяйстве, строительстве.

***



Принцип работы шестеренного насоса

Простейший шестеренный насос состоит из пары одинаковых шестерен - ведущей и ведомой, находящихся в зацеплении и помещенных в корпусе насоса (статоре) с малыми торцовыми и радиальными зазорами. Ведущая шестерня приводится во вращение двигателем.
принцип работы шестеренного насоса При вращении шестерен жидкость, заполняющая впадины между зубьями, перемещается из полости всасывания в полость нагнетания. Так как крышка корпуса насоса достаточно плотно прилегает к торцам шестерен, то жидкость выжимается из впадин, когда зубья входят в зацепление на противоположной нагнетательной стороне насоса. Перетеканию жидкости в обратном направлении препятствует плотное сцепление зубьев шестерен.

Вследствие разности давлений на всасывающей и нагнетательной сторонах шестерни подвергаются воздействию радиальных сил, что может привести к заклиниванию ротора. Чтобы предотвратить чрезмерное увеличение давления в области нагнетания и образование вакуума на противоположной стороне при отходе зуба из впадин, в корпусе насосов выполняют разгрузочные каналы для выравнивания давления. Для этих же целей могут служить каналы и в роторных шестернях, полученные сверлением отверстий во впадинах зубьев.
В насосах высокого давления (свыше 10 МПа) торцовые зазоры уплотнены специальными "плавающими" втулками, которые прижимаются к шестерням при повышенном давлении. Для повышения давления жидкости применяют многоступенчатые шестеренные насосы, в которых подача каждой последующей ступени меньше подачи предыдущей. Они развивают давление до 20 МПа.

Шестеренный (или зубчатый) насос, представленный на рис. 1, состоит из корпуса 1, в цилиндрических расточках которого с минимальными радиальными зазорами располагаются зубчатые колеса 2 и 3. Корпус закрыт с двух сторон крышками.
принцип работы шестеренного насоса Рабочие камеры всасывания В и нагнетания H образованы поверхностями корпуса, крышек и зубчатых колес. Одно из колес приводится во вращение от приводного электродвигателя, второе вращается за счет зубчатого зацепления (является ведомым).

При вращении шестерен зубья выходят из зацепления в камере В, освобождающиеся впадины увеличивают объем камеры, что приводит к образованию в ней вакуума рвак.
За счет разности давлений в баке насосной станции (рa > рвак) и камере В жидкость заполняет освободившийся объем – происходит процесс всасывания.
Во впадинах вращающиеся шестерни переносят масло из камеры В в камеру нагнетания Н.

При входе зубьев в зацепление жидкость вытесняется из впадин под избыточным давлением ризб в напорную линию привода или системы – происходит процесс нагнетания.

Теоретическую производительность шестеренного насоса определяют по формуле:

Qm = 2πm2zbn, м3      (1)

где: m, z, b – модуль, число зубьев, ширина венца ведущего зубчатого колеса;
n – частота вращения вала насоса.

Анализ формулы (1) показывает, что производительность (подачу) данного насоса можно изменить только за счет регулирования частоты вращения вала приводного двигателя, следовательно, сам по себе шестеренный насос представляет собой нерегулируемую гидравлическую машину.

***

Условные обозначения и маркировка шестеренных насосов

Буквенные и цифровые обозначения в маркировке шестеренных насосов означают следующее:

  • НШ – насос шестеренный;
  • М – для работы с маслами;
  • Г – насос с обогревом (охлаждением) корпуса;
  • Ф – насос фланцевого крепления (если буквы нет – насос на лапах).

Группы цифр и чисел, проставляемые через дефис:

  • Первая группа цифр - подача насоса в литрах за 100 оборотов;
  • Вторая группа цифр - максимальное давление, развиваемое насосом, кгс/см2;
  • Третья группа цифр - подача насоса в установке (агрегате), м3/час;
  • Четвертая группа цифр (обозначаемая через дробь) - давление на выходе из насоса в агрегате, кгс/см2.

После цифровых групп может присутствовать буквенное обозначение материала, из которого изготовлена проточная часть (корпус) насоса:

  • Ю - алюминий и его сплавы;
  • Б - бронза;
  • К - нержавеющая сталь;
  • Если буквенного обозначения материала в маркировке нет, значит проточная часть выполнена из чугуна.

Шестеренные насосы выпускают как правого, так и левого вращения, о чем есть указание на их корпусах знаками "Правый" или "Левый" (или буквами "Л", "П").

Кроме перечисленных выше обозначений насосов в их маркировке могут присутствовать и некоторые другие знаки, поясняющие конструктивные особенности.

В конце маркировки обычно проставляются технические условия на изготовление насоса.

Пример маркировки шестеренного насоса:

НМШГФ 0,6-25-0,25/25 Ю ТУ26-06-1558-89

здесь:
НМШГФ - насос масляный шестеренный с обогревом корпуса и фланцевым креплением;
0,6 - подача насоса в литрах на 100 оборотов;
25 - наибольшее давление насоса, кгс/см2;
0,25 - подача насоса в агрегате, м3/ч;
25 - давление на выходе из насоса в агрегате, кгс/см2;
Ю - материал проточной части насоса - алюминиевый сплав;
ТУ 26-06-1558-89 - обозначение технических условий.

В технических и графических характеристиках масляных насосов могут применяться следующие условные обозначения:

  • Q - подача, м3/час;
  • Р - давление насоса в агрегате, кгс/см2;
  • N - мощность насоса, кВт;
  • n - частота вращения, об/мин;
  • η - КПД, %;
  • - вакуумметрическая высота всасывания, м.

Надёжность шестеренного насоса во многом обеспечена использованием предохранительного клапана. Срабатывая, он должен обеспечивать сброс лишнего давления.
Предел срабатывания клапана устанавливается производителем и указывается в сопроводительной документации. Наиболее часто устанавливаемый предел срабатывания составляет примерно 1,5 величины рабочего давления насоса.

***

Основные характеристики шестеренных насосов

В таблице ниже приведены основные рабочие характеристики некоторых типов шестеренных насосов, часто применяющихся в машиностроении. Здесь же приведены параметры приводных двигателей для этих насосов.

Марка насоса
Подача,
м3/час
Давление
насоса,
кгс/см2
Потребная
мощность
двигателя,
кВт
Частота
вращения,
об/мин
НМШ 12-25-10/10-1
10
10
11
1450
НМШ 12-25-10/4-1
10
4
5,5
1450
НМШ 2-40-1,6/16-1
1,6
16
2,2
1450
НМШ 2-40-1,6/16-10
1,6
16
2,2
1450
НМШ 2-40-1,6/16-15
1,6
16
3
1450
НМШ 2-40-1,6/16-5
1,6
16
1,5
1450
НМШ 32-10-18/10-1
18
10
7,5
980
НМШ 32-10-18/10-5
18
10
7,5
980
НМШ 32-10-18/4-5
18
4
5,5
980
НМШ 32-10-18/6-1
18
6
5,5
980
НМШ 32-10-18/6-33
18
6
7
980
НМШ 32-10-18/6-5
18
6
5,5
980
НМШ 5-25-2,5/6-1
2,5
6
2,2
980
НМШ 5-25-2,5/6-10
2,5
6
2,2
980
НМШ 5-25-2,5/6-5
2,5
6
1,5
980
НМШ 5-25-4,0/10-5
4
10
3
1450
НМШ 5-25-4,0/25-1
4
25
5,5
1450
НМШ 5-25-4,0/25-5
4
25
5,5
1450
НМШ 8-25-6,3/10-1
6,3
10
4
1450
НМШ 8-25-6,3/2,5-5
6,3
2,5
1,5
1450
НМШГ 20-25-14/10-1
14
10
7,5
980
НМШГ 8-25-6,3/10-5
6,3
10
4
1450
НМШФ 0,6-25-0,25/25Ю-5
0,25
25
0,75
980
НМШФ 2-40-0,8/16Б-13
1,6
16
2,2
980
Ш 40-4-19,5/4-1
19,5
4
5,5
980
Ш 80-2,5-37,5/2,5-1
37,5
2,5
11
980

***

Пластинчатые насосы