Шестерёнчатый насос

Шестеренчатый насос для перекачки вязких и смазывающих жидкостей

Принцип работы шестеренчатого насоса

Перекачка масла, мазута или полимерного расплава центробежным насосом упирается в физику: с ростом вязкости его подача падает, а потребляемая мощность растет. Шестеренчатый насос построен на другом принципе. Пара шестерен при вращении захватывает жидкость во впадины между зубьями, переносит ее вдоль стенок корпуса и вытесняет в напорный патрубок в зоне зацепления. За один оборот вала подается фиксированный объем. Подача определяется частотой вращения и почти не зависит от давления в сети — это свойство всех объемных машин.

Отсюда два практических следствия. Первое — самовсасывание: шестерни откачивают воздух из подводящей линии, и созданного разрежения хватает для подъема маловязкой жидкости с глубины до 4–5 м. Второе — широкий диапазон вязкости, от единиц до сотен тысяч сантистокс. На средах вязкостью выше 1000 мм²/с частоту вращения снижают до 500–900 об/мин, иначе жидкость не успевает заполнять впадины между зубьями и начинается кавитация.

У фиксированной подачи есть обратная сторона. Если напорная линия перекрыта, давление растет до разрушения корпуса, муфты или трубопровода — поэтому шестеренные насосы работают только в паре с предохранительным клапаном, встроенным или внешним. Конструктивно они делятся на два исполнения, и разница между ними больше, чем кажется по названию.

Насосы с внешним и внутренним зацеплением

Шестеренный насос с внешним зацеплением — две одинаковые шестерни рядом: ведущая сидит на валу привода, ведомая вращается свободно. Деталей минимум, поэтому такие машины дешевы и держат высокие давления — в гидравлическом исполнении до 250 бар. Плата за простоту — пульсация потока и шум: зубья входят в зацепление резко, а запертый между ними объем жидкости создает скачки давления. Типичные частоты вращения — 1500–3000 об/мин, что позволяет ставить насос напрямую на вал электродвигателя или дизеля.

У исполнения с внутренним зацеплением шестерня меньшего диаметра расположена внутри кольцевой, а полости всасывания и нагнетания разделяет серповидная вставка. Зубья входят в контакт плавно и на большей длине, поэтому поток идет почти без пульсаций. Шестеренные насосы внутреннего зацепления увереннее ведут себя на высоковязких продуктах: длинная линия уплотнения между шестернями снижает перетоки, а частоты вращения 100–900 об/мин щадят чувствительные к сдвигу среды. В исполнении с обогреваемым корпусом такие машины перекачивают битум при температуре до 300 °C. Предел по давлению скромнее — как правило, до 16–25 бар.

Гидравлический шестеренчатый насос

В гидроприводе шестеренная машина занимает нишу, из которой ее не вытеснили ни поршневые, ни пластинчатые конструкции. Гидравлический шестеренчатый насос — штатный источник потока в тракторах, экскаваторах-погрузчиках, автокранах и коммунальной технике: рабочие объемы от единиц до ста с лишним кубических сантиметров на оборот, давления до 200–250 бар. Причина живучести — цена и терпимость к загрязнению масла. Полный КПД шестеренной пары — около 80 % против 90–95 % у аксиально-поршневой машины, зато стоит она в несколько раз дешевле и переносит то, что выводит поршневую из строя за сотни часов.

Признаки износа знакомы каждому механику: система медленно выходит на рабочее давление, под нагрузкой давление проседает, корпус греется сильнее обычного. Причина — рост торцевых и радиальных зазоров, через которые масло перетекает из полости нагнетания обратно во всасывание. Шестеренный гидронасос с таким диагнозом чаще меняют целиком: восстановление зазоров по стоимости сопоставимо с новой машиной малого типоразмера.

Материалы корпуса, подшипников и уплотнений

Материал проточной части выбирают по среде. Чугун — базовое исполнение для минеральных масел, дизельного топлива и мазута. Под высокие давления корпус и крышки выполняют из стали, для пищевых продуктов и агрессивной химии — из нержавеющей стали AISI 316. Опоры валов — подшипники скольжения: бронза и углеграфит рассчитаны на смазывающие жидкости, карбид вольфрама и карбид кремния ставят под среды с плохой смазывающей способностью.

Герметичность шестеренного насоса определяется уплотнением вала. Манжетное — простое и ремонтопригодное, его хватает для масел при невысоком давлении на входе. Торцевое механическое уплотнение держит горячие и агрессивные среды. Для токсичных, дорогих и легколетучих жидкостей выпускают бессальниковые исполнения с магнитной муфтой: момент передается через герметичную перегородку, динамического уплотнения нет, утечка исключена конструктивно. Эластомеры — NBR, FKM или PTFE — подбирают по химической совместимости и температуре.

Область применения и ограничения

Главная область шестеренных машин — нефтепродукты и вязкие среды с собственной смазывающей способностью: моторные и гидравлические масла, дизельное топливо, мазут, битум, смолы, клеи, глицерин, полимерные расплавы. В пищевых производствах шестеренчатые насосы из нержавеющей стали перекачивают патоку, растительное масло, шоколадную массу. Дозирующие головки экструзионных линий — тоже шестеренная пара: стабильный объем за оборот дает точность дозирования расплава.

Отдельный вопрос — вода. Шестеренчатый насос для воды подходит плохо: вода не образует масляной пленки в подшипниках скольжения, а на маловязкой среде растут внутренние перетоки. Втулки из бронзы или углеграфита при постоянной работе на воде изнашиваются кратно быстрее, чем на масле. Для периодической перекачки выпускают исполнения с твердосплавными опорами — шестеренные насосы для воды в таком варианте допускают работу по часу-два в смену, но для непрерывного водоснабжения рациональнее центробежная или винтовая машина. Второе жесткое ограничение — абразив: рабочие зазоры составляют десятки микрометров, песок и окалина быстро их увеличивают, а вместе с зазорами уходит подача.

Типичные неисправности и обслуживание

Сухой ход. Без жидкости пары трения остаются без смазки и отвода тепла. Шестерни греются, расширяются и выбирают зазор до заклинивания — счет идет на минуты. Защита — реле протока или контроль сухого хода по току двигателя.

Работа через предохранительный клапан. Встроенный клапан рассчитан на кратковременные скачки: он перепускает жидкость внутри корпуса, и при закрытой задвижке весь напор превращается в тепло. Нескольких минут рециркуляции достаточно для перегрева уплотнений. Длительный перепуск организуют только через внешний клапан со сбросом в емкость.

Кавитация. Типичные причины — забитый всасывающий фильтр или вязкая среда на высоких оборотах. Звук работы меняется на треск, подача падает, на поверхности зубьев появляются раковины.

Подсос воздуха. Негерметичность всасывающей линии дает те же симптомы, что и износ: скачки давления, шум, пена в расходном баке. Искать причину нужно опрессовкой линии, а не разборкой насоса.

Абразивный износ. Твердые частицы увеличивают торцевые зазоры, внешне это выглядит как постепенное падение подачи при прежнем давлении. Средство одно — фильтрация на всасывании, а в гидросистемах еще и контроль класса чистоты масла.

Регламент обслуживания скромный: чистота среды, состояние уплотнения, периодический замер подачи. Ресурс шестерённого насоса на чистой смазывающей среде в паспортном режиме исчисляется тысячами часов.

Купить шестеренчатый насос в Украине

Подбор начинается не с каталога, а с данных о среде: вязкость в рабочем и холодном состоянии, температура, наличие абразива, требуемые подача и давление. По этим параметрам определяется исполнение — материал проточной части, тип зацепления, опоры, уплотнение, необходимость обогрева корпуса. ООО «ИНЖИНИРИНГОВЫЕ СИСТЕМЫ» выполняет такой подбор по опросному листу: инженеры сверяют рабочую точку с характеристиками конкретных типоразмеров. Перед тем как купить шестеренчатый насос, заказчик получает расчет с обоснованием типоразмера и комплектации.

Цена шестеренного насоса зависит от материала, типа уплотнения и давления: чугунная машина под масло и бессальниковое исполнение из AISI 316 отличаются по стоимости в разы. Каталог шестеренных насосов с техническими характеристиками доступен по запросу. Поставка включает паспорт и техническую документацию, а также консультации по обвязке — от предохранительного клапана до фильтра на всасывании.

FAQ

Почему шестеренный насос выходит из строя при работе на закрытую задвижку?

Объемная машина подает фиксированный объем за оборот независимо от сопротивления сети. При запертом напоре давление растет лавинообразно — до срабатывания клапана или разрушения самого слабого элемента: муфты, корпуса, трубопровода. Встроенный перепускной клапан спасает лишь на минуты, потому что рециркуляция внутри корпуса быстро греет жидкость. Там, где задвижку могут закрыть при работающем насосе, ставят внешний предохранительный клапан со сбросом в емкость и блокировку по давлению.

Можно ли перекачивать жидкости без смазывающей способности?

Можно, но с оговорками. Подшипники скольжения в стандартном исполнении рассчитаны на масляную пленку. Легкие углеводороды, растворители и вода ее не создают — результатом становится задир и заклинивание опор. Для таких сред выбирают исполнения с опорами из карбида вольфрама или углеграфита, одновременно снижая частоту вращения и давление. Если среда к тому же абразивная — рациональнее сменить тип насоса.

Что произойдет при перекачке маловязкой жидкости?

Вырастут внутренние перетоки: жидкость уходит через зазоры из полости нагнетания обратно во всасывание, и фактическая подача оказывается ниже паспортной. Чем ниже вязкость и выше давление, тем больше доля потерь; изношенная шестеренная пара теряет на маловязкой среде подачу особенно заметно. Характеристики в документации указаны для конкретной вязкости — под другую среду подачу пересчитывают.

Что выбрать для гидросистемы — шестеренный или аксиально-поршневой насос?

Шестеренный выигрывает по цене, простоте и терпимости к загрязнению масла; поршневой — по КПД (90–95 % против примерно 80 %) и возможности регулирования рабочего объема. Для техники с постоянной нагрузкой при давлении до 200–250 бар шестеренная машина остается рациональным выбором. Высокие давления, большие потоки и режимы с переменным расходом — аргументы в пользу поршневой.

Можно ли регулировать подачу шестеренного насоса частотным преобразователем?

Да: подача объемной машины пропорциональна частоте вращения, и частотник — штатный способ регулирования. Ограничения два. На низких оборотах ухудшаются самовсасывание и охлаждение двигателя, на высоких — заполнение впадин на вязкой среде. Рабочий диапазон оборотов под конкретную вязкость согласуют с изготовителем.

Нужно ли заливать шестеренный насос перед первым пуском?

Да. Самовсасывание работает только у насоса, внутренние полости которого смочены: пленка жидкости в зазорах уплотняет шестеренную пару, и та способна откачать воздух из линии. Сухой корпус воздух практически не качает, а несколько минут вращения без среды заканчиваются задиром опор. Перед первым пуском корпус заполняют перекачиваемой жидкостью, всасывающую линию делают короткой и герметичной.

Почему насос греется и не развивает давление?

Две типичные причины. Первая — износ: выросшие зазоры гонят жидкость по кругу внутри корпуса, и энергия привода уходит в тепло. Вторая — подсос воздуха во всасывающей линии: подача нестабильна, слышен характерный шум, в баке появляется пена. Диагностику начинают с опрессовки всасывающей линии и замера подачи под нагрузкой — вскрывать насос имеет смысл только после этого.