Насос шестерённый

Шестерённый насос — это объёмный гидравлический насос, рабочим органом которого являются две или более шестерни, находящиеся в зацеплении. Принцип действия основан на вытеснении жидкости из замкнутого пространства между зубьями шестерён и корпусом насоса. Шестерённые насосы относятся к классу роторных насосов и являются одними из наиболее распространённых типов гидравлических машин благодаря простоте конструкции, надёжности и способности создавать высокое давление.

История

Первые упоминания о конструкциях, напоминающих шестерённые насосы, относятся к XVII веку. В 1593 году французский инженер Агрикола описал устройство для подъёма воды, использующее вращающиеся колёса. Однако практическое применение шестерённых насосов началось в XIX веке с развитием машиностроения и потребностью в перекачивании вязких жидкостей, таких как масла и нефтепродукты.

Значительный вклад в развитие конструкции внёс американский изобретатель Джеймс Лейн (James Lein), который в 1892 году запатентовал первый промышленный образец шестерённого насоса с внешним зацеплением. В XX веке, с распространением гидравлических систем в станкостроении, авиации, автомобилестроении и сельском хозяйстве, шестерённые насосы стали массово производиться и совершенствоваться. В СССР и России разработкой и производством таких насосов занимались, в частности, предприятия «Гидросила» (Кировоград), «Пневмостроймашина» (Екатеринбург) и многие другие.

Устройство и принцип действия

Основными элементами шестерённого насоса являются:

• Корпус — герметичная деталь, внутри которой размещаются шестерни. Обычно изготавливается из чугуна, алюминия или стали.
• Ведущая шестерня — соединена с валом привода (электродвигатель, двигатель внутреннего сгорания).
• Ведомая шестерня — вращается свободно, находясь в зацеплении с ведущей.
• Вал — передаёт крутящий момент от привода к ведущей шестерне.
• Подшипники — опоры валов, обеспечивающие вращение шестерён.
• Уплотнения — предотвращают утечку жидкости из насоса (сальники, манжеты, торцевые уплотнения).

Принцип действия:

1. При вращении шестерён в направлении, указанном на схеме, зубья выходят из зацепления на стороне всасывания. Образующийся объём между зубьями и корпусом заполняется жидкостью из входного патрубка.
2. Жидкость захватывается зубьями и переносится по периферии корпуса к стороне нагнетания.
3. На стороне нагнетания зубья входят в зацепление, вытесняя жидкость из впадин между зубьями в выходной патрубок. Это создаёт давление и поток жидкости.

Таким образом, насос работает за счёт геометрического изменения объёма полостей, образованных зубьями, корпусом и торцевыми крышками.

Классификация

Шестерённые насосы классифицируются по нескольким признакам.

По типу зацепления

• Насосы с внешним зацеплением — наиболее распространённый тип. Две шестерни одинакового размера вращаются в противоположных направлениях. Жидкость переносится по внешней стороне шестерён. Отличаются простотой, надёжностью и способностью работать с загрязнёнными жидкостями.
• Насосы с внутренним зацеплением — одна шестерня (ведущая) находится внутри другой (ведомой) с внутренними зубьями. Между ними устанавливается серповидный разделитель. Такие насосы компактнее, имеют меньшую пульсацию потока и способны работать с более вязкими жидкостями, но сложнее в изготовлении.

По конструкции

• Односекционные — имеют один насосный элемент.
• Многосекционные (сдвоенные, строенные) — состоят из нескольких насосных секций, установленных на одном валу. Позволяют подавать жидкость в несколько независимых гидравлических контуров.

По типу компенсации зазоров

• Без компенсации — зазоры между торцами шестерён и корпусом фиксированы. При износе производительность падает.
• С гидравлической компенсацией — торцевые зазоры автоматически уменьшаются под действием давления жидкости, что повышает КПД и ресурс насоса. В современных насосах часто используются подпружиненные или гидравлически прижимаемые торцевые пластины.

Характеристики и параметры

Основные параметры шестерённых насосов:

• Рабочий объём (см³/об) — количество жидкости, вытесняемое за один оборот вала. Определяет теоретическую подачу.
• Номинальное давление (МПа, бар) — максимальное давление, при котором насос может работать длительное время без разрушения. Для современных насосов составляет от 10 до 25 МПа (100–250 бар), в некоторых моделях до 30 МПа.
• Максимальное давление — кратковременно допустимое давление (обычно на 10–20% выше номинального).
• Подача (л/мин) — количество жидкости, перекачиваемое в единицу времени. Зависит от рабочего объёма и частоты вращения.
• Частота вращения (об/мин) — диапазон рабочих оборотов. Обычно от 500 до 3000 об/мин.
• КПД — гидравлический, объёмный и механический. Суммарный КПД современных шестерённых насосов составляет 0,85–0,92.
• Вязкость рабочей жидкости — насосы могут работать с жидкостями вязкостью от 10 до 1000 сСт (сантистоксов), некоторые модели — до 10 000 сСт.

Применение

Шестерённые насосы широко используются в различных отраслях промышленности и техники:

• Гидравлические системы — в станках, прессах, строительной и дорожной технике (экскаваторы, бульдозеры, краны), сельскохозяйственных машинах (тракторы, комбайны), автомобилях (гидроусилители руля, автоматические коробки передач).
• Системы смазки — в двигателях внутреннего сгорания, компрессорах, редукторах для подачи масла к трущимся деталям.
• Перекачивание жидкостей — в нефтяной, химической, пищевой промышленности для перекачки масел, топлива, битума, патоки, шоколада, красок, лаков.
• Топливные системы — в дизельных двигателях для подачи топлива к форсункам (топливные насосы высокого давления — ТНВД).
• Масляные системы — в гидростанциях, маслонаполненных трансформаторах.

Достоинства и недостатки

Достоинства:

• Простота конструкции и низкая стоимость изготовления.
• Высокая надёжность и долговечность (ресурс до 10 000–20 000 часов).
• Способность создавать высокое давление (до 30 МПа).
• Устойчивость к загрязнениям рабочей жидкости (допускается наличие частиц размером до 0,1–0,2 мм).
• Компактные размеры и небольшая масса.
• Возможность работы с вязкими жидкостями.
• Самовсасывание (способность создавать разрежение на входе).

Недостатки:

• Пульсация потока жидкости (особенно у насосов с внешним зацеплением), что может вызывать шум и вибрацию.
• Относительно низкий КПД по сравнению с поршневыми насосами (особенно при низких давлениях).
• Чувствительность к перегрузкам (при превышении давления может произойти разрушение корпуса или шестерён).
• Сложность регулирования подачи (только изменением частоты вращения или использованием байпасного клапана).
• Ограниченная вязкость рабочей жидкости (слишком вязкие жидкости могут не заполнять впадины зубьев).

Интересные факты

• Первые шестерённые насосы использовались в водяных часах и фонтанах.
• В некоторых конструкциях шестерённых насосов для снижения пульсации применяются шестерни с косым зубом или шевронные (ёлочные) шестерни.
• Шестерённые насосы могут работать в реверсивном режиме (как гидромоторы), преобразуя давление жидкости во вращение вала.
• В СССР и России выпускались и выпускаются насосы серий НШ (насос шестерённый), НМШ (насос масляный шестерённый), Г11 и другие, которые устанавливались на тракторы, комбайны, экскаваторы и другую технику.

Источники

1. Башта Т. М. «Гидравлика, гидромашины и гидроприводы». — М.: Машиностроение, 1982.
2. Вильнер Я. М., Ковалёв Ю. Д. «Справочник по гидравлическим машинам». — М.: Машиностроение, 1985.
3. ГОСТ 17398-72 «Насосы. Термины и определения».
4. Каталоги продукции заводов-изготовителей (ОАО «Гидросила», ОАО «Пневмостроймашина»).
5. «Гидравлика и гидропневмопривод» / Под ред. В. А. Маркова. — М.: Академия, 2010.