Типы гидронасосов: особенности, плюсы и минусы конструкций

Предназначение гидравлических насосов заключается в преобразовании энергии из механической в гидравлическую. Есть множество разновидностей гидронасосов, но все они объединены одним принципом действия, заключающимся в вытеснении жидкости. Применяющие данный принцип вытеснения насосы принято называть объемными. При работе внутри них происходит образование изолированных камер, где осуществляется перемещение рабочей жидкости из камеры всасывания в камеру нагнетания. Напрямую эти полости не соединены, но за счет объемных насосов совершается работа при высоком давлении в гидросистеме.

К важнейшим характеристикам гидронасосов стоит отнести показатели:

• Рабочего объема (удельной подачи) [см3/об] – объем жидкости, который вытесняется насосом за один оборот вала;

• Наибольшего рабочего давления [МПа, bar];

• Максимальной частоты вращения [об/мин].

Выбирая гидронасос, необходимо обратить внимание на следующие критерии:

• Размерные параметры;

• Интервал частот вращения;

• Удобство проведения обслуживающих мероприятий (доступ к механизмам);

• Диапазон показателей рабочих давлений;

• Цену;

• Интервал значений вязкости рабочей жидкости.

Далее перейдем к рассмотрению типов насосов, опишем их конструктивные плюсы и минусы.

Насосы поршневые

Самый простейший насос, работающий на принципе вытеснения жидкости, является ручным насосом. Данная разновидность применяется современной техникой в целях обеспечения гидравлической энергией гидродвигателей исполнительного типа (по большей части, линейного перемещения) механизмов вспомогательного плана. Также ручные насосы нередко выступают в качестве аварийных источников гидроэнергии. Такие насосы способны развивать давление до 50 МПа, но, в основном, они используются там, где показатели давления варьируются в интервале от 10 до 15 МПа при рабочем объеме до 70 см3. Рабочим объемом для такого вида насосов называется показатель суммарного объема жидкости, который вытесняется в ходе осуществления прямого и обратного хода рукоятки. Чаще всего, насосам, имеющим малый рабочий объем, свойственно достижение больших показателей давления, это происходит из-за ограничения силы, которую пользователь прикладывает к рычагу.

Алгоритм работы ручного насоса одностороннего действия: когда поршень идет вверх через обратный клапан, жидкость всасывается из бака, при этом клапан находится в закрытом состоянии. Когда поршень движется вниз, жидкость вытесняется через клапан первый клапан посредством напорного трубопровода, при этом второй клапан закрыт.

Плюсы:

• Высоконадежное устройство;

• Простая конструкция;

• Не использует приводной двигатель.

Минусы:

• Отличается низкой производительностью.

Насосы радиально-поршневые

Радиально-поршневыми насосами являются разновидности роторно-поршневых гидравлических машин. Они используются гидросистемами, имеющими высокое давление (больше 40 МПа), и могут на протяжении длительного времени обеспечивать давление до 100 МПа. Отличительная черта данной разновидности – это наличие тихоходности, частота вращения здесь чаще всего находится в интервале от 1500 до 2000 об/мин. Более высокую частоту вращения (до 3 тыс. об/мин) имеют насосы, рабочий объем которых составляет 2-3 см3/об.

Радиально-поршневые насосы подразделяются на два типа:

• Насосы, имеющие эксцентричный ротор;

• Насосы, имеющие эксцентричный вал.

Первый тип показан на рисунке ниже. Здесь видно, что установка конструктивно-поршневой группы осуществлена прямо в насосном роторе. Ось неподвижного статора и ось вращения ротора отличаются смещением, равным величине эксцентриситета e. Поступательные движения поршней видны во время вращения ротора, показатель величины хода составляет 2е. Такой тип насоса обладает золотниковым распределением. Во время вращения происходит поочередное соединение цилиндров с полостями нагнетания и слива, которые разделяет золотниковая перегородка, располагающаяся по центру.

На следующем рисунке показан радиально-поршневой насос, имеющий эксцентричный вал. Здесь видно, что расположение конструктивно-поршневой группы произведено в насосном статоре. Оси вращения вала и неподвижного статора в данном случае совпадают, а вал оснащен кулачком, смещение которого равно величине е, если сравнивать с центром вращения вала. Этот кулачок и инициирует поступательные поршневые движения при валовом вращении с величиной хода, составляющей 2е. Данная конструкция насоса отличается клапанным распределением. Во время валового вращения происходит выдвижение поршней из цилиндров и их наполнение жидкостью посредством клапанов всасывания. Жидкость нагнетается, когда поршни входят в цилиндры, это осуществляется за счет клапанов нагнетания. Для такой конструкции характерно использование в гидромоторах, она нечасто применяется в качестве насосной.

Расчет рабочего объема гидромашин такого типа осуществляется посредством следующей формулы:

Где z – количество поршней

dп – величина поршневого диаметра

е – эксцентриситет

Для радиально-поршневых насосов свойственно наличие конструкции, имеющей переменный рабочий объем, регулирование которого осуществляется посредством корректировки величины эксцентриситета.

Стоит добавить, что из двух типов вышеописанных радиально-поршневых насосов более распространены те, которые имеют эксцентричный вал. Виной этому их более простая конструкция. Далее представлены фото этих насосов.

Плюсы:

• Высоконадежные агрегаты;

• Простая конструкция;

• Возможность работы на больших давлениях (до 100 МПа);

• Отличаются небольшим осевым размером.

Минусы:

• Наличие высокой пульсации давления;

• Тяжелая, увесистая конструкция;

• Обладание малыми частотами валового вращения.

Насосы аксиально-поршневые

Аксиально-поршневыми насосами является вид роторно-поршневых гидравлических машин, имеющих аксиальное расположение цилиндров (они находятся вокруг оси цилиндрических блоков, расположены параллельно либо под незначительным углом относительно оси). Эти гидромашины подразделяются относительно типов вытеснителей и могут быть:

• Аксиально-плунжерными (вытеснитель – плунжер);

• Аксиально-поршневыми (вытеснитель – поршень).

Такой тип насосов наиболее распространен в гидроприводах. Они отличаются превосходством по конструктивному исполнению по сравнению с другими гидронасосами, имеют наилучшие размерно-весовые свойства (т.е. характеризуются высокой удельной мощностью), высокий КПД тоже нельзя списывать со счетов. Подача давления до 40 МПа – одна из ключевых особенностей данных насосов, также стоит отметить высокую частоту вращения (у обычных насосов – до 4 тыс. об/мин, у специализированных – до 20 тыс. об/мин).

Аксиально-поршневые насосы бывают двух типов:

• Насосы, имеющие наклонный блок (оси вращения цилиндрического блока и вала расположены под углом);

• Насосы, имеющие наклонный диск (оси совпадают).

Следующий рисунок отображает конструктивную схему аксиально-поршневого насоса, указанного в первом пункте. При вращении насосного вала происходит вращение и блока цилиндров, соединенного с валом шарнирами, так осуществляются поступательные поршневые движения. Распределитель обладает двумя пазами, соединенными с линиями нагнетания и всасывания, а блок цилиндров прилегает к нему. Когда поршень выдвигается, движение цилиндра происходит над пазом всасывания, осуществляется наполнение жидкостью. Пройдя нижнюю мертвую точку (поршень выдвинут по максимуму), цилиндр начинает соединяться с пазом нагнетания, происходит вытеснение жидкости до момента достижения верхней мертвой точки. (поршень по максимуму утоплен в цилиндр). Потом опять происходит соединение цилиндра и паза всасывания, все повторяется циклично. Такую распределительную систему называют золотниковой.

Происходящие из цилиндров в период нагнетания утечки имеют способность скапливаться в насосном корпусе, для этого и предусмотрена дренажная линия, она не позволяет допускать рос давления внутри корпуса. Ее заглушка может привести к поломке манжеты вала и разгерметизации самого насоса, а иногда – и к деформации насосного корпуса.

Конструкция насоса, имеющего наклонный диск:

Работа двух представленных на рисунках насосов аналогична. Насос на предыдущем рисунке тоже обладает золотниковым распределением. Их конструкции различаются лишь по соотношению осей блока цилиндров и вала.

Формула расчета рабочего объема аксиально-поршневого насоса:

Где z – количество цилиндров

dп – величина поршневого диаметра

Dц – величина диаметра расположения цилиндров

У – величина угла наклона блока (диска).

Для показанных эти типов насосов возможно исполнение, позволяющее изменять рабочий объем посредством корректировки угла наклона блока либо диска.

Аксиально-поршневым насосам необходимо синхронизировать вращение блока цилиндров и приводного вала. Синхронизация может производиться четырьмя способами:

• Одинарный (силовой) посредством кардана;

• Двойной (несиловой) посредством кардана;

• Бескарданный способ посредством поршневых шатунов;

• Синхронизация посредством конических зубчатых зацеплений.

Насос аксиально-поршневого типа, имеющий наклонный блок, изображен на рисунке ниже. Синхронизация здесь осуществляется согласно последнему пункту, через коническую зубчатую передачу.

Насос, имеющий наклонный диск:

Перейдем к рассмотрению еще одной популярной конструкции насоса, имеющего наклонный диск. Это аксиально-плунжерный насос, имеющий неподвижный блок, привод плунжерно-кулачкового типа и клапанный распределитель. Согласно ГОСТу 17398-72 этот насос относится к аксиально-кулачковому типу, его схематичное изображение представлено на рисунке ниже.

Этот насос обладает неподвижным блоком цилиндров, совмещенным с корпусом, наклонным диском, объединенным с валом и клапанным жидкостным распределителем. От вращения наклонного диска зависит ход плунжера. Распределительная система функционирует так: при выдвижении поршня из цилиндра в камере создается разряжение, и она наполняется жидкостью (из полости корпуса) посредством клапана всасывания. Когда поршень входит в цилиндр, клапан всасывания закрыт, и из рабочей камеры жидкость вытесняется посредством клапана нагнетания. Для некоторых конструкций насосов аксиально-кулачкового типа свойственная работа при давлении до 70 МПа.

Примечательно, что такая конструкция не обладает линией дренажа, всасывание происходит сразу из насосного корпуса. Показатель абсолютного давления в насосном корпусе ниже атмосферного. Поэтому уплотнение вала здесь особенно важно, если он выйдет из строя, то насос будет затягивать воздух, что приведет к образованию вибраций, грозящих поломкой самого насоса.

Расчет рабочего давления производится по той же формуле, что и для насосов аксиально-поршневого типа. Данная конструкция не предполагает возможность регулирования рабочего объема.

Плюсы:

• Простая конструкция;

• Отличается высоким КПД;

• Наличие высокой удельной мощности;

• Функционирование на давлениях до 70 МПа;

• Частота вращения, доходящая до 4 тыс. об/мин.

Минусы:

• Характеризуется высокой степенью пульсации давления;

• Обладание высокой стоимостью, если сравнивать с другими гидронасосами.

Насосы шестеренные

Шестеренные насосы имеют отношение к гидромашинам роторного типа. В качестве элементов вытеснения в них выступает пара вращающихся шестерней. Выделяют две разновидности: насосы внешнего и внутреннего зацепления. Стоит добавить, что героторные насосы являют собой частный случай шестеренных насосов внутреннего зацепления.

Широкое распространение шестеренных насосов обусловлено их применением гидросистемами с небольшими давлениями (до 20 МПа). Дорожная и сельхозтехника, смазочные системы и мобильная гидравлика не обходятся без использования данной разновидности насосов. Такому широчайшему распространению такие насосы обязаны своей простой конструкции, компактным габаритам и малому весу. Но благодаря вышеуказанной простоте, отмечается низкий КПД (не превышающий 0,85), небольшие показатели рабочего давления и ресурс. Такие насосы способны функционировать на частотах вращения до 5 тыс. об/мин.

Есть шестеренные насосы на более высокие давления (до 30 МПа), но они характеризуются еще более низким ресурсом.

Особенности шестеренных насосов внешнего зацепления

К важнейшим элементам этих насосов относятся шестерни, которые, вращаясь, осуществляют перенос жидкости, заключенной во впадинах зубьев, из линии всасывания в линию нагнетания. Объем жидкости, вытесняемой поверхностями зубьев А1 и А2, превышает объем пространства, высвобождаемого посредством зацепляющихся зубьев В1 и В2. В линию нагнетания и вытесняется показатель разности этих объемов. Там, где шестерни зацепляются, происходит образование областей запертого объема, что создает пульсацию давления.

Расчет рабочего объема шестеренного насоса осуществляется по формуле:

Где m является модулем зубьев

z представляет количество зубьев

b - ширину зуба

h – высоту зуба

В конструкциях насосов внешнего зацепления чаще всего используются шестерни с прямым зубом, но есть насосы с косыми и шевронными зубьями. Косой зуб способствует уменьшению уровня пульсаций, т.к. не происходит образование запертых объемов. К недостаткам таких конструкций относят наличие осевой силы, воспринимать которую помогает использование подшипников. Такого недостатка нет в конструкциях, имеющих шевронный зуб, здесь компенсация осевой силы происходит за счет формы зуба. У такого насоса уровень пульсаций тоже небольшой.

Плюсы:

• Обладание простой конструкцией;

• Величина частоты вращения до 5 тыс. об/мин;

• Небольшая цена.

Минусы:

• Высокий уровень пульсации давления;

• Наличие низкого КПД;

• Применение при относительно низких давлениях.

Особенности шестеренных насосов внутреннего зацепления

Данная разновидность насосов отличается тем, что обладает меньшим уровнем пульсаций, что способствует снижению их шумового уровня. Такие насосы с успехом применяются стационарными машинами, механизмами и мобильной техникой, функционирующей в помещениях закрытого типа.

Шестеренные насосы с внутренним зацеплением работают по принципу насосов с внешним зацеплением, они переносят жидкость из шестеренных впадин от линии всасывания до линии нагнетания. Величина объема камеры, образующейся посредством зубьев шестерен и серпообразного разделителя в пределах зоны всасывания, во время вращения увеличивается. В этот момент из линии всасывания в рабочую камеру поступает жидкость. А в пределах зоны нагнетания рабочая жидкость вытесняется с уменьшением объема камеры вследствие шестеренного вращения.

Формула вычисления рабочего объема шестеренного насоса с внутренним зацеплением следующая:

Где m является модулем зубьев

z представляет количество зубьев внутренней шестерни

b – ширину зуба

h – высоту зуба

Плюсы:

• Отличается простой конструкцией;

• Характеризуется низким шумовым уровнем;

• Частота вращения, доходящая до 4 тыс. об/мин;

• Обладание небольшой стоимостью.

Минусы:

• Работа при относительно низких давлениях;

• Наличие низкого КПД.

Особенности героторных насосов

Героторные насосы выступают разновидностью шестеренных насосов внутреннего зацепления, только они не обладают серпообразным разделителем. Полости всасывания и нагнетания здесь разделяются специальным профилем, за счет которого происходит обеспечение постоянного шестеренного контакта. Работают героторные насосы аналогично шестеренным с внутренним зацеплением, применяются они чаще всего при небольших давлениях (не выше 15 Мпа) и скорости подачи (120 л/мин), а величина частот вращения. Как правило, не превышает 1500 об/мин.

Определение рабочего объема героторного насосов осуществляется по формуле:

Где Аmin/Аmax отображают минимальную и максимальную величины площади межзубьевой камеры

z представляет количество зубьев внутренней шестерни

b – ширину зуба

Плюсы:

• Наличие низкого шумового уровня;

• Обладание простотой конструкции.

Минусы:

• Наличие невысокого КПД;

• Достаточно высокая цена.

Особенности роторно-винтовых насосов

Насосы винтового типа тоже относят к разновидностям шестеренных. Здесь стоит отметить использование косозубых шестерней в качестве основных рабочих элементов, причем число зубьев равно количеству заходов винтовой нарезки. К важнейшему преимуществу такой конструкции причисляют равномерную подачу, которая способствует достижению пониженного шумового уровня. Еще одним немаловажным преимуществом выступает возможность перекачивания жидкостей, имеющих твердые включения. Работает такой насос при давлениях до 20 МПа, а частота вращения может доходить до 1500 об/мин.

Такие насосы применяются только специфическими гидросистемами, их сложно изготавливать, поэтому встречаются они нечасто. Согласно конструктивным особенностям. Насосы подразделяются на:

• Двухвинтовые;

• Трехвинтовые.

Плюсы:

• Наличие пониженного шумового уровня;

• Обладание низким уровнем пульсаций.

Минусы:

• Отличаются сложностью изготовления, поэтому и высокой стоимостью;

• Характеризуются невысоким КПД.

Пластинчатые насосы

К пластинчатым гидронасосам относят гидромашины, в качестве жидкостных вытеснителей в которых выступают пластины, располагающиеся радиально. Совершение ими возвратно-поступательных движений происходит во время вращения ротора. Отечественная литература именует такой вид пластин шиберами, а сам насос называют шиберным.

Среди пластинчатых гидронасосов выделяют насосы:

• Однократного действия (осуществление однократного процесса всасывания и нагнетания за один валовый оборот);

• Двойного действия (тот же самый процесс осуществляется дважды).

Для пластинчатых насосов характерно наличие низкого шумового уровня и отличной равномерности подачи. При всей своей компактности, они обладают весьма внушительными рабочими объемами, способны функционировать на давлениях до 21 МПа, а частоты вращения могут доходить до 1500 об/мин.

Особенности насоса однократного действия

Действует такой насос следующим образом: насосный ротор начинает вращаться при сообщении валу вращающего момента. Центробежная сила содействует прижатию пластин к корпусу статора, из-за чего происходит образование двух полостей, которые герметично разделены друг с другом. Когда пластины проходят зону всасывания, происходит увеличение объема рабочих камер, располагающихся между ними, и осуществляется всасывание жидкости. Когда пластины проходят область нагнетания, наоборот, происходит уменьшение объема рабочих камер, и жидкость вытесняется в линию нагнетания. Чтобы пластины в области нагнетания прижались, из линии нагнетания подается давление. Иногда, для дополнительного прижима под пластины устанавливаются пружины.

Расчет рабочего объема пластинчатого насоса однократного действия осуществляется по формуле:

Где e является эксцентриситетом

b – шириной пластины

Конструктивное исполнение этих насосов подразумевает использование регулировки рабочего объема, это происходит при изменении показателя эксцентриситета.

Плюсы:

• Отличаются низким шумовым уровнем;

• Характеризуются пониженным уровнем пульсаций;

• Рабочий объем поддается регулировке;

• Наличие приемлемой стоимости;

• Минимум требовательности относительно чистоты рабочей жидкости.

Минусы:

• Работа при невысоком давлении (до 7 МПа);

• Испытывание роторными подшипниками больших нагрузок;

• Сложно уплотнить пластинные торцы;

• Низкие показатели ремонтопригодности.

Особенности насоса двойного действия

Принципы функционирования насосов двойного и однократного действия идентичны. Данная разновидность обладает лишь двумя зонами всасывания и двумя зонами нагнетания. Чтобы пластины в области нагнетания прижались, тоже подается давление нагнетания.

Формула вычисления рабочего объема пластинчатого насоса двойного действия следующая:

Где b является шириной платины

Плюсы:

• Обладает пониженным шумовым уровнем;

• Характеризуется низким уровнем пульсаций;

• Можно отрегулировать рабочий объем;

• Наличие приемлемой стоимости;

• Радиальные роторные нагрузки уравновешены;

• Небольшие показатели требовательности относительно частоты используемой жидкости;

• Работа при достаточно больших давлениях (до 21 МПа).

Минусы:

• Сложности в уплотнении пластинных торцов;

• Низкий показатель ремонтоспособности.

Критерии, влияющие на выбор насоса

Выбирая тот или иной тип насоса, необходимо, в первую очередь, знать об условиях функционирования гидросистемы, где его предполагается использовать. Нужно заранее осведомиться о ее назначении и требованиях, предъявляемых к потоку рабочей жидкости, а, точнее, к его величине.

К важнейшим параметрам, на которые стоит обратить внимание, выбирая насос, относятся:

• Показатели уровня возможных давлений рабочей жидкости;

• Величина диапазона вязкости рабочей жидкости;

• Параметры чистоты рабочей жидкости (ее класс);

• Экономическая целесообразность использования.

Ряд основных причин выхода насосов из строя

Пристальное внимание к условиям функционирования насосов позволит качественно улучшить и продлить их эксплуатацию. Неисправности в работе насосов чаще всего возникают из-за:

• Масляного голодания;

• Превышения внутрикорпусного давления;

• Попадания инородных, загрязняющих частиц;

• Превышения показателя допустимых оборотов;

• Работы с перегрузками относительно давления;

• Перегрева рабочей жидкости;

• Функционирования на основе водно-масляной эмульсии.

• Работы на основе воздушно-масляной смеси.

Итоги

Статья знакомит читателей с базовыми сведениями о наиболее распространенных и часто применяемых гидравлических насосах и их разновидностях, выявляя важнейшие преимущества и характерные минусы гидромашин. Материал располагает разнообразными схемами и фотографиями, наглядно показывающими внешний вид и принципы работы гидронасосов, что способствует еще лучшему пониманию и усвоению информации.