Радиально-поршневой насос

Радиально-поршневой насос — это объёмный гидравлический насос, в котором вытеснение рабочей жидкости осуществляется за счёт возвратно-поступательного движения поршней (плунжеров), расположенных радиально относительно центрального вала или эксцентрика. Относится к классу поршневых насосов и широко применяется в гидросистемах высокого давления для привода строительной, дорожной, металлургической и горной техники.

Принцип действия

Работа радиально-поршневого насоса основана на изменении объёма рабочих камер, образованных цилиндрами и поршнями. Вращение приводного вала преобразуется в возвратно-поступательное движение поршней благодаря эксцентриковому механизму или наклонной шайбе.

Основные этапы рабочего цикла:

1. Всасывание. При вращении вала поршень отходит от центра, объём камеры увеличивается, давление падает, и жидкость из всасывающей магистрали через клапан или окно распределителя поступает в цилиндр.
2. Нагнетание. При дальнейшем вращении поршень движется к центру, объём камеры уменьшается, давление возрастает, и жидкость вытесняется через нагнетательный клапан или окно в напорную магистраль.

Количество циклов всасывания и нагнетания за один оборот вала определяется числом поршней и конструкцией распределительного устройства. В большинстве конструкций используется от 5 до 13 поршней, что обеспечивает относительно равномерную подачу жидкости.

Устройство и основные элементы

Конструкция радиально-поршневого насоса включает следующие ключевые узлы:

• Корпус (статор) — герметичный корпус, в котором размещены все рабочие элементы. Изготавливается из чугуна или стали, выдерживает высокое давление.
• Вал (ротор) — приводится во вращение от двигателя (электрического или внутреннего сгорания). В некоторых конструкциях вал выполнен заодно с эксцентриком.
• Эксцентрик (кривошип) — деталь, смещённая относительно оси вращения вала. Обеспечивает преобразование вращательного движения в поступательное движение поршней. Величина эксцентриситета определяет ход поршня и, следовательно, рабочий объём насоса.
• Блок цилиндров — неподвижная или вращающаяся часть, в которой просверлены цилиндрические отверстия (гильзы) для поршней. В некоторых конструкциях блок цилиндров вращается вместе с валом.
• Поршни (плунжеры) — цилиндрические детали, совершающие возвратно-поступательное движение внутри цилиндров. Изготавливаются из закалённой стали с высокой точностью обработки.
• Распределительное устройство — система клапанов (всасывающих и нагнетательных) или золотниковое окно, которое синхронизирует впуск и выпуск жидкости в зависимости от положения поршня. В современных насосах часто используются торцевые распределители.
• Уплотнения — манжеты, кольца и сальники, предотвращающие утечки рабочей жидкости между подвижными и неподвижными элементами.
• Подшипники — опоры вала, воспринимающие радиальные и осевые нагрузки.

Классификация

Радиально-поршневые насосы классифицируются по нескольким признакам.

По типу привода поршней

• С эксцентриковым валом — наиболее распространённая схема. Поршни приводятся в движение эксцентриком, установленным на валу.
• С наклонной шайбой — поршни упираются в наклонную шайбу, угол наклона которой определяет ход поршня. Такая конструкция позволяет регулировать рабочий объём.
• С кулачковым механизмом — поршни перемещаются под действием кулачков, закреплённых на валу. Используется реже, в основном в насосах малой мощности.

По возможности регулирования

• Нерегулируемые — имеют постоянный рабочий объём, определяемый конструкцией (эксцентриситетом). Подача жидкости изменяется только за счёт частоты вращения вала.
• Регулируемые — позволяют изменять рабочий объём в процессе работы. Регулирование осуществляется изменением эксцентриситета (смещением статора или эксцентрика) или угла наклона шайбы. Это даёт возможность плавно менять подачу и давление в гидросистеме.

По типу распределения жидкости

• С клапанным распределением — используются всасывающие и нагнетательные клапаны (шариковые, тарельчатые). Обеспечивают высокое давление, но имеют ограниченную частоту вращения.
• С золотниковым (торцевым) распределением — распределение осуществляется через окна в торцевой поверхности блока цилиндров. Позволяет работать на высоких оборотах, но требует высокой точности изготовления.

По числу поршней

• Малоцилиндровые (3–5 поршней) — проще конструктивно, но имеют более пульсирующую подачу.
• Многоцилиндровые (7–13 поршней) — обеспечивают более равномерную подачу и меньшую пульсацию давления.

Характеристики

Основные технические характеристики радиально-поршневых насосов:

• Рабочее давление — от 10 до 70 МПа (100–700 бар). В специальных конструкциях достигает 100 МПа.
• Рабочий объём — от 0,5 до 500 см³/об. Для крупных промышленных насосов может достигать нескольких литров на оборот.
• Подача (расход) — от 1 до 500 л/мин. Зависит от рабочего объёма и частоты вращения вала.
• Частота вращения — от 500 до 3000 об/мин. Ограничивается инерционными силами и скоростью срабатывания клапанов.
• КПД — общий КПД составляет 0,85–0,95. Механический КПД — 0,90–0,98, объёмный КПД — 0,92–0,98.
• Рабочая жидкость — минеральные, синтетические или водно-гликолевые масла с вязкостью от 10 до 1000 мм²/с при рабочей температуре.
• Температура рабочей жидкости — от −20 до +80 °C (для стандартных масел).

Применение

Радиально-поршневые насосы используются в гидросистемах, где требуется высокое давление при относительно небольшой подаче, а также высокая надёжность и долговечность. Основные области применения:

• Строительная и дорожная техника — гидроприводы экскаваторов, бульдозеров, автокранов, погрузчиков. В этих машинах насосы обеспечивают работу гидроцилиндров и гидромоторов.
• Металлургическое оборудование — прессы, прокатные станы, ножницы, манипуляторы. Высокое давление необходимо для деформации металла.
• Горная техника — буровые установки, проходческие комбайны, самоходные вагоны. Насосы работают в условиях высоких нагрузок и запылённости.
• Судостроение — рулевые машины, лебёдки, подъёмники. Насосы используются в системах управления судном.
• Станкостроение — гидроприводы прессов, гибочных машин, литьевых машин. Обеспечивают точное позиционирование и усилие.
• Нефтегазовая промышленность — насосы для подачи буровых растворов, гидроразрыва пласта, цементирования скважин.
• Авиация и космонавтика — гидросистемы управления самолётами и ракетами (вспомогательные насосы).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокое рабочее давление (до 70 МПа и выше).
• Высокий КПД (до 95%).
• Возможность регулирования подачи в широких пределах (для регулируемых моделей).
• Высокая надёжность и долговечность (ресурс до 10 000–20 000 часов).
• Устойчивость к перегрузкам и кратковременным пикам давления.
• Возможность работы на загрязнённых жидкостях (при наличии фильтров).

Недостатки

• Сложность конструкции и высокая стоимость изготовления.
• Большие габариты и масса по сравнению с аксиально-поршневыми насосами аналогичной мощности.
• Пульсация подачи (особенно у малоцилиндровых моделей), требующая установки гидроаккумуляторов.
• Чувствительность к загрязнению рабочей жидкости (абразивный износ поршней и цилиндров).
• Шум и вибрация при работе на высоких оборотах.

История

Первые конструкции радиально-поршневых насосов появились в конце XIX века. В 1880-х годах английский инженер Уильям Армстронг (William Armstrong) использовал подобные насосы в гидравлических аккумуляторах для привода кранов и шлюзов. В начале XX века радиально-поршневые насосы начали применяться в металлорежущих станках и прессах.

Значительный вклад в развитие конструкции внёс немецкий инженер Ганс Тома (Hans Thoma), который в 1920-х годах разработал насос с наклонной шайбой. В 1930-х годах швейцарская компания «Bucher-Guyer AG» (ныне Bucher Hydraulics) начала серийное производство регулируемых радиально-поршневых насосов.

В СССР радиально-поршневые насосы выпускались с 1940-х годов на Московском заводе гидроаппаратуры (МЗГА) и других предприятиях. В 1960–1970-х годах были разработаны серии насосов НРП (насос радиально-поршневой) и НР (насос радиальный), которые использовались в гидросистемах экскаваторов и прессов.

В современной гидравлике радиально-поршневые насосы постепенно вытесняются аксиально-поршневыми насосами, которые имеют меньшие габариты и массу при тех же параметрах. Однако в областях, где требуется высокое давление и надёжность (например, в горной технике), радиально-поршневые насосы продолжают использоваться.

Интересные факты

• Радиально-поршневые насосы способны создавать давление до 100 МПа, что сравнимо с давлением на дне Марианской впадины (около 110 МПа).
• В некоторых конструкциях насосов используется до 21 поршня, что позволяет снизить пульсацию подачи до 1–2%.
• Насосы с эксцентриковым валом могут работать как гидромоторы — при подаче жидкости под давлением вал начинает вращаться.
• Ресурс радиально-поршневого насоса может превышать 30 000 часов при правильном обслуживании и использовании качественной рабочей жидкости.

Источники

• Башта Т. М. «Гидравлика, гидромашины и гидроприводы». — М.: Машиностроение, 1982.
• Лепешкин А. В., Михайлин А. А. «Гидравлические и пневматические системы». — М.: Академия, 2010.
• ГОСТ 17752-81 «Гидропривод объёмный и пневмопривод. Термины и определения».
• Каталог продукции компании «Bosch Rexroth» (раздел «Радиально-поршневые насосы»).
• Техническая документация ОАО «Пневмостроймашина» (г. Екатеринбург).