Шестерённый насос¶

Шестерённый насос — это объёмный гидравлический насос, в котором рабочими органами являются две или более шестерни, находящиеся в зацеплении. Относится к классу роторных насосов. Принцип действия основан на вытеснении жидкости зубьями шестерён из полости всасывания в полость нагнетания. Шестерённые насосы широко применяются в гидроприводах, системах смазки, топливных системах и для перекачивания вязких жидкостей.

¶История

История шестерённых насосов восходит к XVII веку. Первые известные конструкции были предложены французским инженером Дени Папеном в 1680-х годах. Однако практическое распространение они получили лишь в XIX веке с развитием машиностроения и потребностью в надёжных устройствах для подачи масла и воды. В 1892 году немецкий изобретатель Эрнст Генрих Шмидт запатентовал конструкцию насоса с двумя внешними шестернями, ставшую прототипом современных моделей. В XX веке, с ростом гидравлических систем в промышленности, строительстве и авиации, шестерённые насосы стали одними из самых распространённых типов объёмных насосов. В СССР и России их производство было налажено на многих машиностроительных заводах, например, на Заводе гидроаппаратуры (г. Омск) и в рамках продукции НПО «Гидромаш».

¶Устройство и принцип действия

Основными элементами шестерённого насоса являются:

• Корпус (обычно чугунный или алюминиевый), образующий герметичную камеру.
• Ведущая шестерня, соединённая с валом привода (электродвигателя, двигателя внутреннего сгорания).
• Ведомая шестерня, находящаяся в зацеплении с ведущей.
• Всасывающий и нагнетательный патрубки.
• Торцевые уплотнения (иногда — подшипники скольжения или качения).

При вращении шестерён в направлении, указанном на корпусе, зубья выходят из зацепления на стороне всасывания, увеличивая объём полости. Это создаёт разрежение, под действием которого жидкость (масло, топливо, вода) поступает в насос из всасывающей магистрали. Далее жидкость захватывается впадинами между зубьями и переносится по периферии корпуса к стороне нагнетания. На стороне нагнетания зубья снова входят в зацепление, вытесняя жидкость из впадин в нагнетательный патрубок. Таким образом, подача жидкости происходит непрерывно, но с пульсациями, частота которых равна произведению числа зубьев на частоту вращения.

¶Классификация

Шестерённые насосы классифицируются по нескольким признакам.

¶По типу шестерён

• С внешним зацеплением — наиболее распространённый тип. Две шестерни одинакового размера вращаются в противоположных направлениях. Обеспечивают высокую надёжность и простоту конструкции.
• С внутренним зацеплением — одна шестерня (ведущая) вращается внутри другой (ведомой) с внутренними зубьями. Между ними устанавливается серповидный разделитель. Такие насосы компактнее, имеют меньшую пульсацию и могут работать с более вязкими жидкостями.
• Многошестерённые — используются редко, в основном для специальных задач (например, в авиационных топливных системах).

¶По конструкции корпуса

• Односекционные — корпус неразъёмный или разъёмный в одной плоскости.
• Многосекционные (сдвоенные, строенные) — несколько насосных секций на одном валу, каждая со своим входом и выходом. Применяются для подачи разных жидкостей или для создания нескольких контуров давления.

¶По типу жидкости

• Масляные (гидравлические) — для минеральных масел и гидравлических жидкостей.
• Топливные — для дизельного топлива, керосина, бензина.
• Водяные — для воды и водных растворов (обычно с коррозионностойкими материалами).
• Для вязких сред — для мазута, битума, пищевых масс (патоки, шоколада).

¶Характеристики

Основные технические характеристики шестерённых насосов:

• Рабочий объём — количество жидкости, вытесняемой за один оборот вала (измеряется в см³/об). Типичные значения: от 0,5 см³/об (малые насосы) до 200 см³/об и более.
• Номинальное давление — максимальное давление, при котором насос может работать длительно. Обычно от 1 до 25 МПа (10–250 бар). Высоконапорные модели достигают 30–35 МПа.
• Подача (расход) — объём жидкости, перекачиваемой в единицу времени (л/мин). Зависит от рабочего объёма и частоты вращения.
• Частота вращения — обычно от 500 до 3000 об/мин. Для высоковязких сред частоту снижают.
• Вязкость перекачиваемой среды — шестерённые насосы способны работать с жидкостями вязкостью от 1 до 10 000 сСт (сантистоксов). Для очень вязких сред (битум, гудрон) применяют специальные модели с подогревом корпуса.
• КПД — общий КПД обычно составляет 70–90%. Механические потери обусловлены трением в зацеплении и уплотнениях, объёмные — утечками через зазоры.

¶Применение

Шестерённые насосы используются в различных отраслях промышленности и техники:

• Гидроприводы — в станках, прессах, строительной и дорожной технике (экскаваторы, бульдозеры, погрузчики). Являются основным типом насосов в гидравлических системах низкого и среднего давления.
• Системы смазки — подача масла к подшипникам, редукторам, двигателям внутреннего сгорания. В автомобилях и тракторах часто используются шестерённые масляные насосы.
• Топливные системы — в дизельных двигателях (для подачи топлива из бака к форсункам), в газотурбинных установках, в системах отопления на жидком топливе.
• Пищевая промышленность — перекачивание растительных масел, патоки, шоколадной массы, сиропов. Для пищевых сред применяются насосы из нержавеющей стали.
• Химическая промышленность — подача кислот, щелочей, растворителей (при условии использования коррозионностойких материалов).
• Водоснабжение и отопление — в системах циркуляции воды, в том числе в индивидуальных тепловых пунктах.
• Авиация и космонавтика — в топливных и масляных системах летательных аппаратов (например, насосы НШ-39 в советских вертолётах).

¶Достоинства и недостатки

¶Достоинства

• Простота конструкции и низкая стоимость.
• Высокая надёжность и долговечность (ресурс до 10 000–20 000 часов).
• Компактность и небольшой вес.
• Способность работать с жидкостями высокой вязкости.
• Самовсасывание (способность создавать разрежение на входе без предварительного заполнения корпуса жидкостью).
• Устойчивость к кратковременным перегрузкам.

¶Недостатки

• Пульсации подачи (особенно у насосов с малым числом зубьев).
• Ограниченное рабочее давление (выше 25–30 МПа требуются более сложные конструкции — аксиально-поршневые насосы).
• Чувствительность к загрязнениям жидкости (абразивные частицы вызывают износ зубьев и корпуса).
• Шум при работе (особенно на высоких оборотах).
• Необходимость точного изготовления (зазоры между шестернями и корпусом составляют доли миллиметра).

¶Интересные факты

• Шестерённые насосы могут работать как гидромоторы — при подаче жидкости под давлением вал насоса начинает вращаться, преобразуя гидравлическую энергию в механическую.
• В СССР и России наибольшее распространение получили насосы типа НШ (насос шестерённый) — НШ-10, НШ-32, НШ-50, НШ-100, где число обозначает рабочий объём в см³/об. Они устанавливались на тракторах, комбайнах, экскаваторах.
• Для уменьшения пульсаций применяют шестерни с косым зубом (шевронные) или увеличивают число зубьев.
• В некоторых конструкциях внутреннего зацепления (насосы типа «Геротор») используется одна шестерня с внешними зубьями, вращающаяся внутри другой с внутренними зубьями, причём число зубьев различается на единицу. Это обеспечивает очень плавную подачу.

¶Источники

• Башта Т. М. «Гидравлика, гидромашины и гидроприводы». — М.: Машиностроение, 1982.
• Лепешкин А. В., Михайлов А. А. «Гидравлика и гидропривод». — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008.
• ГОСТ 17398-72 «Насосы. Термины и определения».
• Справочник по гидравлическим машинам / Под ред. В. В. Карабанова. — М.: Энергоатомиздат, 1989.
• Каталог продукции ОАО «Завод гидроаппаратуры» (г. Омск).