Принцип работы и применение внутренних шестерёнчатых насосов

Принцип зацепления: как работает внутренний шестерёнчатый насос

Внутренний шестерёнчатый насос состоит из ведущей шестерни (шестерни с внешними зубьями, расположенной внутри) и ведомой шестерни (шестерни с внутренними зубьями, расположенной снаружи) обе шестерни вращаются в одном направлении; вершины их зубьев плотно прилегают друг к другу в точке контакта, разделяя всасывающую и нагнетательную стороны.

Существует два основных типа конструкции внутренних шестерёнчатых насосов. В типе «с полумесяцем» между вершинами зубьев используется разделительная пластина в форме полумесяца, предотвращающая утечку между вершинами ведущей и ведомой шестерён. В бесполумесячном типе разделение всасывающей и нагнетательной зон достигается за счёт прямого контакта вершин зубьев обеих шестерён в одной точке; на практике обеспечивается очень малый зазор, чтобы избежать заклинивания. .

Конструкция без полумесяца обеспечивает важное преимущество в эффективности: поскольку объём между зубьями ведущей и ведомой шестерён больше, насос способен обеспечить больший теоретический рабочий объём при одинаковой ширине зуба, диаметре окружности вершин зубьев ведущей шестерни и наружном диаметре ведомой шестерни по сравнению с насосом полумесячного типа. Альтернативно, при одинаковом рабочем объёме наружный диаметр ведомой шестерни может быть уменьшен, что снижает крутящий момент трения, возникающий при сдвиге вязкого масла на поверхностях скольжения шестерён, и повышает механическую эффективность — это одна из главных причин широкого применения данного типа насосов в автоматических коробках передач автомобилей, включая CVT .

Расчёт рабочего объёма для начинающих

Существует два основных подхода к расчёту рабочего объёма шестерёнчатого насоса внутреннего зацепления. Геометрический метод определяет объём пространства, ограниченного зубьями ведущей и ведомой шестерён. Метод теоретического крутящего момента сначала вычисляет теоретический крутящий момент насоса, а затем выводит рабочий объём из принципа равенства гидравлической энергии, передаваемой маслу, и мощности, необходимой для вращения вала насоса (без учёта потерь энергии). .

Для начинающих практический расчёт расхода выглядит следующим образом:

Q = Vd × N

где Q — объёмный расход, Vd — рабочий объём за один оборот, N — частота вращения. .

Теоретический метод определения рабочего объёма исторически было сложно применять точно, поскольку он требует интегрирования объёма между зубьями шестерён при каждом минимальном изменении угла поворота — для чего нужны чертежи шестерён в каждом положении поворота. САПР-инструменты сделали этот метод более практичным, однако точный теоретический расчёт крутящего момента остаётся ценным, поскольку позволяет избежать сложности интегрирования объёма пошагово. .

На практике рабочий объём шестерённого насоса коррелирует с квадратом модуля шестерни. При условии постоянного диаметра делительной окружности больший модуль обеспечивает больший рабочий объём насоса. .

Пределы давления на всасывании

Производительность на всасывании напрямую влияет на способность насоса работать надёжно без кавитации. Для внутренних шестерённых насосов действуют следующие ограничения:

Общее ограничение для шестерённых насосов: фактическая высота всасывания не должна превышать 0,5 м.

Специфический предел для серии NBL: высота самовсасывания не должна превышать 500 мм, что эквивалентно вакууму на входе не более 0,03 МПа (0,3 бар). При использовании принудительной подачи давление подачи не должно превышать 0,5 МПа; в противном случае необходимо применять масляное уплотнение, устойчивое к давлению .

Справочные данные для серии Rexroth PGH: минимальное давление всасывания (без нагрузки) — 0,8 бар; максимальное давление всасывания (без нагрузки) — 2 бар .

Превышение этих пределов создаёт риск кавитации, вызывающей выделение газа, испарение масла, шум и ускоренный износ внутренних поверхностей .

Типовые методы диагностики неисправностей

Недостаточное или отсутствующее всасывание

Типичные причины включают: неподвижность внутреннего ротора (проверьте червячную передачу, червячное колесо или шестерню приводной системы, крепёжные винты или фиксирующие штифты внутреннего ротора на предмет ослабления); несоответствие направления вращения первичного двигателя, вызывающее перепутывание входного и выходного патрубков; засорение линии нагнетания; засорение входного фильтрационного экрана; сильный износ внутреннего и внешнего роторов, препятствующий образованию замкнутых полостей; контакт торцевой поверхности входной трубы с дном масляного бака; подсос воздуха на всасывающем входе насоса; либо слишком низкий уровень масла .

Сильные колебания давления

Это часто обусловлено: чрезмерной погрешностью эксцентриситета или чрезмерным зазором между внешним ротором и корпусом насоса (погрешность эксцентриситета должна составлять не более ±0,02 мм; зазор между внешним ротором и корпусом насоса — от 0,04 до 0,06 мм); низкой точностью профиля зубьев внутреннего и внешнего роторов (часто встречается у роторов, изготовленных методом порошковой металлургии); чрезмерным радиальным и торцевым биением; чрезмерным боковым зазором зубьев (должен составлять не более 0,07 мм); либо попаданием воздуха в насос .

Давление не возрастает

Проверьте: поступление воздуха на всасывание насоса; слишком низкую частоту вращения внутреннего ротора (проверьте соединение передачи мощности от главного вала к внутреннему ротору на наличие ослабления или проскальзывания); частичную закупорку всасывающего патрубка; либо некачественное зацепление червячной пары или зубчатых колёс, вызывающее нестабильность частоты вращения внутреннего ротора .

Чрезмерный шум

Возможные причины: низкий уровень масла, приводящий к подсосу воздуха, или частичная закупорка фильтрующей сетки, вызывающая недостаточное всасывание; сильный износ компонентов; либо смещение положения точки зацепления в системе передачи мощности насоса .

Утечка масла наружу

Проверьте: ослабление крепёжных винтов корпуса насоса или соединителей; повреждение уплотнений; некачественное уплотнение фланца нагнетательного патрубка; либо деформацию или повреждение корпуса или крышки насоса .

Примечания по подбору серии NBL

Серия NBL — это шестерёнчатый насос внутреннего зацепления с прямыми зубьями, предназначенный для надёжной работы с самовсасыванием. Основные рекомендации по выбору для начинающих:

Смещение и скорость: Подберите объём насоса в соответствии с требованиями к расходу системы при заданной рабочей скорости. Внутренние шестерёнчатые насосы, как правило, обеспечивают плавную подачу с низкой пульсацией, что делает их подходящими для применений, требующих стабильного выходного потока.

Конфигурация всасывания: Серия NBL требует высоты самовсасывания ≤500 мм (вакуум на входе ≤0,03 МПа). При использовании принудительной подачи давление не должно превышать 0,5 МПа без замены уплотнения масляного вала на усиленное, рассчитанное на повышенное давление .

Крепление и вал: Убедитесь, что тип фланца (стандарт SAE или ISO) и параметры вала (с шпоночным или шлицевым соединением) соответствуют вашей системе. Стандартные монтажные интерфейсы SAE и ISO доступны для серии QT и аналогичных внутренних шестерёнчатых насосов .

Соответствие применению: Внутренние шестерёнчатые насосы обладают преимуществами в работе на высоких скоростях, низком уровне шума и малой пульсации расхода, однако имеют сложный профиль зубьев и более высокую себестоимость изготовления по сравнению с внешними шестерёнчатыми насосами они предпочтительны там, где требуется плавная работа и тихий ход.

Основные выводы для новичков

Внутренние шестерёнчатые насосы обеспечивают плавную подачу с низким уровнем пульсаций за счёт герметизации всасывающей и нагнетательной сторон в точке контакта между вершинами зубьев ведущей и ведомой шестерён. Расчёт рабочего объёма наиболее точно выполняется на основе теоретических принципов крутящего момента; практический расход определяется по формуле Q = Vd × N. Ограничения по всасыванию строгие: типичная высота самозалива — 0,5 м, вакуум на входе — 0,03 МПа для насосов серии NBL. Большинство отказов в эксплуатации вызваны попаданием воздуха, неверным направлением вращения, загрязнением входных фильтров или чрезмерным износом зазоров роторов. При выборе насосов серий QT или NBL необходимо проверить соответствие рабочего объёма, номинального давления, диапазона частот вращения, конфигурации всасывания и типа монтажного присоединения требованиям вашей системы.