Гидронасос

Гидронасос — это гидравлическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии приводного двигателя в энергию потока жидкости (рабочей среды). В объёмных гидроприводах гидронасосы создают поток рабочей жидкости, обеспечивая перемещение исполнительных органов (гидроцилиндров, гидромоторов) за счёт разности давлений. Гидронасосы являются ключевым элементом любой гидравлической системы, определяя её производительность, давление и надёжность.

История

Принцип использования жидкости для передачи усилия известен с древности (например, гидравлический пресс, описанный Паскалем в XVII веке). Однако первые промышленные образцы гидронасосов появились в конце XIX — начале XX века вместе с развитием металлообработки и станкостроения. В 1905 году американский инженер Гарри Викерс (Vickers) запатентовал конструкцию шестерённого насоса с внешним зацеплением, которая стала основой для многих современных моделей. В 1930-х годах были разработаны аксиально-поршневые насосы, обеспечивающие высокое давление (до 35 МПа). В СССР массовое производство гидронасосов началось в 1940-х годах на заводах тяжёлого машиностроения (например, Кировский завод, Уралмаш). К концу XX века развитие электроники и материаловедения позволило создать регулируемые насосы с обратной связью, используемые в современных мобильных и промышленных гидросистемах.

Классификация

Гидронасосы классифицируются по нескольким признакам:

По принципу действия

• Объёмные насосы — наиболее распространённый тип в гидроприводах. Рабочая жидкость вытесняется из замкнутой камеры за счёт изменения её объёма. Обеспечивают высокое давление (до 100 МПа) и постоянный расход при изменении нагрузки.
• Динамические насосы (центробежные, осевые) — создают напор за счёт кинетической энергии вращающегося рабочего колеса. Используются в системах водоснабжения, но редко — в гидроприводах из-за низкого КПД при высоких давлениях.

По типу вытеснителя

• Шестерённые насосы — с внешним или внутренним зацеплением. Просты, компактны, устойчивы к загрязнениям. Давление до 25 МПа, расход до 200 л/мин.
• Пластинчатые (шиберные) насосы — с подвижными пластинами в роторе. Обеспечивают плавную подачу, низкий уровень шума. Давление до 20 МПа.
• Поршневые насосы — аксиальные (поршни расположены параллельно оси вращения) и радиальные (поршни перпендикулярны оси). Самые высокие параметры: давление до 100 МПа, расход до 1000 л/мин. Регулируемые модели позволяют изменять рабочий объём.
• Винтовые насосы — с одним или несколькими винтами. Отличаются низкой пульсацией, используются для вязких жидкостей.

По возможности регулирования

• Нерегулируемые — с постоянным рабочим объёмом (расход не меняется при постоянной частоте вращения).
• Регулируемые — позволяют изменять расход и/или направление потока в процессе работы (например, за счёт наклона шайбы в аксиально-поршневом насосе).

По типу привода

• С электродвигателем — стационарные установки.
• С двигателем внутреннего сгорания — мобильные машины (экскаваторы, тракторы).
• С ручным приводом — аварийные или маломощные системы.

Устройство и принцип работы

Шестерённый насос

Состоит из корпуса, двух шестерён (ведущей и ведомой) и подшипников. При вращении шестерён жидкость захватывается впадинами зубьев, переносится по периферии корпуса и вытесняется в напорную линию. Герметизация обеспечивается малыми зазорами между зубьями и корпусом.

Аксиально-поршневой насос

Основные элементы: блок цилиндров, поршни, наклонная шайба, распределительный диск. При вращении вала поршни совершают возвратно-поступательное движение в цилиндрах, всасывая и нагнетая жидкость через окна распределительного диска. Изменяя угол наклона шайбы, можно регулировать ход поршней и, соответственно, подачу насоса.

Пластинчатый насос

Ротор с радиальными пазами, в которые вставлены пластины. При вращении ротора пластины под действием центробежной силы прижимаются к статору, образуя рабочие камеры. Жидкость всасывается при увеличении объёма камеры и вытесняется при его уменьшении.

Характеристики

Основные параметры гидронасосов:

• Рабочий объём (V₀) — объём жидкости, вытесняемой за один оборот вала (см³/об).
• Номинальное давление (p) — максимальное давление, при котором насос может работать длительно (МПа).
• Подача (Q) — расход жидкости, обычно измеряется в л/мин.
• Частота вращения (n) — скорость вращения вала (об/мин).
• КПД — отношение полезной гидравлической мощности к потребляемой механической. Для объёмных насосов составляет 0,85–0,95.
• Коэффициент подачи — отношение фактической подачи к теоретической, учитывает утечки.

Применение

Гидронасосы используются во всех отраслях, где требуется передача больших усилий или точное позиционирование:

• Строительная и дорожная техника — экскаваторы, бульдозеры, краны, погрузчики. Например, в гидросистеме экскаватора ЭО-5126 используются аксиально-поршневые насосы с давлением до 32 МПа.
• Сельское хозяйство — тракторы, комбайны, опрыскиватели.
• Станкостроение — прессы, листогибочные машины, металлорежущие станки.
• Авиация и космонавтика — системы управления рулями, шасси, топливные системы.
• Автомобилестроение — гидроусилители руля, автоматические коробки передач, подвески.
• Нефтегазовая отрасль — буровые установки, насосные станции для перекачки нефти.
• Судостроение — рулевые машины, лебёдки, подруливающие устройства.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокое отношение мощности к массе (компактность).
• Возможность плавного регулирования скорости и усилия.
• Высокая надёжность и долговечность (при правильной эксплуатации).
• Самосмазываемость (рабочая жидкость является смазкой).

Недостатки

• Чувствительность к загрязнению рабочей жидкости (требуются фильтры).
• Шум и вибрация (особенно у шестерённых насосов).
• Утечки через зазоры (снижают КПД при высоких давлениях).
• Высокая стоимость регулируемых моделей.

Интересные факты

• Самый мощный гидронасос в мире (аксиально-поршневой, производства компании Rexroth) развивает давление до 100 МПа и подачу до 1000 л/мин, используется в гидравлических прессах для ковки металла.
• В СССР в 1960-х годах был разработан гидронасос с рабочим объёмом 500 см³/об для тяжёлых карьерных самосвалов БелАЗ.
• КПД современных гидронасосов может достигать 98% (в идеальных условиях), что ставит их в один ряд с лучшими электрическими машинами.

Источники

1. ГОСТ 17752-81 «Гидропривод объёмный и пневмопривод. Термины и определения».
2. Башта Т. М. «Гидравлика, гидромашины и гидроприводы». — М.: Машиностроение, 1982.
3. Справочник по гидравлическим машинам / Под ред. В. Н. Прокофьева. — М.: Энергия, 1978.
4. Каталог продукции компании Bosch Rexroth AG (Германия).
5. Техническая документация на гидронасосы НШ-32 (Россия).