Внешний шестеренный насос: как он работает, применение и руководство по выбору

Что такое внешний шестеренчатый насос

Внешний шестеренный насос представляет собой разновидность объемного насоса. гидравлический насос который перемещает жидкость, захватывая ее между зубьями двух шестерен, находящихся в зацеплении снаружи, и внутренней стенкой корпуса насоса. Это одна из старейших и наиболее широко используемых конструкций насосов в гидротехнике, которая ценится за механическую простоту, широкий рабочий диапазон и надежную работу в сложных промышленных условиях.

Насос состоит из четырех основных компонентов: приводная шестерня подключен непосредственно к источнику питания, ведомая шестерня который вращается в противоположном направлении за счет контакта с сеткой, жесткий допуск жилье который охватывает обе шестерни, и несущие блоки или боковые пластины, которые герметизируют поверхности шестерен и поддерживают точные зазоры, необходимые для эффективной передачи жидкости. Здесь нет клапанов, элементов изменяемой геометрии и сложных внутренних механизмов — всю работу делает геометрия зубьев шестерни и корпуса.

Эта конструктивная простота является одним из определяющих коммерческих преимуществ насоса с внешней шестерней. Благодаря меньшему количеству деталей, чем практически любой другой тип гидравлического насоса, он дешевле в производстве, его легче обслуживать в полевых условиях, и он более устойчив к загрязненным или высоковязким жидкостям, которые могут повредить более хрупкие конструкции насоса.

Как работает внешний шестеренчатый насос

Принцип работы внешнего шестеренного насоса основан на непрерывном трехфазном цикле, который повторяется при каждом обороте приводного вала.

Фаза 1 — Прием: Поскольку две шестерни вращаются в направлении друг от друга на впускной стороне насоса, расцепляющиеся зубья создают расширяющийся объем между профилями зубьев шестерни, стенкой корпуса и поверхностями блока подшипников. Этот расширяющийся объем создает частичный вакуум во впускном отверстии. Атмосферное давление, действующее на жидкость в резервуаре, выталкивает жидкость в эту зону низкого давления, заполняя пространства между зубьями обеих шестерен.

Этап 2 — Передача: Жидкость, захваченная в пространствах зубьев, разносится по внешней стороне обеих шестерен — между зубьями шестерни и стенкой корпуса — от впускной стороны к выпускной стороне. Крайне важно, чтобы жидкость не проходила через точку зацепления между двумя шестернями. Жесткий допуск между наконечниками шестерен и отверстием корпуса предотвращает утечку жидкости обратно, гарантируя, что практически весь захваченный объем перемещается вперед при каждом обороте.

Этап 3 — Выписка: Когда зубья шестерни снова начинают сцепляться друг с другом на выпускной стороне, они постепенно уменьшают доступный объем между ними, выдавливая захваченную жидкость через выпускное отверстие под высоким давлением. Действие зацепления является непрерывным и плавным, обеспечивая относительно стабильный поток по сравнению с поршневыми поршневыми насосами.

Поскольку объем, перемещаемый за один оборот, фиксируется геометрией шестерни, выходной поток прямо пропорциональна скорости вращения . Удвоение скорости вала удваивает скорость потока. Эта предсказуемая линейная зависимость упрощает настройку и управление внешними шестеренчатыми насосами при проектировании системы.

Ключевые характеристики производительности

Понимание рабочего диапазона внешнего шестеренного насоса необходимо для его правильного подбора к гидравлической системе. Следующие параметры определяют, где внешние шестеренные насосы работают лучше всего и где проявляются их ограничения.

Диапазон давления: Стандартные шестеренные насосы с внешним приводом комфортно работают в диапазоне от 150 до 250 бар (от 2200 до 3600 фунтов на квадратный дюйм). Промышленные конструкции с высокими техническими характеристиками могут достигать давления 300 бар (4350 фунтов на квадратный дюйм) при длительной работе. Выше этих пороговых значений внутренние утечки через зазоры между шестерней и корпусом значительно увеличиваются, что снижает объемный КПД и выделяет тепло. Для длительного режима работы при очень высоком давлении выше 350 бар, как правило, более подходящим выбором являются поршневые насосы.

Расход и смещение: Смещение определяется шириной шестерни, диаметром делительной окружности и профилем зуба. Коммерческие агрегаты варьируются от менее 1 куб.см/об для систем точного дозирования до более 200 куб.см/об для мобильных гидравлических систем с высоким расходом. Расход от одного насосного агрегата обычно составляет от 2 до 250 литров в минуту при номинальной скорости, при этом тандемные или многонасосные агрегаты способны объединять потоки из отдельных секций на общем приводном валу.

Диапазон вязкости: Шестеренчатые насосы с внешним зацеплением работают в очень широком диапазоне вязкости — обычно от 10 до 300 сантистоксов (сСт), что делает их пригодными для стандартных гидравлических масел, трансмиссионных масел, мазута и различных промышленных технологических жидкостей. Их способность перекачивать жидкости высокой вязкости без риска кавитации, которая влияет на конструкции лопастных насосов, является значительным эксплуатационным преимуществом в условиях холодного запуска или при использовании более густых марок жидкостей.

Шум и пульсация: Шестеренчатые насосы с внешним зацеплением производят более громкий шум, чем лопастные насосы эквивалентного рабочего объема, в первую очередь из-за частоты зацепления шестерен и дискретных импульсов давления, генерируемых при зацеплении и расцеплении каждой пары зубьев. Оптимизация профиля зубьев шестерни, конструкция косозубых шестерен и акустические корпуса могут снизить уровень шума, но собственный шум зубчатого зацепления остается характеристикой конструкции, которую системные инженеры должны учитывать в чувствительных к шуму установках.

Возможность самовсасывания: Шестеренчатые насосы с внешним механизмом всасывания являются самовсасывающими и могут всасывать жидкость ниже центральной линии насоса при условии, что всасывающая линия имеет правильный размер и вязкость жидкости находится в допустимых пределах. Эта характеристика упрощает размещение резервуара и уменьшает ограничения при установке мобильного оборудования, где расположение резервуара часто определяется геометрией транспортного средства.

Общие приложения

Сочетание простоты, экономичности и надежности объемного вытеснения сделало шестеренные насосы с внешним шестеренчатым насосом выбором по умолчанию в широком спектре промышленных и мобильных гидравлических систем.

Мобильная гидравлика и строительная техника: Экскаваторы, колесные погрузчики, телескопические погрузчики и сельскохозяйственные тракторы используют внешние шестеренные насосы для усиления рулевого управления, реализации гидравлики и вспомогательных функций. Их надежность в средах с вибрацией, загрязненной жидкостью и резкими перепадами температур делает их естественным выбором для оборудования, работающего вдали от объектов технического обслуживания.

Системы смазки: Станки, коробки передач, компрессоры и двигатели используют внешние шестеренчатые насосы в качестве смазочных масляных насосов. Непрерывная, безимпульсная подача при более низких давлениях, необходимых для контуров смазки, точно соответствует выходным характеристикам насоса, а объемный характер гарантирует подачу масла даже на низких скоростях во время запуска — критического периода, когда защита подшипников наиболее важна.

Гидросиловые агрегаты (ГСУ): В стационарных промышленных энергоблоках внешние шестеренные насосы служат основным источником потока для систем зажима, формования и приведения в действие в прессовом оборудовании, оборудовании для литья под давлением и системах транспортировки материалов. Их компактный размер по сравнению с их производительностью и простой профиль обслуживания снижают общую стоимость владения в течение длительного срока службы.

Дозирование и перекачка жидкости: Поскольку выходной поток прямо пропорционален скорости и имеет высокую повторяемость, внешние шестеренные насосы широко используются в системах дозирования химикатов, устройствах для нанесения красок и покрытий, а также в системах перекачки пищевых жидкостей, где требуется точная и непрерывная подача измеренного объема в единицу времени.

Сельскохозяйственная техника: Тракторы зависят от внешних шестеренчатых насосов с приводом от двигателя, которые подают поток в гидравлику задней навески, контуры выносных цилиндров и гидроусилитель рулевого управления. Способность насоса самовсасываться и работать в широком диапазоне скоростей — от низких холостых оборотов до полной скорости двигателя — соответствует переменным условиям эксплуатации, присущим циклам сельскохозяйственных работ.

Внешний шестеренный насос по сравнению с другими типами гидравлических насосов

Выбор правильного типа насоса для гидравлической системы требует понимания того, как внешние шестеренные насосы сравниваются с альтернативами по ключевым параметрам производительности: давлению, эффективности, шуму и стоимости.

Внешний шестеренный насос и лопастной насос: Лопастные насосы работают по другому принципу смещения — подпружиненные или нагруженные давлением лопасти скользят внутрь и наружу пазов ротора, создавая переменные камеры между ротором, лопастями и кулачковым кольцом. Лопастные насосы обычно производят более низкий уровень шума, чем внешние шестеренные насосы аналогичного объема, что делает их предпочтительными в чувствительных к шуму станках и промышленных прессах. Однако лопастные насосы более чувствительны к загрязнению жидкости и требуют минимальной вязкости на входе для поддержания адекватной смазки лопастей. Шестеренчатые насосы с внешним зацеплением допускают более широкий диапазон вязкости и менее чувствительны к чистоте жидкости, что дает им преимущество в мобильном оборудовании и приложениях, где состояние жидкости сложнее контролировать. Для задач с низким и средним давлением, где шум является приоритетом, лопастные насосы часто являются лучшим выбором; там, где надежность и гибкость вязкости имеют большее значение, преимущество имеют внешние шестеренные насосы.

Внешний шестеренный насос против поршневого насоса: Поршневые насосы являются высокопроизводительной альтернативой для применений, требующих непрерывной работы при давлении выше 250 бар, высокого объемного КПД в широком диапазоне скоростей или переменного рабочего объема в соответствии с потребностями системы. Они достигают эффективности от 90 до 95% в оптимальных условиях по сравнению с 80-90% для внешних шестеренных насосов и могут поддерживать работу при давлении от 350 до 450 бар в сложных промышленных циклах. Компромиссом является значительно более высокая стоимость единицы продукции, большая чувствительность к чистоте жидкости и более сложные требования к техническому обслуживанию. Шестеренчатые насосы с внешним приводом остаются экономически рациональным выбором для применений с постоянной производительностью и умеренным давлением, где более высокие затраты на приобретение и обслуживание поршневого насоса не оправданы требованиями к производительности.

Как правильно выбрать внешний шестеренный насос

Для правильного выбора внешнего шестеренного насоса необходимо последовательно проработать несколько взаимозависимых параметров. Использование насоса меньшего или слишком большого размера создает проблемы с эффективностью и надежностью, которые трудно исправить без замены агрегата.

Шаг 1 — Определите требуемый расход. Рассчитайте общую потребность в расходе всех приводов в системе, принимая во внимание одновременную работу, где это применимо. Выразите это в литрах в минуту (л/мин) при предполагаемой рабочей скорости. Поскольку расход пропорционален скорости и рабочему объему, выберите рабочий объем (см3/об), который обеспечивает требуемый расход при расчетной скорости вала с запасом от 10 до 15 %, чтобы учесть объемные потери.

Шаг 2. Подтвердите требования к давлению в системе. Определите максимальное рабочее давление, которое должен выдерживать насос, включая переходные скачки давления из-за ударов нагрузки или переключения клапана. Убедитесь, что номинальное постоянное давление выбранного насоса превышает максимальное рабочее давление системы и что его номинальное пиковое давление выдерживает ожидаемые скачки давления. Постоянная работа насоса при максимальном номинальном давлении ускоряет износ шестерен и подшипников.

Шаг 3. Проверьте совместимость жидкости по вязкости. Проверьте рабочую вязкость гидравлической жидкости как при минимальной (горячая, низкая нагрузка), так и при максимальной (холодный запуск) рабочих температурах. Вязкость жидкости должна оставаться в пределах указанного диапазона насоса на протяжении всего рабочего цикла. Если ожидается, что вязкость при холодном запуске превысит 300 сСт, следует рассмотреть вариант предварительного нагрева или насос, рассчитанный на более высокую вязкость на входе.

Шаг 4 — Проверьте скорость вала и конфигурацию привода. Внешние шестеренные насосы имеют как минимальную, так и максимальную скорость. Работа на скорости ниже минимальной может привести к недостаточному самовсасыванию и плохой внутренней смазке. Работа на скорости выше максимальной приводит к кавитации и ускоренному износу подшипников. Убедитесь, что скорость привода — от электродвигателя, от механизма отбора мощности двигателя или от коробки передач — находится в пределах номинального диапазона скоростей насоса во всех рабочих условиях.

Шаг 5. Рассмотрите возможность монтажа и настройки портов. Шестеренчатые насосы доступны с фланцами по стандартам SAE, ISO и конкретным производителем, а также с различными конфигурациями вала (со шпонками, шлицами или конусами). Во избежание чрезмерного ограничения на входе убедитесь, что монтажный интерфейс выбранного насоса совместим с доступной конфигурацией привода и что размеры портов соответствуют размерам линии системы.

Техническое обслуживание и распространенные виды отказов

Шестеренчатые насосы с внешним зацеплением являются одними из самых надежных компонентов гидравлической системы, но они не требуют технического обслуживания. Понимание наиболее распространенных механизмов отказов помогает инженерам устанавливать соответствующие интервалы обслуживания и выявлять проблемы до того, как они станут дорогостоящими.

Адгезивный износ на поверхностях шестерен и отверстии корпуса. является наиболее распространенным механизмом износа в шестеренных насосах с внешним зацеплением, работающих в пределах расчетного диапазона. Со временем поверхности с жесткими допусками между наконечниками шестерен и корпусом подвергаются микроскопическому износу, что приводит к увеличению внутренних зазоров и снижению объемного КПД. Насос, который в новом состоянии показывал КПД 95 %, может упасть до 80 % или ниже после продолжительной эксплуатации, что приводит к повышению температуры жидкости и снижению производительности привода. Регулярный мониторинг производительности системы и тенденций температуры жидкости обеспечивает раннее предупреждение о снижении эффективности до того, как насос полностью выйдет из строя.

Кавитация происходит, когда давление жидкости на входе насоса падает ниже давления паров жидкости, в результате чего пузырьки пара образуются в зонах низкого давления, а затем резко разрушаются при попадании в области более высокого давления. Энергия имплозии разрушает поверхности зубьев шестерни и стенки корпуса, образуя характерный точечный рисунок, видимый при осмотре. Кавитация обычно возникает из-за недостаточного диаметра или ограничения всасывающей линии, чрезмерной вязкости жидкости при холодном запуске, засорения всасывающего фильтра или работы насоса на скоростях, превышающих расчетные. Для предотвращения кавитации необходимы правильный размер всасывающей линии, регулярное обслуживание фильтра и соответствующие процедуры холодного запуска.

Истирание, вызванное загрязнением влияет на профили зубьев шестерен, поверхности подшипников и отверстие корпуса, когда в насос попадают твердые частицы, превышающие порог фильтрации системы. В отличие от поршневых насосов, внешние шестеренные насосы относительно устойчивы к умеренному загрязнению, но продолжительная работа с сильно загрязненной жидкостью приводит к ускоренному износу всех внутренних поверхностей. Поддержание гидравлической жидкости в соответствии с кодом чистоты ISO 16/14/11 или выше значительно продлевает срок службы насоса и сокращает время незапланированных простоев.

Выход из строя уплотнения вала является обычным предметом технического обслуживания, особенно на насосах, подверженных повышенному давлению в корпусе или термоциклированию. Протекшее уплотнение вала обычно является первым признаком разрушения уплотнения, и его следует устранить до того, как утечка перерастет в внешнюю потерю жидкости или попадание воздуха через поврежденную кромку уплотнения при обратном ходе. Уплотнения вала являются недорогими компонентами, и их замена при первых признаках выхода из строя гораздо более экономична, чем допускать перерастание проблемы в повреждение подшипников или загрязнение корпуса.

В качестве общего руководства по техническому обслуживанию следует проверять всасывающие фильтры каждые 500–1000 часов работы, заменять гидравлическую жидкость и фильтры возвратной линии в соответствии с графиком производителя системы, а также контролировать давление и температуру на выходе насоса при каждом запланированном интервале обслуживания, чтобы отслеживать динамику эффективности.