Лекция №10. Объёмные насосы. Типы шестеренных насосов; элементы цилиндрического прямозубого колеса; корригирование зацепления; подача шестеренного насоса

ЛЕКЦИЯ №10. ОБЪЁМНЫЕ НАСОСЫ. Типы шестеренных насосов; элементы цилиндрического прямозубого колеса; корригирование зацепления; подача шестеренного насоса.

Специфической особенностью всех объёмных насосов является то, что их производительность в основном определяется величинами периодически замыкаемых в них объёмов и скоростью переноса этих объёмов со стороны всасывания на сторону нагнетания. При этом давление нагнетания и соответственно удельная работа насосов при расчётной скорости движения рабочих органов в рабочем диапазоне практически зависят только от сопротивления нагнетательной магистрали. В этих условиях конструктивные расчёты объёмных насосов практически не связаны с гидромеханикой, принципиально очень просты, и в основном сводятся к вычислениям геометрических значений соответствующих объёмов, которые зависят от формы и конструкции рабочих органов. Так, для шестерённых насосов определяются объёмы впадин между зубьями, для винтовых насосов – объёмы полостей между спиральными выступами, для поршневых насосов – объёмы, освобождаемые ходами поршней в цилиндрах и т.п. Для простых насосов с небольшими расходами и давлениями целесообразно вычисление основных размеров по приближённым формулам, после чего возможна сравнительно простая их доводка на основе простых испытаний. Более сложные или имеющие более важное назначение насосы могут быть рассчитаны по более сложным зависимостям, в которых обстоятельно учитываются особенности конфигурации рабочих органов, а также вычисляются внутренние утечки и некоторые другие дополнительные параметры их работы на основе гидромеханики и с учётом всех геометрических и конструктивных особенностей проектируемых объектов. В любом случае для каждого типа объёмных насосов при выполнении любых видов расчётов важно выделение и определение всех общепринятых параметров геометрии, связанных с тем или иным видом рабочих органов – с шестернями, с винтами, с цилиндрами и т.п. Соответственно сказанному рассмотрим вначале конструктивное разнообразие шестерённых насосов, а затем упрощённые и точные методы определения их основных параметров, в основном, как уже говорилось, связанные с особенностями геометрии их рабочих органов.

10.1. Типы шестеренных насосов (материал заимствован из книги И.А.Чиняева «Роторные насосы», Л: Машиностроение, 216с., 1969.)

Шестеренные насосы являются одним из наиболее распространенных видов роторных насосов. Они применяются в системах смазки машин и механизмов, в различных гидроприводах, для перекачивания нефти, нефтепродуктов и других жидкостей. Шестеренные насосы выполняются с шестернями внешнего и внутреннего зацепления.

Рис. 10.1. Схема шестеренного насоса с внешним зацеплением	Рис. 10.2. Схема шестеренного насоса с внутренним зацеплением: 1 – внешняя шестерня; 2– внутренняя шестерня

Наибольшее распространение имеют насосы с шестернями внешнего зацепления. Простейший насос такого типа изображен на рис. 10.1.

Насос состоит из ведущей 1и ведомой 3 шестерен, помещенных в плотно обхватывающий их корпус 4, который в левой части рисунка показан пунктиром. При вращении шестерен по направлению стрелок жидкость, заполняющая впадины зубьев, переносится из полости всасывания 5 в полость нагнетания 2. В полости всасывания зубья шестерен выходят из зацепления, а в полости нагнетания – входят в зацепление. Соответственно этому в полости всасывания происходит увеличение объёмов, а в полости нагнетания – уменьшение переносимых объёмов.

На рис. 10.2 показана схема насоса с внутренним зацеплением шестерен.

Чтобы отделить нагнетательную полость от всасывающей, применен серповидный элемент 3, помещенный между внутренней и внешней шестернями. Для уплотнения между внешней шестерней и корпусом установлены уплотняющие элементы, находящиеся под действием пружин.

В случае перемены направления вращения шестерен при сохранении тех же подводов и отводов жидкости серповидный элемент следует переместить в положение, диаметрально противоположное изображенному на рис. 10.2. Насосы такого типа имеют меньшие габаритные размеры и меньше изнашиваются, чем насосы с внешним зацеплением шестерен, однако из-за сложности изготовления они применяются редко, в основном в системах смазки реверсивных двигателей.

Основным типом шестеренных насосов является насос, состоящий из пары прямозубых шестерен с внешним зацеплением и с одинаковым числом зубьев эвольвентного профиля. Насосы этого типа отличаются простотой устройства и надежностью в эксплуатации.

Рис. 10.3. Схема трехшестеренного насоса	Рис. 10.4. Схема трехступенчатого шестеренного насоса: 1, 2, 3 – ступени насоса; 4 – перепускной клапан

Для увеличения подачи применяются насосы с тремя и более шестернями, размещенными вокруг центральной приводной шестерни. На рис.10.3 показан трехшестеренный насос. Средняя шестерня является приводной; при вращении ее в направлении, указанном стрелкой, жидкость будет засасываться из каналов и нагнетаться через каналы 2 и 4. Теоретическая подача такого насоса в два раза больше теоретической подачи насоса, состоящего из двух шестерен тех же размеров. Действительная подача насоса этого типа из-за увеличения утечек будет несколько ниже удвоенной подачи насоса, выполненного по обычной схеме.

Для повышения давления жидкости шестеренные насосы выполняют многоступенчатыми.

На рис. 10.4 изображена схема трехступенчатого шестеренного насоса. Подача каждой предыдущей ступени этого насоса выше расхода последующей ступени. Для отвода излишка жидкости каждая ступень имеет перепускной клапан, отрегулированный на соответствующее давление.

Применением двух- и трехступенчатого насоса можно соответственно удвоить и утроить давление; однако при этом понижается общий к. п. д. агрегата, так как первые ступени должны быть рассчитаны на превышение потребной подачи для обеспечения надежного питания последующих ступеней.

Путем последовательно-параллельного соединения в одном агрегате нескольких групп шестерен можно получить насос высокого давления с большим числом ступеней расхода, т. е. многопоточный насос высокого давления.

На рис. 10.5 изображена схема двухступенчатого шестипоточного шестеренного насоса.

Рис. 10.5. Схема шестеренного насоса с параллельно-последовательными потоками жидкости

У насосов с косозубыми (рис. 10.6) и шевронными (рис. 10.7 и 10.8) шестернями вход зубьев в зацепление и выход из зацепления происходят не сразу по всей ширине, как у насосов с прямозубыми шестернями, а постепенно. Благодаря этому они менее чувствительны к погрешностям изготовления и монтажа, более износоустойчивы и работают плавно и бесшумно.

Существенным недостатком насосов с косозубыми шестернями является возникновение во время работы осевых усилий, прижимающих шестерни к торцам корпуса, что может вызвать их интенсивный износ. Этого недостатка не имеют насосы с шевронными шестернями.

Рис. 10.6. Насос с косозубыми шестернями

Обычно шевронные шестерни составляют из двух шестерен с косыми зубьями, одна из которых имеет левую нарезку, другая – правую (рис. 10.7).

Рис 10.7. Роторы насоса с шевронными шестернями

Косозубая шестерня 1, сидящая на ведущем валу, имеет правую нарезку, а косозубая шестерня 2, насаживаемая на тот же вал, выполнена с левой нарезкой. Обе шестерни образуют одну шевронную шестерню; они сидят на валу на общей шпонке. Косозубые шестерни ведомого ротора расположены в обратном порядке, т. е. шестерня 3 имеет левую нарезку, а шестерня 4 – правую. Шестерня 3 сидит на валу на шпонке, а шестерня 4 насажена на вал свободно, что дает ей возможность самоустанавливаться при работе роторов относительно зубьев шестерни ведущего ротора. Угол наклона зубьев в шевронных шестернях обычно составляет 20…25°.

Насосы с шевронными шестернями допускают более высокие скорости (числа оборотов) и имеют больший срок службы, чем насосы с прямозубыми шестернями. Кроме того, в этих насосах отсутствует запирание жидкости во впадинах. У некоторых насосов зубья шевронных шестерен служат только для герметизации и вытеснения (перемещения) жидкости, передача же крутящего момента происходит через внешнюю пару прямозубых шестерен (рис. 10.8).

Рис. 10.8. Насос с шевронными шестернями и внешней парой прямозубых шестерен

Недостатком насосов с шевронными шестернями является трудность герметизации камер нагнетания и всасывания, ввиду чего их в основном применяют при сравнительно небольших давлениях и больших расходах.

Насосы с шевронными шестернями хорошо зарекомендовали себя при перекачке высоковязких жидкостей (до 300°ВУ). Их целесообразно применять также для перекачки жидкостей, содержащих газы и обладающих значительной упругостью насыщенных паров. Это объясняется тем, что благодаря отсутствию защемленного объема в полость нагнетания переносится малое количество сжатых газов и паров.

Шестеренные насосы выполняются с внутренними и с выносными подшипниками. Первые строятся для перекачивания жидкостей, обеспечивающих нормальную работу подшипников, а вторые – для перекачивания агрессивных и не обладающих смазывающими свойствами жидкостей.

Имеются шестеренные насосы, выполненные с обогревом корпуса. У некоторых шестеренных насосов применено охлаждение корпуса.

На шестеренные насосы, выпускавшиеся в СССР, имелся государственный стандарт, который распространялся на насосы с подачей до 144 м³/ч и давлением нагнетания до 2,5МПа.

Современные шестеренные насосы могут развивать давление до 100 кГ/см² и выше. В авиационных гидросистемах применяются шестеренные насосы с давлением нагнетания 15…20МПа.

Выпускаемые в настоящее время шестеренные насосы являются нерегулируемыми по подаче, хотя регулирование в принципе и осуществимо [20].

Шестеренные насосы часто используют в качестве гидромоторов, для чего их обычно подвергают некоторым конструктивным доработкам и тщательному контролю качества изготовления [3].

10.2. Теоретическая подача шестеренного насоса

Рабочими органами простейшего шестерённого насоса являются прямозубые шестерни с внешним зацеплением. Имеет смысл выделить основные геометрические параметры основного кинематического элемента, соответствующие общепринятым формам.