Гидравлический насос

Гидравлические насосы - это устройства которые преобразуют механическую энергию приводного двигателя в гидравлическую энергию потока рабочей жидкости. Они используются для создания насосом необходимого давления и расхода жидкости, тем самым обеспечивают работу различного оборудования.

Принцип работы различных видов насосов основан на вытеснении перекачиваемой среды из входного в выходной патрубок. В насосах это достигается за счет вращения ротора, лопастей или линейных перемещений поршней внутри корпуса насоса. В результате работы насоса поток перекачиваемой среды изменяет свою скорость и давление, что и позволяет передавать энергию к конечным потребителям.

Классификация насосов

Различия в принципе работы гидро-насосов и способе вытеснения рабочей жидкости выделяют по нескольким признакам, таким как тип вытеснителя, принцип действия, конструктивное исполнение и др. Наиболее распространенная классификация подразделяет насосы на объемные (работают за счёт изменения объема рабочей камеры) и динамические (центробежные).

Объемные насосы

Вся суть работы объемных насосов заключается в изменении величины камеры (характеризуется рабочим объемом), в результате которого и происходит вытеснение рабочей среды в напорную магистраль. Приводной двигатель: ДВС или электрический. Эта группа представлена: поршневым, плунжерным, шестеренчатым, аксиальным, разными видами ручных (одинарного и двойного действия), пластинчатым и другими насосами. Они обеспечивают высокие давления. Однако, главным минусом, в таких насосах, из-за не большого рабочего объема, являются относительно малые показатели расхода. Такие гидромашины широко применяются механизмах где требуются значительные усилия для перемещения цилиндра или вращения гидромоторов.

Динамические (центробежные) насосы

Насосы это типа создают поток за счет действия центробежных сил, появляющихся при вращении ротора и именно благодаря им происходит вытеснение перекачиваемой среды. Центробежные насосы характеризуются большим рабочим объемом при невысоком давлении. Приводной двигатель обычно электрический. Они нашли широкое применение в системах охлаждения, водоснабжения, и других областях, где требуется перекачивание насосом больших объемов воды.

Основные параметры насосов

Для правильной установки, эксплуатации и обслуживания систем оборудованных насосами необходимо понимать их основные технические характеристики.

Расход

Одним из наиболее важных параметров является производительность выдаваема насосом. Другими словами это расход жидкости создаваемый насосом в единицу времени. Зависит от рабочего объема и частоты вращения. В конструкторских расчётах используется в системе СИ (м³/мин), но в большинстве описаний которые поставляются вместе с насосами указывается в литрах в минуту (л/мин), при вращении выходного вала приводного двигателя с частотой 1000 об/мин.

Давление

Другим важным параметром является развиваемое насосом давление. В системе СИ этот показатель имеет размерность Паскаль, но из -за его малой величины в описании и инструкциях поставляемых с насосами используется МПа (МегаПаскаль) или Бар. Давление, создаваемое насосом, определяет, какое будет максимальное сопротивление внешним нагрузкам. Следует различать: номинальное (на всём времени работы насоса) и пиковое, или максимальное давление (действие аварийного режима). Давление нагнетания зависит от мощности, которую создаёт приводной двигатель и ограничено прочностными характеристиками материалов заложенных в конструкцию. Слишком низкое давление, создаваемое насосом, не позволит системе нормально функционировать, а слишком высокое давление нагнетания может стать причиной аварии.

КПД

Не менее важной характеристикой используемой в насосах является КПД . Он показывает, какая доля затраченной насосом энергии преобразуется в полезную работу. Высокий КПД позволяет экономить энергию потребляемую насосом и снижать эксплуатационные расходы. Конструкция, материалы, качество изготовления шестерен, колец, клапанов, поршней и других деталей влияют на его эффективность.

Основные типы и разновидности объёмных гидравлических насосов

В зависимости от конструктивных особенностей и принципа действия, выделяют несколько видов насосов. Рассмотрим их далее.

Поршневые насосы

Эта группа представлена объемными насосами, в которых вытеснение жидкости осуществляется за счет возвратно-поступательного движения поршней, размещенных в цилиндрах (аксиально-параллельно приводной оси или радиально-под прямым углом). При работе насоса масло всасывается из поводящей магистрали (при обратном ходе поршня) и вытесняется в линию нагнетания (при прямом ходе поршня). Отличительной особенностью поршневого насоса являются высокий КПД, высокое давление нагнетания, а также возможность регулирования производительности за счет изменения угла наклонного диска, а следовательно, и величины хода которую имеет поршень. Благодаря этому данные насосы можно использоваться в широком диапазоне давлений, от сравнительно низких до очень высоких. Рабочий объем, установленного в корпусе, блока цилиндров равен сумме объёмов всех цилиндров. Чем больше поршней имеет блок цилиндров, тем меньше будет пульсация потока вытеснения жидкости поступающей в линию нагнетания. Подача в этих насосах зависит от оборотов, диаметра и количества цилиндров, которые и формируют общий рабочий объем. Основными областями применения в которых используется насос данной конструкции являются гидроприводы прессового оборудования, подъемно-транспортной техники, мобильные и стационарные системы в которых не возможно применение других гидромашин, например, шестеренного насоса.

Аксиально поршневые насосы

Группа с этими насосами представлена поршневыми гидромашинами, в которых поршня расположены параллельно (аксиально) оси вращения на которой расположен блок цилиндров. Эту группу можно разделить на две большие подгруппы, различающиеся по принципу работы механизма для осуществления линейных перемещений поршней: машины с наклонным диском (по форме похожие на цилиндр) и машины с наклонным гидравлическим блоком. (по форме похожие на банан).

Рисунки аксиально поршневой гидромашины

Именно за счёт наклона диска (НД) или блока цилиндров (НБ) появляется возможность для линейного перемещения поршней при котором и происходит вытеснение рабочей среды (при прямом ходе поршня). Благодаря современным технологиям, которые используется при производстве аксиально поршневых насосов и специально разработанной конструкции, в этих насосах обеспечивается высокое давление нагнетания и стабильное функционирование всех исполнительных механизмов под действием больших динамических нагрузок. Расходно-перепадая характеристика аксиально поршневых насосов имеет вид прямой линии, что положительно сказывается при конструкторских расчётах. Аксиально поршневые насосы получили широкое применение в мобильной гидравлике, сельскохозяйственной, строительной, лесозаготовительной технике и автомобилестроении. Благодаря хорошим массово-габаритным показателям аксиально поршневых насосов они способны выдавать высокую мощность при относительно небольших габаритах агрегата.

Достоинства и недостатки:

• Высокая объемная производительность, выдаваемая насосом, при компактных размерах.
• Конструкция применяемая в этих насосах отличается высокой надежностью.
• В насосах данной конструкции (а именно это насос с наклонным распределительным механизмом) есть возможность регулирования подачи посредством изменения угла наклонного диска.
• Универсальность в применении - насосами этого типа комплектуется мобильная и стационарная гидравлика.
• В некоторых насосах (наклонный блок цилиндров), конструкция допускает изменение направления вращения. 
• Гидромашины с наклонным диском имеют реверсивное направление вращения.
• Требуется высокое качество масла (поршневая группа), особенно для гидромашин с наклонным диском.
• Высокой уровень шума. Характерен для насоса с наклонным гидравлическим блоком.
• Вытеснение рабочей жидкости имеет пульсацию. Возникает при малом количестве цилиндров.

Правильный выбор насоса с наклонным механизмом является залогом надежной и эффективной работы всего механизма.

Радиально поршневые насосы

В этих насосах, в отличие от аксиальных, поршня, расположенные перпендикулярно оси вращения. Радиально поршневые насосы разделяют на две группы которые имеют разную конструкцию распределения : с цапфовым и клапанным распределением. 

Рисунки радиально поршневых насосов

Ротор, в радиально поршневых машинах с цапфовым распределением, расположен с эксцентриситетом и оголовок поршня, при вращении, скользит по корпусу статора. Прижимает его центробежная сила или пружины, которые предусмотрены в насосах данной конструкции. Всасывание и вытеснение рабочей жидкости происходит через цапфовый узел распределения который в гидромашинах данной конструкции находится в центре вала. При клапанном распределении вытеснение рабочей жидкости происходит через клапана, которые расположены в статоре, и соединены с линией нагнетания. Подача в этих насосах зависит от суммарного рабочего объема всех камер которые входят в состав блока цилиндров и частоты вращения вала приводного двигателя. 

Достоинства и недостатки

• Радиально-поршневые насосы создают высокое давление в напорной линии.
• Возможность применения в насосах нескольких рядов, что бы увеличить рабочий объем.
• В насосах данной группы надёжная и долговечная конструкция.
• Большая масса и габариты свойственна гидромашинам данной конструкции.
• Радиально поршневой насос имеет пульсацию давления и подачи.

Применение радиально поршневых насосов широко распространено в прессовом, прокатном и другом оборудовании, где требуется высокое давление нагнетания. 

Ручные насосы

Работают за счёт мускульной силы. Используются при малых расходах. В них поршень перемещается аксиально внутри цилиндра. Всасывание и вытеснение происходит за счёт работы клапанов. Объем рабочих камер ограничен габаритными размерами. Бывают однократного действия (подача за цикл ограничена одним рабочим объемом камеры) и двойного действия (подача за цикл вдвое больше).

Достоинства и недостатки

• Простая конструкция.
• Привод ручного насоса - мускульная сила.
• Долгий срок службы. У ручного насоса надежный механизм и высока ремонтопригодность.
• Характеризуются малым рабочим объемом.

В большинстве случаев ручные насосы питают малые цилиндры.

Шестеренные насосы.

Шестеренные насосы являются одним из наиболее распространённых типов насосов, используемых в гидравлических системах. Конструктивно шестеренные насосы бывают с внешним и внутренним зацеплением.

Основной принцип работы который лежит в основе функционирования насосов внешнего зацепления заключается в перекачивании масла при вращении шестерен, одна из которых ведущая, а другая ведомая. При вращении шестерен расходящиеся зубья увеличивают рабочий объем, создавая разрежение, которое всасывает жидкость. На выходе из шестеренного насоса сходящиеся зубья уменьшают рабочий объем, вытесняя жидкость под давлением в магистраль напорной линии. В промышленности наиболее часто встречается насос данной конструкции.

Рисунок насоса с внешним зацеплением.

В случае шестеренных насосов которые используют принцип основанный на применении внутреннего зацепления, в напорную магистраль вытеснение жидкости осуществляется следующим образом. Приводной двигатель приводит во вращение внешнюю (ведущую) шестерню шестеренного насоса. Ведомая, исходя из особенностей конструкции, смещена с эксцентриситетом и ограничена серповидным разделителем. Исходя из этого, при вращении шестерен создаются замкнуты объёмы, и происходит вытеснение рабочей жидкости из линии всасывания в линию нагнетания. 

Рисунок гидронасоса с внутренним зацеплением.

Насос данной конструкции часто применяется для перекачивания среды с повышенной вязкостью. 

Таким образом, шестеренные насосы преобразует механическую энергию вращения в гидравлическую энергию потока.

Достоинства и недостатки которые имеют шестеренные насосы. 

• Основным плюсом шестеренных насосов является простота конструкции и низкая стоимость. Характерно для насосов внешнего зацепления.
• Рабочий объем имеет широкий модельный ряд, что позволяет точно подобрать требуемый размер подачи шестеренного насоса. 
• Постоянный рабочий объем.
• Высокие требования к качеству изготовления шестерен. 
• У шестеренных насосов маленький КПД.
• В результате работы шестеренного насоса возникает пульсация в канале нагнетания.
• Большой уровень шума при эксплуатации насоса шестеренного.

Установка шестеренных насосов.

• При монтаже необходимо убедится в правильном выборе направления вращения указанного на шильде или в инструкции шестеренного насоса .
• У многих шестеренных насосов радиальный подшипник не входит в конструкцию и их запрещено устанавливать через карданную передачу.
• Линии, соединенные с насосом должны быть подходящего диаметра, а их присоединение должно исключать подсос насосом воздуха.
• При применении шестеренных насосов не требуется дополнительная смазка шестерен, ее роль выполняет перекачиваемое масло.
• Для правильной работы шестеренного насоса требуется его установка ниже уровня масла в баке.

У шестеренного насоса отличное соотношение цена-качество, но он используются в системах, конструкция которых не предусматривает высокое давление в магистрали нагнетания. При макетном проектировании систем и для решения бытовых задачах чаше использую насосы внешнего зацепления, а для перекачки густых сред и при малых скоростях вращения чаще применяют гидромашины внутреннего зацепления.

Пластинчатый

Тип этих гидравлических насосов менее распространён в промышленности. Эти насосы состоят из вращающегося ротора с пластинами которые центробежной силой прижимаются корпусу и образуют закрытый рабочий объем. Подразделяются на две группы.

Однократного действия. 

Рисунок гидромашины однократного действия.

В этих насосах ось ротора находится с эксцентриситетом. При вращении ротора всасывающая полость увеличивается, что создает разрежение и засасывает рабочую жидкость в насос. После прохода пластиной вершины эллипса рабочий объем полости уменьшается и происходит процесс вытеснения среды в линию нагнетания.

Двойного действия. 

Рисунок гидромашины двойного действия.

Пластинчатые гидронасосы двойного действия это более сбалансированные гидромашины. Принцип работы в таких пластинчатых насосах заключается следующем. Форму эллипса имеет камера в которой происходит вращение ротора с пластинами. В результате получается две камеры нагнетания имеющие одинаковые рабочие объемы. При вращении, за один оборот, в таких насосах, выполняется два цикла всасывания и нагнетания жидкости. В результате этого жидкость из двух камер собирается в линию нагнетания, что вдвое увеличивает производительность по сравнению с обычными насосами. Для расчёта подачи объем рабочих камер суммируется. Данная конструкция наиболее часто применяется в промышленности.

Достоинства и недостатки

Простота данной конструкции.

У пластинчатых насосов высокий КПД.

Плавность работы.

Возможность регулирования рабочего объема, а следовательно и производительности этих насосов.

Насосы данного типа применяться для перекачки жидкостей с различной вязкостью. 

Данный вид гидромашин имеет ограничения по максимальному давлению нагнетания.

 Высокий износ пластин в насосах при длительной эксплуатации.

Выбор и эксплуатация

Выбор правильного типа используемого в работе насоса является ключевым фактором для обеспечения функционирования системы. При выборе насосов необходимо учитывать: рабочий объем, развиваемое давление, простота конструкции, условия окружающей среды и многие другие.

Область применения

Гидронасосы используются в самых разнообразных отраслях промышленности - от мобильной техники до стационарного оборудования. Гидромашины могут различаться рабочим объемом, видом, и по принципу действия. Для эксплуатации в тяжелых условиях подойдёт аксиально поршневой насос, а для легких задач не найти лучше насосов внешнего зацепления.

Типовые причины отказов

Несмотря на простоту конструкции во многих насосах, они могут выходить из строя по различным причинам. Наиболее распространенные из них:

• Попадание в систему посторонних частиц может привести к заклиниванию деталей в насосах.
• Возникновение кавитационных процессов в насосах, в результате недостаточного давления на входе, приводит к разрушению его деталей.
• Со временем детали в насосах, подвергаются износу, что приводит к поломке оборудования. Регулярная проверка деталей в насосах и своевременная замена изношенных помогает предотвратить поломки.
• Превышение насосом номинальных параметров (давления, расхода и частоты вращения) ведет к ускоренному износу и поломке (поршневая группа, клапана блок в котором установлены цилиндры и т.д.). 
• Нарушение насосом условий эксплуатации.
• При эксплуатации в насосах испытываются большие динамические нагрузки.

Рекомендации по эксплуатации

Для обеспечения надежной и долговечной эксплуатации систем оснащённых насосами необходимо соблюдать ряд важных правил:

• Тщательно фильтровать рабочую жидкость.
• Поддерживать рекомендованные режимы по частоте вращения и величине давления в магистрали нагнетания.

Соблюдение этих простых мер позволит значительно продлить срок службы систем оборудованных насосами и предотвратить преждевременные отказы.

Установка

•  Валы должны быть соосны и выровнены. Этот принцип монтажа позволит избежать преждевременного износа подшипников установленных в насосах. 
• Ход валов в насосах и соединительной муфте не допускается.
• Если конструкция предусматривает наличие радиального подшипника, то допускается установка через карданную передачу в соответствии с рекомендациями производителя.
• Важно правильно подобрать диаметр всасывающих и соединённых с линией нагнетания штуцеров. Узкие трубопроводы создают в насосах дополнительное сопротивление, что приведет нагреву оборудования соединённого с насосом.
• Конструкция после монтажа должна предоставлять легкий доступ для облуживания.
• Следует обеспечить надежное крепление между насосами и линиями всасывания и нагнетания. 
• Вибрации систем с насосами могут вызвать повреждение корпуса, утечки и, как следствие, выход питаемой насосом системы из строя.

Завершающим этапом установки является заполнение системы маслом и тщательная проверка работы насоса на холостом ходу.

Требования к рабочей жидкости

Правильный выбор и поддержание качества масла является одним из ключевых факторов, влияющих на надежность и эффективность работы гидравлического насоса. Основными требованиями к рабочей жидкости являются:

• Гидравлическое масло должно обладать оптимальной вязкостью, обеспечивающей эффективную смазку всех трущихся деталей в насосах. Низкая вязкость может привести к повышенному износу, а слишком высокая - к снижению КПД всей системы оборудованной насосом и перегреву масла во всём оборудовании.
• Наличие примесей и загрязнений в жидкости может стать причиной повреждения деталей в насосах. Необходимо обеспечивать тщательную очистку и фильтрацию жидкости в соответствии с техническими требованиями.
• Рабочая жидкость должна быть совместима с материалами, используемыми в конструкции насоса, чтобы предотвратить коррозию и разрушение элементов в насосах.
• Жидкость должна сохранять стабильность и не терять своих свойств под воздействием высоких температур.

Соблюдение данных требований к рабочей жидкости позволяет обеспечить надежную и долговечную работу.

Своевременная диагностика и замена деталей в насосах позволяют существенно продлить их срок службы.

Статья является авторской. При копировании материала обязательна ссылка на источник.

Автор статьи: Очкасов Данил - инженер гидравлик.

При подготовке статьи использовался материал:

• сайт: https://hydro-pnevmo.ru/