Характеристики и устройство шестеренчатых насосов

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. Они делятся на два типа – внешнего и внутреннего зацепления.



Рис. 1. Схемы внешнего зацепления и распределение радиальных нагрузок

На рис. 1 показаны схемы внешнего зацепления шестеренчатого 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).

Насосы НШ 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 агрегата 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 агрегата. 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 агрегат 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.

Характер неравномерного распределения радиальных сил показан на рис. 1. По этой причине наиболее нагруженным узлом шестеренчатого насоса являются его подшипники. Типовая конструкция такого внешнего зацепления показана на рис. 2.



Рис. 2. Агрегат 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 агрегата.

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°.

ППри таких параметрах сдвиг зубьев по окружности на торцах шестерен составляет половину шага. Однако при работе косозубых шестерен возникают осевые усилия, которые прижимают шестерни к торцам корпуса.



Рис. 3. Насос НШ с косыми зубьями

На рис. 3 показан типовой насос НШ с косыми зубьями, а на рис. 4 – его аналог с зубьями специального профиля, который позволяет существенно снизить шум и повысить плавность работы.

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 такие агрегаты способны развивать давление до 28,0 МПа.



Рис. 4. Гидронасос с косыми зубьями специального профиля

Шестеренчатые 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 моделей унифицированы. Эта технология позволяет без лишних затрат выпускать однотипные агрегаты с различным рабочим объемом. Изменяется только длина корпуса, нарезанная из проката, и ширина шестерен.

На рис. 5 показана серия насосов НШ с различными унифицированными фланцами, крышками, валами, корпуса которых выполнены из однотипного алюминиевого проката соответствующего профиля. Такие агрегаты легко могут изготавливаться в многосекционном исполнении.



Рис. 5. Агрегат с корпусами из проката

Обычно специальный прокат для шестеренных насосов выпускается четырех типоразмеров. Из первой его группы изготавливаются модели 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 агрегатов (от 1,0 до 10,0 см3) с высоким давлением (до 20,0 МПа), третья группа – для средних (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 шестеренчатые 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 агрегатов с одинаковыми или различными рабочими объемами, в том числе состыкованными корпусами из профилей соседних групп.



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

На рис. 6 показаны трехсекционные агрегаты, выполненные из двух групп проката. На рис. 7 показан двухсекционный гидронасос, составленный из проката соседних групп.



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

На рис. 8 и 9 показаны основные узлы насосов НШ с внутренним зацеплением. Такие агрегаты 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.



Рис. 8. Качающий узел гидронасоса внутреннего зацепления

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.



Рис. 9. Агрегат внутреннего зацепления

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 агрегаты внешнего зацепления. Они просты в изготовлении, дешевы, неприхотливы в работе.

Такие насосы НШ 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 они нашли в строительно-дорожной, коммунальной, сельскохозяйственной технике. Также 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. Этими агрегатами оснащаются неполноповоротные экскаваторы, бульдозеры, дорожные катки, вилочные погрузчики и др.