Зависимость производительности от давления шестеренчатого насоса

Основы гидравлики

Насосы шестеренные (зубчатые)

Шестеренные насосы являются объемными роторными гидромашинами с вытеснителями в виде зубчатых колес. Из всех роторных насосов они имеют наиболее простую конструкцию.

Шестеренные насосы бывают с внешним и внутренним зацеплением. В насосах с внешним зацеплением, получивших наибольшее распространение, при вращении шестерен жидкость, заключенная во впадинах шестерен, переносится из полости всасывания в полость нагнетания и затем выдавливается в напорную линию зубьями шестерен, вступающими в зацепление. Число зубьев у шестерен принимают обычно равным 6…12.
В полости всасывания зубья выходят из зацепления, и освобождаемый объем заполняется жидкостью. Процесс имеет циклический характер и повторяется непрерывно с вращением шестерен.

Величина объемного КПД шестеренного (зубчатого) насоса в основном зависит от утечек жидкости через зазоры, образованные головками зубьев и корпусом насоса, а также между торцовыми поверхностями шестерен и боковыми стенками насоса.
Кроме того, дополнительно возникают утечки по линии контакта зубьев. Максимально объемный КПД таких насосов не превышает 0,8…0,95. Для уменьшения утечек стремятся подогнать сопрягаемые детали насоса и сделать минимальными зазоры между шестернями и корпусом насоса. При изготовлении зубьев с высокой точностью утечки по линии их контакта могут быть сведены к нулю.
Шестеренные насосы с внутренним зацеплением применяют значительно реже, чем насосы с внешним зацеплением из-за высоких требований к точности изготовления. Основное их преимущество в сравнении с шестеренными насосами внешнего зацепления – компактность.

Перечисляя технические особенности шестеренных насосов, стоит отметить, что в такого рода насосах применяются только прямозубые шестерни.

Преимущества и недостатки шестеренных насосов

Зубчатым (или шестеренным) насосам присущи все достоинства и недостатки объемных насосов, которые описаны здесь. Отдельно следует отметить, что шестеренные насосы — самые простые по конструкции и самые дешевые из объемных насосов. Они отличаются компактностью, высокой надежностью работы, относительно высоким КПД (до 80%) , низкими требованиями к очистке рабочей жидкости (насосы работоспособны, если тонкость фильтрации не хуже 100 мкм) .
В этих машинах отсутствуют элементы, подверженные неуравновешенному действию центробежных сил или движущиеся с ускорением, что позволяет эксплуатировать их при частоте вращения до n = 30 с -1 .

С технической точки зрения очень удобным является то, что большинство шестеренных насосов не нуждаются в смазке, так как роль её выполняет рабочая жидкость.

Существенный недостаток шестеренных насосов – пульсация жидкости на выходе, вызываемая конструктивными особенностями зубчатого зацепления. Пульсация потока приводит к пульсации давления и повышенному шуму (до 90 дБ) .
Кроме того, при работе шестеренных насосов возникает большая по величине и постоянная по направлению нагрузка на опоры шестерен, вызванная разностью давлений в напорной и всасывающей камерах. Эта сила вызывает повышенное изнашивание опор, что снижает долговечность насоса.

Полный КПД большинства шестеренных насосов обычно не превышает 0,6…0,75, эта величина является наименьшей по сравнению с полным КПД объемных насосов других типов.
Кроме того, шестеренные насосы характерны небольшим сроком службы при работе с высоким давлением. Поэтому их рекомендуется применять в тех гидромашинах и гидроприводах, где величина КПД не имеет существенного значения.

Область применения шестеренных насосов

Шестеренные насосы применяют в приводах технологического оборудования при сравнительно небольших давлениях (до 2,5 МПа) . Такие насосы применяются чаще всего для перекачивания вязких жидкостей: масла, нефти, мазута, дизельного топлива, легко застывающих жидкостей (например, битума, парафина или вискозы) , не содержащих механических примесей. Они широко распространены в машиностроении, нефтяной и химической промышленности, коммунальном и сельском хозяйстве, строительстве.

Принцип работы шестеренного насоса

Простейший шестеренный насос состоит из пары одинаковых шестерен — ведущей и ведомой, находящихся в зацеплении и помещенных в корпусе насоса (статоре) с малыми торцовыми и радиальными зазорами. Ведущая шестерня приводится во вращение двигателем.
При вращении шестерен жидкость, заполняющая впадины между зубьями, перемещается из полости всасывания в полость нагнетания. Так как крышка корпуса насоса достаточно плотно прилегает к торцам шестерен, то жидкость выжимается из впадин, когда зубья входят в зацепление на противоположной нагнетательной стороне насоса. Перетеканию жидкости в обратном направлении препятствует плотное сцепление зубьев шестерен.

Вследствие разности давлений на всасывающей и нагнетательной сторонах шестерни подвергаются воздействию радиальных сил, что может привести к заклиниванию ротора. Чтобы предотвратить чрезмерное увеличение давления в области нагнетания и образование вакуума на противоположной стороне при отходе зуба из впадин, в корпусе насосов выполняют разгрузочные каналы для выравнивания давления. Для этих же целей могут служить каналы и в роторных шестернях, полученные сверлением отверстий во впадинах зубьев.
В насосах высокого давления (свыше 10 МПа) торцовые зазоры уплотнены специальными «плавающими» втулками, которые прижимаются к шестерням при повышенном давлении. Для повышения давления жидкости применяют многоступенчатые шестеренные насосы, в которых подача каждой последующей ступени меньше подачи предыдущей. Они развивают давление до 20 МПа.

Шестеренный (или зубчатый) насос, представленный на рис. 1 , состоит из корпуса 1 , в цилиндрических расточках которого с минимальными радиальными зазорами располагаются зубчатые колеса 2 и 3 . Корпус закрыт с двух сторон крышками.
Рабочие камеры всасывания В и нагнетания H образованы поверхностями корпуса, крышек и зубчатых колес. Одно из колес приводится во вращение от приводного электродвигателя, второе вращается за счет зубчатого зацепления (является ведомым) .

При вращении шестерен зубья выходят из зацепления в камере В , освобождающиеся впадины увеличивают объем камеры, что приводит к образованию в ней вакуума р_вак .
За счет разности давлений в баке насосной станции ( р_a > р_вак ) и камере В жидкость заполняет освободившийся объем – происходит процесс всасывания.
Во впадинах вращающиеся шестерни переносят масло из камеры В в камеру нагнетания Н .

При входе зубьев в зацепление жидкость вытесняется из впадин под избыточным давлением р_изб в напорную линию привода или системы – происходит процесс нагнетания.

Теоретическую производительность шестеренного насоса определяют по формуле:

где: m , z , b – модуль, число зубьев, ширина венца ведущего зубчатого колеса;
n – частота вращения вала насоса.

Анализ формулы (1) показывает, что производительность (подачу) данного насоса можно изменить только за счет регулирования частоты вращения вала приводного двигателя, следовательно, сам по себе шестеренный насос представляет собой нерегулируемую гидравлическую машину.

Условные обозначения и маркировка шестеренных насосов

Буквенные и цифровые обозначения в маркировке шестеренных насосов означают следующее:

• НШ – насос шестеренный;
• М – для работы с маслами;
• Г – насос с обогревом (охлаждением) корпуса;
• Ф – насос фланцевого крепления (если буквы нет – насос на лапах) .

Группы цифр и чисел, проставляемые через дефис:

• Первая группа цифр — подача насоса в литрах за 100 оборотов;
• Вторая группа цифр — максимальное давление, развиваемое насосом, кгс/см 2 ;
• Третья группа цифр — подача насоса в установке (агрегате) , м 3 /час;
• Четвертая группа цифр (обозначаемая через дробь) — давление на выходе из насоса в агрегате, кгс/см 2 .

После цифровых групп может присутствовать буквенное обозначение материала, из которого изготовлена проточная часть (корпус) насоса:

• Ю — алюминий и его сплавы;
• Б — бронза;
• К — нержавеющая сталь;
• Если буквенного обозначения материала в маркировке нет, значит проточная часть выполнена из чугуна.

Шестеренные насосы выпускают как правого, так и левого вращения, о чем есть указание на их корпусах знаками «Правый» или «Левый» (или буквами «Л», «П») .

Кроме перечисленных выше обозначений насосов в их маркировке могут присутствовать и некоторые другие знаки, поясняющие конструктивные особенности.

В конце маркировки обычно проставляются технические условия на изготовление насоса.

Пример маркировки шестеренного насоса:

НМШГФ 0,6-25-0,25/25 Ю ТУ26-06-1558-89

здесь:
НМШГФ — насос масляный шестеренный с обогревом корпуса и фланцевым креплением;
0,6 — подача насоса в литрах на 100 оборотов;
25 — наибольшее давление насоса, кгс/см 2 ;
0,25 — подача насоса в агрегате, м 3 /ч;
25 — давление на выходе из насоса в агрегате, кгс/см 2 ;
Ю — материал проточной части насоса — алюминиевый сплав;
ТУ 26-06-1558-89 — обозначение технических условий.

В технических и графических характеристиках масляных насосов могут применяться следующие условные обозначения:

• Q — подача, м 3 /час;
• Р — давление насоса в агрегате, кгс/см 2 ;
• N — мощность насоса, кВт;
• n — частота вращения, об/мин;
• η — КПД, %;
• HВ — вакуумметрическая высота всасывания, м.

Надёжность шестеренного насоса во многом обеспечена использованием предохранительного клапана. Срабатывая, он должен обеспечивать сброс лишнего давления.
Предел срабатывания клапана устанавливается производителем и указывается в сопроводительной документации. Наиболее часто устанавливаемый предел срабатывания составляет примерно 1,5 величины рабочего давления насоса.

Основные характеристики шестеренных насосов

В таблице ниже приведены основные рабочие характеристики некоторых типов шестеренных насосов, часто применяющихся в машиностроении. Здесь же приведены параметры приводных двигателей для этих насосов.

Источник статьи: http://k-a-t.ru/gidravlika/13_gidro_mashiny_4/index.shtml

Теоретическая производительность шестеренного насоса системы жидкой смазки (часть 1)

Теоретическая производительность достаточно точно может быть оп­ределена по формуле

b — ширина шестерни, см; п — число оборотов ведущей шестерни в 1 сек; R_H — радиус окружности выступов шестерни, см; R_В —радиус окружности впадин шестерни, см.

Как видно из формулы, насос за каждый оборот ведущего вала по­дает количество масла, равное объему впадин между зубьями у обеих шестерен. Допуская, что объем впадин равен объему зубьев, получим объем впадин на одной шестерне.

Объем впадин на обеих шестернях

При уточнении результата для насосов с числом зубьев у шестерен z = 6 ÷ 12 величину я заменяют коэффициентом 3,5, так как объем впа­дин несколько больше объема зубьев.

Действительная производительность насоса в зависимости от многих факторов: вязкости и температуры перекачиваемого масла, утечки его в насосе и в системе и т. п. всегда меньше теоретической производительно­сти. Это уменьшение учитывают объемным к. п. д. η₀ .Таким образом, действительная производительность насоса

Для изменения производительности насоса можно варьировать следующими величинами: числом зубьев, шириной шестерен или числом оборотов ведущего вала. Число зубьев ведущей и ведомой шестерен реко-
мендуют принимать равными. Для удобства перестановки всасывающий и нагнетательный патрубки выполняют одинаковых размеров. Всасывающую трубу с целью улучшения условий всасывания масла целесо образном принимать большего диаметра с плавным переходом к сечению патрубка. Площадь сечения канала для возврата масла составляет около 8% площади сечения патрубка, вследствие чего обеспечивается достаточный сброс масла.

Мощность, потребляемую насосом, определяют по формуле:

где Q_T — теоретическая производительность насоса, дм 3 /сек;

P_нас — давление, создаваемое насосом, Мн/м 2 (1 Мн/ж 2 =10 кГ/см 2 );

E_p — коэффициент мощности насоса; η_мех — механический к. п. д. насоса.

Коэффициент мощности насоса определяют по формуле:

где о В_У—условная вязкость масла при рабочей температуре; υ_ш—окружная скорость шестерен, м/сек.

Давление насоса Р_н принимают с учетом всех потерь как в самом насосе, так и в маслопроводах. Для масляных шестеренных насосов ок­ружные скорости шестерен принимают υ_ш=2 ÷ 5 м/сек. Как показали исследования, при этих скоростях впадины шестерен заполняются мас­лом достаточно хорошо. Окружная скорость шестерен

где D_H.O — диаметр начальной окружности шестерен, м; п — число оборотов шестерни, сек.

При больших окружных скоростях шестерен и недостаточном абсо­лютном давлении в полости всасывания, т. е. когда вместе с маслом за­сасывается воздух, происходит лишь частичное заполнение впадин ше­стерен маслом. Вследствие этого создается обратный поток масла в по­лости нагнетания при соединении с ней незаполненных впадин. Перепады давления в полости нагнетания вызывают пульсирующую нагрузку на шестерни и на подшипники, а также способствуют вибра­ции деталей смазочной установки. Недостаточное заполнение объема впадин маслом является причиной снижения производительности насо­са, уменьшения его объемного и механического к. п. д. и эмульсирова­ния масла. Постоянное усилие, действующее на ось шестерен, величину которого следует учитывать при расчете подшипников,насоса, прибли­зительно равно

где Р_н—давление масла в насосе, Мн/м 2 (1 Мн/м 2 =10 кГ/см 2 ); D_H — диаметр окружности выступов шестерен, см; b — ширина шестерни, см.

В тех случаях, когда требуется определить производительность 6 ,дм 3 /сек

Эту формулу следует применять при отсутствии паспортных дан­ных и возможности практического определения производительности на­соса из-за его износа или поломки.

Отстойники выбирают в зависимости от производительности стан­ции, исходя из условия, что запас масла в отстойнике должен быть ра­вен не менее чем 20-кратной производительности станции.

Производительность станции, дм 3 [сек

0,42 0,84 1,167 2,1 2,52 5,04 5,04-6,3; 10,08 15,12 20,16 30,24 40,32

Рекомендуемая емкость отстойника, м 3
0,5 1 1,6 2,5 3,15 6,3 10 16 25 31,5 40 50

Источник статьи: http://for-engineer.info/lubricate/teoreticheskaya-proizvoditelnost-shesterennogo-nasosa-sistemy-zhidkoj-smazki-chast-1.html