Гидравлический насос

Гидравлический насос — это гидравлическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии приводного двигателя в энергию потока жидкости, с целью создания напора и перемещения рабочей жидкости (обычно масла) в гидросистеме.

Гидравлические насосы являются одним из основных элементов гидропривода, наряду с гидродвигателями (гидромоторами и гидроцилиндрами) и гидроаппаратурой управления. В отличие от насосов общего назначения (например, водяных), гидравлические насосы работают в условиях высокого давления (от 10 до 70 МПа и выше) и с использованием специальных масел, обладающих смазывающими свойствами. Основная функция насоса — создание потока жидкости, который, проходя через гидравлическую систему, приводит в движение исполнительные механизмы.

История развития

Первые прообразы гидравлических насосов появились в античности. В III веке до н. э. Архимед описал архимедов винт, а Ктесибий из Александрии создал двухцилиндровый поршневой насос, который использовался для подъёма воды. Однако современные гидравлические насосы, работающие под высоким давлением, начали развиваться в XVIII—XIX веках с развитием промышленности.

В 1795 году английский инженер Джозеф Брама запатентовал гидравлический пресс, для работы которого требовался насос высокого давления. В 1905 году американские инженеры Гарольд и Уильям Дженики разработали первый шестерённый насос с внешним зацеплением, который стал основой для многих современных гидросистем. В 1930-х годах были созданы аксиально-поршневые насосы, позволившие значительно увеличить рабочие давления и КПД гидроприводов. В СССР и России разработка гидравлических насосов велась в рамках развития авиации, станкостроения и тяжёлого машиностроения, в частности, в НИИ гидропривода и на заводах «Гидросила» (Кировоград, Украина) и «Пневмостроймашина» (Екатеринбург).

Классификация

Гидравлические насосы классифицируются по нескольким основным признакам.

По принципу действия

1. Объёмные насосы — наиболее распространённый тип в гидроприводах. Работают по принципу вытеснения жидкости из замкнутого объёма. Характеризуются постоянством подачи при изменении давления (теоретически) и способностью создавать высокое давление. К ним относятся:

• Шестерённые насосы (с внешним и внутренним зацеплением).
• Пластинчатые (шиберные) насосы.
• Поршневые насосы (аксиально-поршневые, радиально-поршневые).
• Винтовые насосы.

1. Динамические насосы — в гидроприводах применяются реже, в основном для создания потока с низким давлением и высокой подачей. К ним относятся центробежные и вихревые насосы. В гидросистемах они используются для подпитки объёмных насосов или в качестве насосов охлаждения.

По конструкции и типу вытеснителей

• Шестерённые насосы — состоят из двух или более шестерён, вращающихся в корпусе. Жидкость переносится во впадинах между зубьями. Делятся на насосы с внешним и внутренним зацеплением. Просты, надёжны, недороги, но имеют пульсации подачи и ограниченное давление (до 25 МПа).
• Пластинчатые насосы — имеют ротор с пазами, в которых установлены пластины (шиберы). При вращении ротора пластины под действием центробежной силы или пружин прижимаются к статору, образуя рабочие камеры. Обеспечивают равномерную подачу, но чувствительны к загрязнению жидкости.
• Аксиально-поршневые насосы — поршни расположены параллельно оси вращения блока цилиндров. При вращении блока поршни совершают возвратно-поступательное движение, всасывая и нагнетая жидкость. Позволяют регулировать рабочий объём (изменять подачу) и работать при высоких давлениях (до 40-70 МПа). Широко применяются в мобильной и промышленной гидравлике.
• Радиально-поршневые насосы — поршни расположены радиально относительно оси вращения. Обеспечивают очень высокие давления (до 100 МПа) и малую пульсацию, но имеют сложную конструкцию и большие габариты.
• Винтовые насосы — содержат один или несколько винтов (роторов), вращающихся в обойме. Обеспечивают плавную, бесшумную подачу жидкости, но имеют ограниченное давление (до 10 МПа).

По возможности регулирования

• Нерегулируемые насосы — имеют постоянный рабочий объём (подача не меняется в процессе работы).
• Регулируемые насосы — позволяют изменять рабочий объём (подачу) во время работы, например, с помощью наклонной шайбы в аксиально-поршневых насосах. Это позволяет экономить энергию и управлять скоростью гидродвигателей.

Устройство и принцип работы

Шестерённый насос с внешним зацеплением

Основными элементами являются корпус, две шестерни (ведущая и ведомая) и подшипники. При вращении шестерён в разные стороны в зоне выхода зубьев из зацепления (всасывающая полость) создаётся разрежение, и жидкость поступает во впадины зубьев. Затем жидкость переносится по периферии корпуса к зоне входа зубьев в зацепление (нагнетательная полость), где вытесняется из впадин и подаётся в систему.

Аксиально-поршневой насос

Состоит из блока цилиндров, поршней, наклонной шайбы (или наклонного блока), распределительного диска и вала. При вращении вала блок цилиндров вращается, а поршни, упираясь в наклонную шайбу, совершают возвратно-поступательное движение. При движении поршня от распределительного диска (всасывание) жидкость засасывается через окна распределительного диска; при движении к диску (нагнетание) — выталкивается в напорную магистраль. Изменяя угол наклона шайбы, можно регулировать ход поршней и, следовательно, подачу насоса.

Основные характеристики

• Рабочий объём (V₀) — объём жидкости, вытесняемой насосом за один оборот вала (измеряется в см³/об).
• Подача (Q) — объём жидкости, подаваемый насосом в единицу времени (л/мин, м³/с). Теоретическая подача равна произведению рабочего объёма на частоту вращения.
• Давление (P) — давление, создаваемое насосом на выходе (МПа, бар). Различают номинальное, максимальное и пиковое давление.
• Коэффициент полезного действия (КПД) — отношение полезной мощности (гидравлической) к затраченной (механической). Включает объёмный КПД (учитывает утечки) и механический КПД (учитывает потери на трение). Для современных гидронасосов КПД составляет 0,85-0,95.
• Частота вращения — скорость вращения вала (об/мин). Ограничена прочностью деталей и условиями смазки.
• Вязкость рабочей жидкости — важный параметр, влияющий на утечки и износ. Для каждого типа насоса существует оптимальный диапазон вязкости.

Применение

Гидравлические насосы широко используются в различных отраслях промышленности и техники:

• Мобильная гидравлика — строительная и дорожная техника (экскаваторы, бульдозеры, краны), сельскохозяйственные машины (тракторы, комбайны), коммунальная техника.
• Промышленная гидравлика — металлорежущие станки, прессы, литьевые машины, подъёмно-транспортное оборудование.
• Авиация и космонавтика — системы управления самолётов (шасси, закрылки, рули), гидросистемы ракет.
• Судостроение — рулевые машины, лебёдки, подруливающие устройства.
• Энергетика — системы управления турбинами, гидроагрегаты.
• Автомобилестроение — гидроусилители руля, автоматические коробки передач, системы подвески.
• Нефтегазовая промышленность — буровые установки, насосы для перекачки нефтепродуктов.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая мощность при малых габаритах и массе (высокая энергоёмкость).
• Возможность создания больших усилий и моментов.
• Плавность и точность регулирования скорости и усилия.
• Высокий КПД (до 95%).
• Возможность работы в широком диапазоне скоростей.
• Простота защиты от перегрузок (предохранительные клапаны).

Недостатки

• Необходимость использования специальных рабочих жидкостей (масел) и их фильтрации.
• Чувствительность к загрязнению рабочей жидкости.
• Утечки жидкости (особенно при высоких давлениях).
• Шум и вибрация при работе (особенно у шестерённых насосов).
• Зависимость вязкости жидкости от температуры.
• Сложность и высокая стоимость ремонта (особенно у аксиально-поршневых насосов).

Интересные факты

• Самый мощный гидравлический насос в мире (по состоянию на 2024 год) установлен на гидравлическом прессе в Китае (Чжэнчжоу) — его мощность достигает 150 МВт, а давление — 1500 МПа.
• В космической технике используются аксиально-поршневые насосы с рабочим давлением до 40 МПа, работающие на специальных синтетических маслах, выдерживающих перепады температур от -50°C до +150°C.
• В гидросистемах некоторых самолётов (например, Су-27) используются насосы с регулируемой подачей, которые автоматически изменяют производительность в зависимости от нагрузки, что позволяет экономить топливо и снижать тепловыделение.

Источники

1. Башта Т. М. «Гидропривод и гидропневмоавтоматика». — М.: Машиностроение, 1972.
2. Лепешкин А. В., Михайлин А. А., Шейпак А. А. «Гидравлика и гидропневмопривод». — М.: МГИУ, 2007.
3. Свешников В. К. «Справочник по гидравлике и гидроприводу». — М.: Машиностроение, 2005.
4. ГОСТ 17398-72 «Насосы. Термины и определения».
5. ГОСТ 17752-81 «Гидропривод объёмный и пневмопривод. Термины и определения».