Принцип роботи та сфери застосування внутрішньозубчастих насосів

Принцип зачеплення: як працює внутрішньозубчастий насос

Внутрішньозубчастий насос складається з ведучого зубчастого колеса (зовнішньозубчастого, розташованого всередині) та веденого зубчастого колеса (внутрішньозубчастого, розташованого ззовні) обидва колеса обертаються в одному напрямку, а вершини їхніх зубів у точці контакту ущільнюють один одного, щоб відокремити сторону всмоктування від сторони подачі.

Існує два основних типи конструкцій внутрішньозубчастих насосів. У типі «серпоподібний» між вершинами зубів використовується серпоподібна перегородка, щоб запобігти витіканню між вершинами ведучого й веденого коліс. У типі «без серпа» розділення сторони всмоктування й сторони подачі забезпечується безпосереднім контактом вершин зубів обох коліс у єдиній точці; на практиці передбачається дуже мала зазорність, щоб уникнути заклинювання .

Дизайн без серпоподібного елемента забезпечує ключову перевагу щодо ефективності: оскільки об’єм між зубами ведучого й веденого зубчастих коліс більший, насос може досягти більшого теоретичного робочого об’єму за умови, що ширина зубів, діаметр вершин ведучого зубчастого колеса та зовнішній діаметр веденого зубчастого колеса є такими самими, як у насоса з серпоподібним елементом. Альтернативно, при однаковому робочому об’ємі зовнішній діаметр веденого зубчастого колеса може бути меншим, що зменшує крутний момент тертя, спричинений зсувом в’язкої оливи на ковзних частинах зубчастих коліс, і підвищує механічну ефективність — саме ця причина є головною для широкого застосування такого типу насосів у автоматичних коробках передач автомобілів, у тому числі в CVT .

Обчислення робочого об’єму для початківців

Існує два фундаментальні підходи до розрахунку робочого об’єму внутрішньошестеренчастого насоса. Геометричний метод визначає об’єм простору, обмеженого зубцями ведучого й веденого шестерень. Метод теоретичного крутного моменту спочатку розраховує теоретичний крутний момент насоса, а потім виводить робочий об’єм із принципу, що гідравлічна енергія, передана маслу, дорівнює потужності, необхідній для обертання валу насоса (без урахування втрат енергії) .

Для початківців практичний розрахунок витрати:

Q = Vd × N

де Q — об’ємна витрата, Vd — робочий об’єм за один оберт, а N — частота обертання .

Теоретичний метод визначення робочого об’єму історично було складно застосовувати точно, оскільки він вимагає інтегрування об’єму між зубцями шестерень при кожній мінімальній зміні кута повороту — що вимагає креслень шестерень для кожної позиції повороту. CAD-інструменти зробили цей процес практичнішим, але точне теоретичне обчислення крутного моменту залишається цінним, оскільки воно усуває необхідність у складному інтегруванні об’єму на кожну мінуту. .

На практиці робочий об’єм шестеренного насоса корелює з квадратом модуля шестерні. За умови постійного діаметра ділильного кола більший модуль забезпечує більший робочий об’єм насоса. .

Межі тиску на всмоктуванні

Ефективність всмоктування безпосередньо впливає на те, чи зможе насос працювати надійно без кавітації. Для внутрішніх шестеренних насосів діють такі обмеження:

Загальне обмеження для шестеренних насосів: фактична висота всмоктування не повинна перевищувати 0,5 м.

Специфічне обмеження для серії NBL: висота самозасмоктування не повинна перевищувати 500 мм, що еквівалентно вакууму на вході не більше 0.03 МПа (0.3 бар). Якщо застосовується метод подачі під примусом, тиск подачі не повинен перевищувати 0.5 МПа; в іншому разі потрібно використовувати маслостійке ущільнення, розраховане на тиск .

Довідкові дані для серії Rexroth PGH: мінімальний тиск на всмоктуванні (без навантаження) — 0.8 бар; максимальний тиск на всмоктуванні (без навантаження) — 2 бар .

Перевищення цих меж загрожує кавітацією, що призводить до виділення газу, випаровування мастила, шуму та прискореного зносу внутрішніх поверхонь .

Типові діагностики несправностей

Недостатнє або відсутнє всмоктування

Поширені причини включають: нерухомість внутрішнього ротора (перевірте черв’ячну передачу, черв’ячне колесо або зубчасте колесо приводної системи, гвинти або штифти для фіксації внутрішнього ротора на предмет ослаблення); неспівпадіння напрямку обертання з напрямком обертання приводного двигуна, що призводить до зміни місцями вхідного й вихідного отворів; забруднення вихідної магістралі; засмічення вхідного фільтруючого екрана; сильне зношення внутрішнього й зовнішнього роторів, що перешкоджає утворенню герметичних порожнин; контакт торцевої поверхні вхідного трубопроводу з дном масляного бака; проникнення повітря в точці всмоктування насоса; або надто низький рівень мастила. .

Великі коливання тиску

Це часто спричинено: надмірною похибкою ексцентриситету або надмірним зазором між зовнішнім ротором та корпусом насоса (похибка ексцентриситету має бути в межах ±0,02 мм; зазор між зовнішнім ротором та корпусом насоса — в межах 0,04–0,06 мм); низькою точністю профілю зубців внутрішнього й зовнішнього роторів (поширено для роторів, виготовлених методом порошкової металургії); надмірним радіальним і торцевим биттям; надмірним бічним зазором між зубцями (має бути в межах 0,07 мм); або проникненням повітря в насос. .

Тиск не підвищується

Перевірте: надходження повітря на вхід насоса; надто низьку швидкість внутрішнього ротора (перевірте з’єднання передачі потужності від головного валу до внутрішнього ротора на предмет ослаблення або прослизання); часткове забруднення вхідного отвору; або погане зачеплення черв’ячної пари чи зубчастих коліс, що призводить до нестабільної швидкості обертання внутрішнього ротора .

Чрезмірний шум

Причини включають: низький рівень мастила, що призводить до підсмоктування повітря, або часткове забруднення фільтрувального елемента, що призводить до недостатнього відсмоктування; сильне зношення компонентів; або зміну положення точки зачеплення у системі передачі потужності насоса .

Зовнішнє витікання мастила

Перевірте: ослаблення гвинтів кріплення корпусу насоса або з’єднувальних елементів; пошкодження ущільнень; погане ущільнення фланця вихідного отвору; або деформацію/пошкодження корпусу чи кришки насоса .

Примітки щодо підбору серії NBL

Серія NBL — це внутрішньошестереневий насос із прямими зубами та спряженими колесами, розроблений для забезпечення надійної самозасмоктувальної роботи. Основні аспекти, які слід враховувати при виборі, для початківців:

Зміщення та швидкість: підберіть об’ємну подачу насоса відповідно до вимог системи щодо витрати рідини при передбаченій робочій швидкості. Внутрішньозубчасті насоси, як правило, забезпечують плавну подачу з низькою пульсацією, тому їх застосовують у завданнях, де потрібний стабільний вихід.

Конфігурація всмоктування: серія NBL вимагає висоти самозасмоктування ≤500 мм (вакуум на вході ≤0,03 МПа). Якщо використовується примусова подача, тиск не повинен перевищувати 0,5 МПа без заміни стандартного ущільнення на тискостійке. .

Кріплення та вал: перевірте, чи тип фланця (стандарт SAE або ISO) та параметри вала (з шпонкою або шліцевим) відповідають вашій системі. Стандартні монтажні інтерфейси SAE та ISO доступні для серії QT і подібних внутрішньозубчастих насосів. .

Придатність для застосування: внутрішньозубчасті насоси мають переваги у високошвидкісній роботі, низькому рівні шуму та малій пульсації подачі, але мають складну форму зубів і вищу вартість виробництва порівняно з зовнішньозубчастими насосами. їх обирають там, де потрібна плавна робота й тихий режим експлуатації.

Основні висновки для початківців

Внутрішні шестеренні насоси забезпечують плавну подачу з низьким рівнем пульсацій, герметизуючи сторони всмоктування та нагнітання у точці контакту між верхівками зубів ведучої та веденої шестерень. Об’ємну подачу найточніше визначають за теоретичними принципами крутного моменту; практична подача обчислюється за формулою Q = Vd × N. Обмеження щодо всмоктування є суворими: зазвичай висота самозасмоктування не перевищує 0,5 м, а вакуум на вході — 0,03 МПа для насосів серії NBL. Більшість аварій у експлуатації пов’язані з проникненням повітря, неправильним напрямком обертання, забрудненням вхідних сіток або надмірним зносом зазорів роторів. При виборі насосів серій QT або NBL необхідно перевірити відповідність об’ємної подачі, робочого тиску, діапазону частот обертання, конфігурації всмоктування та типу кріплення вимогам вашої системи.