Насос аксиально-поршневой

Аксиально-поршневой насос — это объёмный гидравлический насос, в котором рабочие камеры образованы цилиндрами, расположенными параллельно оси вращения ротора (блока цилиндров) или под небольшим углом к ней, а вытеснение жидкости осуществляется поршнями, совершающими возвратно-поступательное движение. Аксиально-поршневые насосы относятся к классу роторно-поршневых машин и отличаются высоким рабочим давлением (до 35–40 МПа и выше), компактностью, возможностью регулирования рабочего объёма и широким диапазоном частот вращения. Они широко применяются в гидроприводах строительной, дорожной, сельскохозяйственной техники, в станкостроении, авиации и судостроении.

История

Первые разработки аксиально-поршневых машин относятся к началу XX века. В 1905 году инженеры Харви Уильямс и Рейнольд Джейни запатентовали конструкцию, которая легла в основу современных насосов с наклонным блоком. В 1930-х годах шведская компания Volvo (тогда ещё производитель подшипников) и британская фирма Lucas начали серийное производство аксиально-поршневых насосов для авиационных гидросистем. В СССР активное развитие этого направления началось в 1940–1950-х годах в связи с потребностями оборонной промышленности, в частности для танковых и авиационных гидроприводов. Крупные научные центры (ВНИИгидропривод, НПО «Гидромаш») разработали ряд типовых рядов насосов (например, серии НА, 310, 313), которые до сих пор используются в отечественной технике.

Принцип действия

Работа аксиально-поршневого насоса основана на преобразовании вращательного движения вала в возвратно-поступательное движение поршней. Основные этапы рабочего цикла:

1. Всасывание: при вращении блока цилиндров поршни выдвигаются из цилиндров, увеличивая объём рабочих камер. Давление в камерах падает, и жидкость из всасывающей магистрали через распределительное устройство (обычно торцевой распределитель) поступает в цилиндры.
2. Нагнетание: при дальнейшем вращении поршни начинают вдвигаться в цилиндры, объём камер уменьшается, давление возрастает, и жидкость через распределитель вытесняется в напорную магистраль.

Ключевым элементом, обеспечивающим движение поршней, является наклонная шайба (или наклонный блок). В зависимости от конструкции, угол наклона шайбы может быть постоянным (нерегулируемый насос) или изменяемым (регулируемый насос). Изменение угла наклона позволяет менять ход поршней и, следовательно, рабочий объём насоса в процессе работы.

Классификация

Аксиально-поршневые насосы классифицируются по нескольким признакам.

По конструкции механизма привода поршней

• С наклонной шайбой (аксиально-поршневые насосы с наклонной шайбой): блок цилиндров вращается, а поршни через башмаки скользят по неподвижной наклонной шайбе. Наиболее распространённый тип, отличается простотой и надёжностью.
• С наклонным блоком (аксиально-поршневые насосы с наклонным блоком): блок цилиндров установлен под углом к оси вала, а поршни шарнирно связаны с фланцем вала. Такая конструкция позволяет получать большие рабочие объёмы при меньших габаритах, но сложнее в изготовлении.

По возможности регулирования

• Нерегулируемые: имеют постоянный рабочий объём, угол наклона шайбы или блока фиксирован.
• Регулируемые: позволяют изменять рабочий объём в процессе работы. Регулирование может быть ручным, гидравлическим, электрическим или электрогидравлическим. Регулируемые насосы применяются в системах с переменным расходом (например, в гидростатических трансмиссиях).

По типу распределения жидкости

• С торцевым распределителем: распределительная пластина (золотник) расположена между блоком цилиндров и корпусом. Обеспечивает высокую герметичность и КПД.
• С клапанным распределением: используются впускные и выпускные клапаны. Применяется реже, обычно в насосах низкого давления или специального назначения.

Устройство и основные элементы

Типичный аксиально-поршневой насос с наклонной шайбой состоит из следующих узлов:

• Вал: передаёт крутящий момент от привода (электродвигателя, двигателя внутреннего сгорания) на блок цилиндров.
• Блок цилиндров: вращающаяся деталь, в которой выполнены цилиндрические отверстия (обычно 7, 9 или 11) под поршни.
• Поршни: плунжеры, совершающие возвратно-поступательное движение внутри цилиндров. На концах поршней часто установлены башмаки (пяты) для уменьшения трения о наклонную шайбу.
• Наклонная шайба: неподвижная (или регулируемая) деталь, задающая траекторию движения поршней. Угол наклона шайбы определяет ход поршня.
• Распределитель (золотник): деталь, соединяющая цилиндры с всасывающим и напорным каналами в зависимости от фазы рабочего цикла.
• Корпус: герметичный корпус, в котором размещены все детали. В корпусе также находятся подшипники вала и уплотнения.

Характеристики

Основные технические характеристики аксиально-поршневых насосов:

• Рабочий объём (Vg): объём жидкости, вытесняемой за один оборот вала, измеряется в см³/об. Типичные значения: от 10 до 500 см³/об для промышленных насосов, до 1000 см³/об и более для крупных машин.
• Номинальное давление: обычно 20–35 МПа, максимальное до 40–45 МПа.
• Частота вращения: от 1000 до 3000 об/мин, в авиационных моделях до 6000 об/мин.
• КПД: полный КПД современных насосов составляет 0,85–0,93. Объёмный КПД (учитывающий утечки) — 0,90–0,98.
• Масса и габариты: компактны, отношение массы к мощности значительно ниже, чем у шестерённых или пластинчатых насосов.

Применение

Аксиально-поршневые насосы используются в гидравлических системах, требующих высокого давления и точного управления потоком:

• Строительная и дорожная техника: экскаваторы, бульдозеры, автокраны, погрузчики. В гидростатических трансмиссиях (например, в системах «насос-мотор») обеспечивают бесступенчатое регулирование скорости.
• Сельскохозяйственная техника: тракторы, комбайны, опрыскиватели. Насосы приводят в движение гидроцилиндры навесного оборудования и гидромоторы ходовой части.
• Станкостроение: прессы, литьевые машины, гибочные станки. Обеспечивают высокое усилие и плавность хода.
• Авиация: гидросистемы управления самолётами и вертолётами (шасси, рули, закрылки). Требования к надёжности и минимальной массе здесь особенно высоки.
• Судостроение: рулевые машины, лебёдки, подруливающие устройства.
• Промышленная гидравлика: мобильные и стационарные гидроприводы в металлургии, энергетике, на транспорте.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокое рабочее давление (до 40 МПа и выше).
• Возможность плавного регулирования рабочего объёма (в регулируемых моделях).
• Высокий КПД (особенно объёмный).
• Компактность и малая масса по сравнению с насосами других типов аналогичной мощности.
• Долгий срок службы при правильной эксплуатации.

Недостатки:

• Высокая стоимость изготовления из-за точной обработки деталей (поршни, блок цилиндров, распределитель).
• Чувствительность к загрязнению рабочей жидкости (требуются фильтры тонкой очистки, класс чистоты не ниже 10–12 по ISO 4406).
• Шумность работы (особенно на высоких частотах вращения).
• Более сложное обслуживание и ремонт по сравнению с шестерёнными насосами.

Интересные факты

• Первый серийный аксиально-поршневой насос с наклонной шайбой был разработан в 1930-х годах немецкой компанией Bosch (ныне Bosch Rexroth). Эта конструкция стала основой для многих современных моделей.
• В гидростатических трансмиссиях аксиально-поршневые насосы и моторы часто работают в паре, образуя замкнутый гидравлический контур. Это позволяет передавать мощность на большие расстояния без механических валов.
• В авиации аксиально-поршневые насосы используются в системах управления полётом, где отказ гидросистемы может привести к катастрофе. Поэтому такие насосы часто дублируются или имеют резервные контуры.
• В России одним из крупнейших производителей аксиально-поршневых насосов является ОАО «Пневмостроймашина» (Екатеринбург), выпускающее насосы серий 310, 313 и 416.

Источники

• Башта Т. М. «Гидропривод и гидропневмоавтоматика». — М.: Машиностроение, 1972.
• Лепешкин А. В., Михайлин А. А. «Гидравлические и пневматические системы». — М.: Академия, 2010.
• ГОСТ 17752-81 «Гидропривод объемный и пневмопривод. Термины и определения».
• Каталоги продукции Bosch Rexroth, Eaton, Parker Hannifin.
• Материалы сайта «Гидравлика и пневматика» (гидравлика.рф).