Хидравлични зъбни помпи

ХидравликаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 3, 2012

Зъбните помпи спадат към групата на обемните ротационни помпи (ОРП). При тях увеличаването на енергията на работната течност става в множество работни камери, образувани между елементите на ротора и статора, и извършващи въртеливо движение. В процеса на работа обемът на тези камери непрекъснато се променя и се реализира т. нар. обемен принцип на действие. При увеличаване на обемите на работните камери във всяка една се извършва засмукване на определено количество течност, а при последващото намаляване на обемите, течността се нагнетява към изходящия отвор на машината.

Зъбните помпи са исторически първият тип ОРП (известни са от 16 век). Това е и най-разпространеният вид от тази група, което се дължи на простата конструкция, компактност, надеждност, относително ниска цена и пригодност за много приложения. Основните разновидности на зъбните помпи са две - с външно и вътрешно зацепване на зъбните колела. Понякога към групата на зъбните помпи се включват и други конструкции, например героторните помпи. Основните недостатъци на този тип машини са, че те изискват добра филтрация на работната течност срещу твърди примеси, съществуват неуравновесени сили от налягане, нарастващите хлабини в процеса на експлоатация увеличават обемните загуби. Допустимата температура на работната течност е от -15 до +80 °С и вискозитет между 10 и 300 mm2/s.

Зъбни помпи с външно зацепване
Те са най-разпространената конструкция (фиг. 1). Две еднакви зъбни колела, зацепени помежду си, са поставени в тялото (статора) на помпата. Едното зъбно колело е водещо и е монтирано на вал, който излиза извън тялото и се задвижва от двигател. Другото зъбно колело е водимо и се върти от водещото. Радиалните и страничните хлабини между зъбните колела и статора се реализират възможно най-малки, за намаляване на обемните загуби. Най-често колелата са с прави зъби и еволвентно зацепване. По-рядко се изпълняват с наклонени и шевронни зъби. Работните камери се образуват от повърхностите на два съседни зъба и вътрешните повърхности на статора. При въртене в указаната на фигурата посока, течността постъпва от смукателната страна S в освободените между зъбите празнини, които се получават при отцепването им. Течността се пренася в пространствата, образувани между зъбите и статора към нагнетателната страна Р. При зацепването на зъбите обемът на междузъбните пространства намалява и работната течност се изтласква към изхода. Намиращата се в зацепване двойка зъби представлява своеобразно подвижно уплътнение, отделящо смукателното от нагнетателното пространство.
Максималното работно налягане на по-старите модели обикновено е 10 - 15 МРа. Съвременните помпи постигат налягания 30 МРа (в зависимост от типоразмера).

Серийно се произвеждат помпи с работен обем до 200 cm3 и честота на въртене 500 - 6000 min-1. При качествена изработка експлоатационният срок достига 6000 часа. Общият к. п. д. на добрите съвременни образци е 0.87 – 0.9. Теглото на единица мощност е 10 – 15 N/kW, а при някои конструкции за високо налягане пада до 8 – 10 N/kW.

При две еднакви зъбни колела специфичният обем може да се пресметне приблизително по израза: q = 2pbm2 (z + 1), където b е широчината на зъбите, z е броят им, а m - модулът. Дебитът Q се определя по  израза Q = qnhQ, където n е честотата на въртене, а hQ е обемният к. п. д., който за зъбните помпи е hQ = 0,85 ё 0,95.

Източници на обемни загуби
Обемните загуби имат два основни източника: протечки през радиалната хлабина между външните цилиндрични повърхнини на зъбните колела и дъгообразната повърхност на статора; протечки през хлабината между страничните повърхности на зъбните колела и статора. Освен това, при дефектни профили на зъбите и неправилен монтаж могат да възникнат протечки и по линията на контакт между зацепените зъби.
Обемните загуби през радиалната хлабина зависят от размера на хлабината, броя на зъбите и изходното налягане. Увеличаването на броя на зъбите увеличава местните хидравлични съпротивления, което намалява протечките. В процеса на експлоатация, поради износването на зъбните колела и статора, радиалната хлабина нараства, а следователно нарастват и протечките.

Протечките през страничните хлабини при относително ниски работни налягания не са големи, затова в такива случаи се използват зъбни помпи с фиксирани странични дискове на статора, които са много по-прости в конструктивно и технологично отношение. При помпите, работещи с високо налягане, тези протечки нарастват значително и могат да достигнат до 80% от общите обемни загуби, ако не се вземат подходящи конструктивни мерки. Намаляването на страничните хлабини е най-очевидната мярка, но това е възможно само до определена граница, тъй като допустимите грешки при изработването на детайлите могат да станат съизмерими с хлабините, което да доведе до заклинване. В зъбните помпи, предназначени за работа при налягания над 10 МРа, се използва устройство за автоматично уплътнение на зъбните колела, посредством което се предотвратява заклинването при едновременно осигуряване на малки странични хлабини, които автоматично се намаляват с увеличаване на работното налягане. Това устройство е известно като
хидравлична компенсация на страничната хлабина

Страничните дискове, в които лагеруват зъбните колела, са изработени от антифрикционен материал (бронзови или алуминиеви сплави) и се притискат към зъбните колела под действие на подведеното към тях налягане откъм изхода на помпата. Тези дискове са известни още като плаващи втулки. Площта, върху която действа налягането, е изчислена така, че се създава необходимият уплътнителен ефект без прекалено увеличение на триещия момент, което би намалило чувствително механичния к. п. д. По описания начин страничната хлабина се настройва автоматично, в зависимост от работното налягане. При ниско налягане протечките са малки, но и уплътнителната сила е по-малка, а това намалява и износването на дисковете. Освен това, износването на страничните дискове няма значим ефект върху обемните загуби, защото дисковете непрекъснато са притиснати към зъбните колела.

Към обемните загуби се отнася и намалението на дебита поради недозапълването на междузъбното пространство при преминаването на работните камери през смукателната страна на помпата. Запълването се възпрепятства от действащите върху течността значителни центробежни сили, тъй като тя се върти с ъглова скорост равна на тази на колелото. Центробежните сили се стремят да изтласкат течността навън от междузъбието, отново в смукателната страна. Освен това, центробежните сили са причина абсолютното налягане в основата на зъбите да е по-ниско от това на входа на помпата и там може да възникне локално кипене (кавитация) на течността. Това налага ограничаване на максималната честота на въртене на зъбните помпи до около 6000 min-1. Опитът показва, че за добро запълване на работните камери е нужно да се поддържа минимално абсолютно налягане на входа на помпата, за разпространените видове хидравлични масла, около 50 – 60 kPa. В много случаи се налага налягането дори да е по-голямо от атмосферното, което може да се постигне по различни начини. Съществуват и някои конструктивни методи за подобряване на пълненето.

Хидравлично уравновесяване
Поради разлика в наляганията (p2 > p1) зъбните колела и лагерите им са подложени на въздействието на значителни радиални сили, което може да доведе до блокиране на роторите. За разтоварване от радиалните сили се използва хидравлично уравновесяване. За целта нагнетателната страна на помпата се съединява посредством канали с диаметрално разположени камери. При реверсивните помпи подобно свързване се прави и за другата страна. Този начин на уравновесяване е показан на фиг. 2 позиция а. Друг способ е разтоварване през радиални, непресичащи се канали, съединяващи всяка двойка диаметрално разположени междузъбни пространства - фиг. 2 позиция b.

При определени условия в зацепването между зъбите може да бъде напълно затворена течност. Обемът на това пространство е променлив. Първоначално той намалява и поради малката свиваемост на маслото се получава голямо нарастване на налягането (компресия) - 1% намаляване на обема води до нарастване на налягането с около 150 bar. Увеличеното налягане дава допълнително радиално натоварване върху валовете и лагерите, и това предизвиква по-бързо износване. След намаляването следва увеличаване на обема, при което налягането пада, може да се създаде значителен вакуум и да възникне кавитация, създаваща условия за разрушаване на повърхността на зъбите. За избягване на това явление в страничните повърхнини, в мястото на зацепването се фрезоват два канала. Единият канал свързва затворения обем в периода на неговото намаление с нагнетателната страна на помпата. В периода на увеличаване на обема, другият канал свързва затвореното пространство със смукателната страна.

При много високи работни налягания е целесъобразно използването на многостъпални зъбни помпи, въпреки че теоретично и с едно стъпало може да се създаде произволно голямо налягане, но тогава силовото натоварване на работните елементи е много голямо. Два или повече комплекта работни елементи са свързани последователно в общо тяло. Дебитът на всяко стъпало трябва да е по-малък от дебита на предшестващото, за да се осигури добро запълване на междузъбията. Излишният флуид се отвежда обратно към смукателната страна на стъпалото през специални преливни клапани.

За получаване на по-голям дебит съществуват конструкции, при които едно централно разположено колело задвижва две други. По този начин теоретичният дебит се удвоява при малки габаритни размери. Поради увеличените протечки и намаления обемен к. п. д. действителният дебит ще е по-малък от удвоения.

Възможност за реверсивно изпълнение
По принцип зъбната помпа е реверсивна, т. е. при промяна на посоката на въртене на задвижващия вал се разменят смукателният и нагнетателният отвор. При реверсивното изпълнение обаче трябва да се предвиди конструктивно защита на уплътнението на изходящия вал от възможно недопустимо повишение на налягането при някоя от посоките на въртене. Конструкцията се усложнява още, ако трябва да се осигури реверсивност на помпа с компенсация на страничната хлабина. В този случай освен предпазване на уплътнението трябва да се осигури и подвеждане на високото налягане в камерите пред плаващите втулки и при двете посоки на въртене. Това се реализира чрез няколко клапана и канала, разположени в корпуса на помпата.

Контактът на профилите на правите зъби в процеса на зацепване става по цялата им дължина, затова при неточно изработване на зъбните колела водимото колело се движи на тласъци и се наблюдава бързо износване на работните повърхности на зъбите. Тези недостатъци практически се отстраняват при колела с наклонени и шевронни (стреловидни) зъби - фиг. 3. При тях влизането и излизането от зацепване става постепенно и това намалява влиянието на грешките в профила на зъба.

Практически се елиминира и компресията на течност в областта на зацепването. Пулсациите на дебита и въртящият момент при колела с наклонени зъби са по-малки. Недостатък на тези зъбни колела е възникването на значителни осови сили, които притискат силно зъбните колела към страничните повърхности на статора и могат да причинят интензивно износване. Това налага фиксиране на зъбните колела в осова посока чрез подходящо лагеруване. Този недостатък се отстранява при използване на шевронни зъбни колела, при които силите се уравновесяват.

Зъбни помпи с вътрешно зацепване
Те се отличават с компактност и по-малки габарити в сравнение с помпа с външно зацепване при същата производителност. Принципът на действие е същият. Течността, запълваща междузъбните пространства, се пренася от смукателната в нагнетателната страна. Съществуват две основни конструкции. При едната - фиг. 4а, засмукването и нагнетяването се извършва през дъгообразни прозорци, изпълнени в страничните капаци на корпуса. В другата конструкция, фиг. 4b, течността преминава през радиални отвори във външното колело. Най-често водещо е вътрешното зъбно колело с външни зъби. Обхващащото колело с вътрешни зъби и отворът в корпуса, в който то се върти, образуват плъзгащ лагер, който може да поеме значителни натоварвания. Смукателната и нагнетателната страна са отделени със сърпообразен уплътнителен елемент. Броят на зъбите на вътрешното колело е с 2-3 по-малък от този на външното. Максималното работно налягане  на масово произвежданите модели достига 30 МРа, работният обем е до 250 cm3 и честота на въртене 500 - 3000 min-1.

В зъбните помпи с вътрешно зацепване ъгълът на зацепване е значително по-голям и това осигурява по-добро и по-плавно запълване на работните камери, с което пък се понижават пулсациите на дебита и налягането. Това обуславя приложението им в стационарни машини (преси, металорежещи машини и др.) и в мобилни машини, работещи на закрито. Като цяло по-слабото разпространение на тези помпи е свързано с по-сложната технология на изработка и съответно по-високата им цена.

Героторни помпи
Героторните помпи са с вътрешно зацепване и специален профил на зъбите. Принципът на действие се изяснява от внимателното разглеждане на фиг. 5. Задвижващо е вътрешното колело, което има един зъб по-малко и е ексцентрично разположено спрямо външното колело, което осигурява зацепването. Засмукването и нагнетяването на течността се извършват през сърпообразни прозорци, изпълнени в страничните капаци. Отделянето на смукателната от нагнетателната страна (херметизацията) се осъществява благодарение на непрекъснатия контакт на зъбите на двете колела в разделителната област между смукателния и нагнетателния прозорец, дължащо се на специално оформения профил. Този тип помпи работят при сравнително ниски налягания и са особено подходящи за мазилни, горивни и охлаждащи системи. Отличават се с много тиха работа.



Ключови думи: Хидравлични, зъбни помпи



Top