Гидравлические насосы - классификация и принцип работы

Гидронасосы и гидродвигатели относятся к гидростатическим машинам.
Преобразование механического крутящего момента осуществляется за счёт рабочего давления и рабочего объёма, причём этот принцип одинаков для всех гидростатических агрегатов.
Это видно из уравнения крутящего момента, в котором не учитывается коэффициент полезного действия: M = Δp·Vh/2π
где:

• M насоса — приводной момент
• M двигателя — момент на ведомом валу
• Δp — разность давлений на выходе и входе насоса (или двигателя)
• Vh — геометрический рабочий объём

Поскольку в таких машинах жидкость вытесняется, их также называют вытесняющими машинами.
Основные типы машин:

• шестерённый насос / шестерённый двигатель
• роторно-пластинчатый насос / двигатель
• радиально-поршневая машина
• аксиально-поршневая с наклонным блоком
• винтовой насос

Преимуществом гидростатического метода передачи энергии является высокая энергонапряжённость, напрямую зависящая от давления рабочей жидкости.
Кроме различий по типу, гидромашины также делятся на:

• Нерегулируемые насосы и двигатели, у которых рабочий объём остаётся постоянным.
• Регулируемые насосы и двигатели, в которых рабочий объём может изменяться.

Гидронасосы

Основная задача насоса в гидравлике — создание потока жидкости, то есть обеспечение вытеснения определённого объёма рабочей жидкости с заданной силой.
Насос всасывает жидкость из резервуара, которая обычно находится под атмосферным давлением, и направляет её в сторону выхода. Оттуда жидкость поступает в гидросистему и, пройдя через регулирующую аппаратуру, попадает к потребителю.
Потребитель (например, поршень гидроцилиндра) оказывает сопротивление движению жидкости. В ответ на это создаётся давление, которое растёт до тех пор, пока сила, вызываемая насосом, не преодолеет сопротивление. В зависимости от нагрузки давление может меняться, пока не наступит равновесие.
Таким образом, поток жидкости можно представить, как своего рода жидкий шток, на который действуют силы, создаваемые насосом.

Шестерённые насосы

Шестерённые насосы относятся к нерегулируемым.

Шестерённый насос внутреннего зацепления

Рис. ZSK.5.1 Шестеренный насос внутреннего зацепления

Он состоит из корпуса 1, внутри которого вращаются две шестерни с разными профилями:

• одна внутренняя (2),
• другая внешняя (3).

Зазор между шестернями очень мал, что обеспечивает маслонепроницаемость.

• Синяя стрелка (слева) — зона всасывания, соединённая с резервуаром.
• Красная стрелка (справа) — зона нагнетания, соединённая с гидросистемой.

Внутренняя шестерня (2) вращается в направлении стрелки и приводит внешнюю шестерню (3). Между зубьями образуются замкнутые полости, через которые жидкость транспортируется к выходу и затем вытесняется.

Шестерённый насос с внешним зацеплением (см. рис. ZSK.5.2)

Рис. ZSK.5.2 Шестеренный насос внешнего зацепления

В этой конструкции зубья шестерён входят в зацепление снаружи. Шестерня 2 вращается по направлению стрелки и захватывает шестерню 3, которая движется в противоположную сторону. Таким образом, обе шестерни вращаются навстречу друг другу. Процесс всасывания происходит так же, как и в насосе с внутренним зацеплением: жидкость поступает в камеры, образуемые впадинами между зубьями, и переносится к зоне нагнетания. На стороне нагнетания (выхода, красный цвет) жидкость вытесняется из промежутков между зубьями — это показано на рис. ZSK.5.2.
Однако при работе возникает важная проблема: зубья входят в зацепление раньше, чем жидкость успевает полностью покинуть межзубовые полости. Это может вызвать резкий скачок давления — так называемый гидравлический удар, который ведёт к неравномерной работе насоса.
Для предотвращения этого в конструкции предусмотрены специальные разгрузочные отверстия, через которые "запертая" жидкость отводится обратно в сторону высокого давления.
Боковой люфт и компенсация
Другой важный параметр — боковой люфт между торцами шестерён и опорной плоскостью корпуса (см. рис. ZSK.5.3, позиции 5 и 6).

• Если люфт слишком большой — возрастает утечка жидкости.
• Если слишком мал — усиливается трение.

В современных насосах реализуется гидростатическая компенсация люфта: специальные шайбы (позиция 7) прижимаются к торцам шестерён давлением из гидросистемы. Это позволяет поддерживать высокий КПД независимо от давления и скорости вращения.
Основные характеристики:

• Рабочий объём: 3,5–100 см³/об
• Рабочее давление: до 250 бар

Рис. ZSK.5.3 Шестеренный насос в разрезе

Роторно-пластинчатые насосы

Роторно-пластинчатый насос — это тип нерегулируемого насоса с фиксированным рабочим объёмом.

Конструкция:

• Статор имеет двухэксцентрическую внутреннюю поверхность.
• Ротор — ведущий элемент насоса.
• В радиальных пазах ротора установлены по 2 подвижные пластины (лопатки).
• При вращении лопатки выдвигаются центробежной силой и давлением, прижимаясь к внутренней стенке статора.
• Ротор, статор, лопатки и боковые распределительные диски формируют рабочие камеры.

Принцип работы:

• При вращении ротора создаются камеры с переменным объёмом.
• Сторона всасывания и нагнетания определяются формой статора.
• Поскольку статор имеет двойную эксцентриситетность, каждая камера дважды участвует в процессе нагнетания за один оборот.

Рис. ZSK.5.4 иллюстрирует конструкцию насоса, включая направления потоков.

Рис. ZSK.5.4 Роторно-пластинчатый насос

Радиально-поршневые насосы

Поршни расположены радиально относительно оси привода (типы R2, с 3, 5 или 7 элементами).
Принцип действия:

• Поршни закреплены на валу, расположены звездообразно.
• Давление подаётся с помощью клапанов (всасывающего и нагнетательного).
• При вращении вала эксцентриковый элемент создаёт колебательное движение поршней.

Конструкции:

• С внешней и внутренней кривой хода.
• Регулируемые и нерегулируемые.
• Под элементом насоса понимается секция с одним поршнем и клапанами.

Рис. ZSK.5.5 показывает принцип действия и распределение потоков.

Рис. ZSK.5.5 Радиально-поршневые насосы

Винтовой насос

В одном корпусе размещены два или три винта с разнонаправленной нарезкой.

Принцип действия:

• Средний винт приводит в движение два боковых.
• Камеры между винтами перемещают жидкость от всасывания к нагнетанию.
• Объём жидкости остаётся постоянным, обеспечивая равномерную подачу.

Рис. ZSK.5.6 Винтовой насос

Аксиально-поршневые машины

Поршни расположены в цилиндровом блоке аксиально.
Типы конструкций:

• С наклонной шайбой (рис. ZSK.5.7)
• С наклонным цилиндровым блоком

Рис. ZSK.5.7 Аксиально-поршневая машина с наклонной шайбой

Принцип действия:

• Поршни совершают возвратно-поступательное движение вдоль оси.
• При наклоне шайбы создаётся крутящий момент.
• Используются как насосы и двигатели.

Особенности:

• При изменении угла наклона регулируется объём.
• Вал вращает блок с поршнями, соединёнными с шайбой.

Характеристики (примерные):

• Объём: 0.4–1.23 см³
• Давление: до 630 бар

С наклонной шайбой, нерегулируемый объём

Тип A1F (рис. ZSK.5.8):

• Девять поршней движутся в блоке, соединённом с валом.
• Поршни удерживаются шайбой, установленной под углом.
• Управление потоком осуществляется через распределительные окна.

Цикл:

• Поршень всасывает жидкость при движении наружу.
• При обратном движении — нагнетает.

Рис. ZSK.5.8 показывает структуру насоса в разрезе.

С наклонной шайбой, регулируемый объём

Тип A1V (рис. ZSK.5.9):

• Наклонная шайба 1 поворачивается механизмом 2.
• Ход поршней 3 зависит от угла наклона.
• В среднем положении объём равен нулю.
• При повороте шайбы изменяется направление потока.

Конструктивные особенности:

• 9 поршней
• угол поворота: 0…±15°
• короткий маслопровод
• цельный вал

Преимущества:

• Быстрый отклик
• Малый вес
• Компактность
• Возможность установки дополнительных насосов

Рис. ZSK.5.9 показывает структуру насоса в разрезе