Гидравлические насосы. Как работают и какие бывают?

Гидравлические насосы являются сердцем любой гидравлической системы, преобразуя механическую энергию в гидравлическую. Эти устройства играют ключевую роль в работе спецтехники, промышленного оборудования и множества других механизмов, где требуется создание значительных усилий с точным контролем движения. В данной статье мы подробно рассмотрим принципы работы, классификацию, особенности конструкции и практическое применение различных типов гидравлических насосов.

Принцип работы и основные параметры гидравлических насосов

Гидравлические насосы относятся к классу объемных гидромашин, принцип действия которых основан на попеременном заполнении рабочей камеры жидкостью и ее вытеснении. В отличие от динамических насосов, объемные насосы способны создавать значительное давление независимо от скорости потока жидкости, что делает их идеальными для систем с высоким сопротивлением.

Рисунок 1. Классификация гидравлических насосов по типу вытесняющего элемента

Основными параметрами, характеризующими работу гидравлических насосов, являются:

Классификация гидравлических насосов

Существует несколько подходов к классификации гидравлических насосов, основанных на их конструктивных особенностях, принципе действия и области применения. Наиболее распространенной является классификация по типу вытесняющего элемента.

Критерии выбора гидравлического насоса

При выборе типа насоса для гидросистемы необходимо учитывать ряд факторов:

• Диапазон рабочих давлений — каждый тип насосов имеет характерный диапазон рабочих давлений
• Интервал частот вращения — определяет диапазон регулирования производительности
• Вязкость рабочей жидкости — влияет на выбор типа насоса и его КПД
• Требования к чистоте рабочей жидкости — различные насосы имеют разную чувствительность к загрязнениям
• Габаритные размеры и масса — важны при установке в ограниченном пространстве
• Уровень шума — критичен для техники, работающей в жилых зонах или закрытых помещениях
• Стоимость и доступность — включая первоначальные затраты и стоимость обслуживания

Поршневые насосы: конструкция и особенности

Ручные насосы

Ручные гидравлические насосы представляют собой простейший тип объемных насосов, используемых в случаях, когда не требуется высокая производительность, но необходимо создание значительного давления. Эти насосы широко применяются в качестве аварийных источников гидравлической энергии, в вспомогательных системах и в оборудовании, где использование приводного двигателя нецелесообразно.

Рисунок 2. Принцип действия ручного насоса одностороннего действия

Принцип работы ручного насоса одностороннего действия (рис. 2): при ходе поршня вверх через обратный клапан КО2 происходит всасывание жидкости из бака, клапан КО1 при этом закрыт. При ходе поршня вниз происходит вытеснение жидкости через клапан КО1 в напорный трубопровод, клапан КО2 закрыт.

Рисунок 3. Ручной насос двустороннего действия

Насосы двустороннего действия (рис. 3) обеспечивают подачу жидкости при обоих направлениях движения рукоятки, что повышает их производительность. При ходе поршня вверх через обратный клапан КО4 происходит всасывание жидкости из бака в нижнюю полость. Одновременно происходит вытеснение рабочей жидкости в напорный трубопровод через клапан КО1. При ходе поршня вниз через обратный клапан КО2 происходит всасывание жидкости из бака в нижнюю полость с одновременным вытеснением жидкости через клапан КО3.

Радиально-поршневые насосы

Радиально-поршневые насосы представляют собой разновидность роторно-поршневых гидромашин, в которых поршни расположены перпендикулярно оси вращения. Эти насосы применяются в гидросистемах с высоким давлением (свыше 40 МПа) и способны длительно работать при давлениях до 100 МПа.

Типы радиально-поршневых насосов

Рисунок 4. Радиально-поршневой насос с эксцентричным ротором

Насосы с эксцентричным ротором (рис. 4) имеют поршневую группу, установленную в роторе насоса. Ось вращения ротора и ось неподвижного статора смещены на величину эксцентриситета e. При вращении ротора поршни совершают поступательное движение с величиной хода 2e. Насосы данной конструкции имеют золотниковое распределение.

Рисунок 5. Радиально-поршневой насос с эксцентричным валом

Насосы с эксцентричным валом (рис. 5) имеют поршневую группу, установленную в статоре насоса. Ось вращения вала и ось неподвижного статора совпадают, но на валу имеется кулачок, смещенный на величину е относительно центра вращения вала. Насосы данной конструкции имеют клапанное распределение.

Рабочий объем радиально-поршневых насосов рассчитывается по формуле:

где: z – число поршней; dп – диаметр поршня; e – эксцентриситет

Рисунок 6а. Внешний вид радиально-поршневого насоса с эксцентричным валом

Рисунок 6б. Конструкция радиально-поршневого насоса с эксцентричным валом

Аксиально-поршневые насосы

Аксиально-поршневые насосы являются наиболее распространенным типом гидравлических насосов в современных гидроприводах. Они отличаются высокой удельной мощностью, компактными размерами и высоким КПД. В этих насосах поршни расположены параллельно оси вращения или под небольшим углом к ней.

Рисунок 7. Отличие аксиально-плунжерных и аксиально-поршневых насосов

Типы аксиально-поршневых насосов

Рисунок 8. Аксиально-поршневой насос с наклонным блоком

Насосы с наклонным блоком (рис. 8) имеют ось вращения блока цилиндров, расположенную под углом к оси вращения вала. При вращении вала насоса блок цилиндров также вращается, а поршни совершают возвратно-поступательное движение. Распределение жидкости осуществляется через распределитель с двумя пазами, соединенными с линиями всасывания и нагнетания.

Рисунок 9. Аксиально-поршневой насос с наклонным диском

Насосы с наклонным диском (рис. 9) имеют соосное расположение вала и блока цилиндров. Наклонный диск, закрепленный на валу, приводит в движение поршни, которые совершают возвратно-поступательное движение в цилиндрах.

Рабочий объем аксиально-поршневых насосов рассчитывается по формуле:

где: z – число поршней; dп – диаметр поршня; Dц – диаметр расположения цилиндров; γ – угол наклона диска(блока)

Рисунок 10. Аксиально-поршневой насос с наклонным блоком

Рисунок 11. Регулируемый аксиально-поршневой насос с наклонным диском

Рисунок 12. Аксиально-плунжерный насос с неподвижным блоком и клапанным распределением

Рисунок 13. Конструкция аксиально-плунжерного насоса с вырезом

Шестеренные насосы

Шестеренные насосы относятся к роторным гидромашинам и являются одним из самых простых и распространенных типов объемных насосов. Они широко применяются в системах с невысокими давлениями (до 20-25 МПа) и отличаются простотой конструкции, низкой стоимостью и надежностью.

Шестеренные насосы внешнего зацепления

Рисунок 14. Принцип работы шестеренного насоса внешнего зацепления

При вращении шестерен жидкость, заключенная во впадинах зубьев, переносится из зоны всасывания в зону нагнетания. Поверхности зубьев вытесняют при вращении больше жидкости, чем может поместиться в пространстве, освобождаемом зацепляющимися зубьями. Разность объемов вытесняется в линию нагнетания.

Рисунок 15. Конструкция шестеренного насоса внешнего зацепления

Рабочий объем шестеренного насоса можно определить по зависимости:

где: m – модуль зубьев; z – число зубьев; b – ширина зуба; h – высота зуба

Шестеренные насосы внутреннего зацепления

Рисунок 16. Принцип работы шестеренного насоса внутреннего зацепления

Насосы внутреннего зацепления имеют меньший уровень пульсаций и шума по сравнению с насосами внешнего зацепления. В зоне всасывания при вращении шестерен объем камеры увеличивается, происходит наполнение рабочей камеры жидкостью. В зоне нагнетания объем камеры уменьшается, и жидкость вытесняется в напорную линию.

Рисунок 17. Конструкция шестеренного насоса внутреннего зацепления

Героторные насосы

Рисунок 18. Принцип работы героторного насоса

Героторные насосы являются разновидностью шестеренных насосов с внутренним зацеплением, но без серпообразного разделителя. Разделение полостей осуществляется за счет специального профиля зубьев, обеспечивающего постоянный контакт шестерен в зоне разделения.

Рабочий объем героторного насоса рассчитывается по формуле:

где: Аmin, Аmax – минимальная и максимальная площадь межзубьевой камеры; z – число зубьев внутренней шестерни; b – ширина зуба

Рисунок 19. Конструкция героторного насоса

Пластинчатые (шиберные) насосы

Пластинчатые насосы используют в качестве вытеснителей радиально расположенные пластины (шиберы), которые совершают возвратно-поступательное движение при вращении ротора. Эти насосы отличаются низким уровнем шума, хорошей равномерностью подачи и способностью работать на средних давлениях (до 21 МПа).

Насосы однократного действия

Рисунок 22. Пластинчатый насос однократного действия

При вращении ротора пластины под действием центробежной силы прижимаются к корпусу статора, образуя герметично отделенные друг от друга полости. При прохождении пластин через область всасывания объем рабочих камер увеличивается и происходит всасывание жидкости. В области нагнетания объем камер уменьшается, и жидкость вытесняется в напорную линию.

Рабочий объем пластинчатого насоса однократного действия:

где: e – эксцентриситет; D – диаметр статора; d – диаметр ротора; b – ширина пластины; z – число пластин

Насосы двойного действия

Рисунок 23. Пластинчатый насос двойного действия

Насосы двойного действия имеют две зоны всасывания и две зоны нагнетания, что обеспечивает более равномерную подачу и уравновешенность радиальных нагрузок. Принцип работы аналогичен насосам однократного действия, но за один оборот вала процессы всасывания и нагнетания происходят дважды.

Рисунок 24. Конструкция пластинчатого насоса двойного действия

Рабочий объем пластинчатого насоса двойного действия:

где: b – ширина пластины; D – диаметр статора; d – диаметр ротора; z – число пластин

Рекомендации по выбору насоса для гидросистемы

Выбор типа насоса для конкретной гидросистемы следует осуществлять на основе комплексного анализа требований и условий эксплуатации. Основными критериями выбора являются:

• Требуемое давление — определяет тип насоса (шестеренные до 20-25 МПа, пластинчатые до 21 МПа, аксиально-поршневые до 40-70 МПа, радиально-поршневые до 100 МПа)
• Необходимая производительность — влияет на выбор рабочего объема и диапазона регулирования
• Диапазон вязкости рабочей жидкости — различные насосы имеют оптимальные диапазоны вязкости
• Требования к чистоте жидкости — шестеренные насосы менее чувствительны к загрязнениям, чем поршневые
• Уровень шума — пластинчатые и насосы внутреннего зацепления работают тише
• Ресурс и надежность — зависят от условий эксплуатации и правильности выбора
• Стоимость и доступность — включая первоначальные затраты и стоимость обслуживания

Расчет мощности и подбор насоса

Мощность, потребляемая насосом, определяется по формуле:

где: Q – подача насоса [л/мин]; p – давление в гидросистеме [МПа]; ɳ - КПД насоса

Необходимый рабочий объем гидронасоса определяется как:

где: Q – необходимая подача насоса [л/мин]; n – частота вращения двигателя [об/мин]

Реальное значение подачи насоса с учетом объемного КПД:

где: q0 – рабочий объем насоса; n – частота вращения; ɳv – объемный КПД

Причины отказов и рекомендации по эксплуатации

Наиболее частыми причинами выхода из строя гидравлических насосов являются:

Для обеспечения длительной и надежной работы гидравлических насосов рекомендуется:

• Соблюдать регламенты технического обслуживания и замены рабочей жидкости
• Контролировать чистоту рабочей жидкости и своевременно заменять фильтры
• Обеспечивать надлежащие условия на входе в насос для предотвращения кавитации
• Не допускать работы насоса в режимах, превышающих паспортные характеристики
• Проводить регулярный контроль температуры, давления и уровня шума

Заключение

Гидравлические насосы являются ключевыми компонентами современных гидравлических систем, определяющими их производительность, надежность и эффективность. Правильный выбор типа насоса с учетом конкретных условий эксплуатации позволяет значительно повысить КПД системы, снизить эксплуатационные расходы и увеличить межремонтный ресурс оборудования.

Современные тенденции в развитии гидравлических насосов направлены на повышение рабочих параметров, снижение массы и габаритов, уменьшение шума и пульсаций, а также расширение функциональных возможностей за счет встроенных систем контроля и управления.

Специалисты компании "Гидравлик-Трак" готовы помочь вам с подбором, расчетом и поставкой гидравлических насосов для любых применений. Мы предлагаем широкий ассортимент качественного гидравлического оборудования и запасных частей от проверенных производителей.