Шестерінчастий насос

Шестеренні насоси для перекачування в’язких і змащувальних рідин

Принцип роботи шестеренного насоса

Перекачування оливи, мазуту чи полімерного розплаву відцентровим насосом упирається у фізику: зі зростанням в’язкості його подача падає, а споживана потужність росте. Шестеренний насос побудований на іншому принципі. Пара шестерень під час обертання захоплює рідину у западини між зубцями, переносить її вздовж стінок корпусу і витискає в напірний патрубок у зоні зачеплення. За один оберт вала подається фіксований об’єм. Подача визначається частотою обертання і майже не залежить від тиску в мережі — це властивість усіх об’ємних машин.

Звідси два практичні наслідки. Перший — самовсмоктування: шестерні відкачують повітря з підвідної лінії, і створеного розрідження вистачає для підйому малов’язкої рідини з глибини до 4–5 м. Другий — широкий діапазон в’язкості, від одиниць до сотень тисяч сантистоксів. На середовищах з в’язкістю понад 1000 мм²/с частоту обертання знижують до 500–900 об/хв, інакше рідина не встигає заповнювати западини між зубцями і починається кавітація.

У фіксованої подачі є зворотний бік. Якщо напірна лінія перекрита, тиск росте аж до руйнування корпусу, муфти або трубопроводу — тому шестеренні насоси працюють лише в парі із запобіжним клапаном, вбудованим або зовнішнім. Конструктивно вони поділяються на два виконання, і різниця між ними більша, ніж здається з назви.

Насоси із зовнішнім і внутрішнім зачепленням

Шестеренний насос із зовнішнім зачепленням — дві однакові шестерні поруч: ведуча сидить на валу привода, ведена обертається вільно. Деталей мінімум, тому такі машини дешеві й тримають високі тиски — у гідравлічному виконанні до 250 бар. Плата за простоту — пульсація потоку і шум: зубці входять у зачеплення різко, а запертий між ними об’єм рідини створює стрибки тиску. Типові частоти обертання — 1500–3000 об/хв, що дозволяє ставити насос напряму на вал електродвигуна або дизеля.

У виконання з внутрішнім зачепленням шестерня меншого діаметра розташована всередині кільцевої, а порожнини всмоктування і нагнітання розділяє серпоподібна вставка. Зубці входять у контакт плавно і на більшій довжині, тому потік іде майже без пульсацій. Шестеренні насоси внутрішнього зачеплення впевненіше поводяться на високов’язких продуктах: довга лінія ущільнення між шестернями знижує перетікання, а частоти обертання 100–900 об/хв щадять чутливі до зсуву середовища. У виконанні з обігрівним корпусом такі машини перекачують бітум за температури до 300 °C. Межа за тиском скромніша — як правило, до 16–25 бар.

Гідравлічний шестеренний насос

У гідроприводі шестеренна машина займає нішу, з якої її не витіснили ні поршневі, ні пластинчасті конструкції. Гідравлічний шестеренний насос — штатне джерело потоку в тракторах, екскаваторах-навантажувачах, автокранах і комунальній техніці: робочі об’єми від одиниць до понад ста кубічних сантиметрів на оберт, тиски до 200–250 бар. Причина живучості — ціна і терпимість до забруднення оливи. Повний ККД шестеренної пари — близько 80 % проти 90–95 % в аксіально-поршневої машини, зате коштує вона в кілька разів дешевше і переносить те, що виводить поршневу з ладу за сотні годин.

Ознаки зносу знайомі кожному механіку: система повільно виходить на робочий тиск, під навантаженням тиск просідає, корпус гріється сильніше, ніж зазвичай. Причина — зростання торцевих і радіальних зазорів, крізь які олива перетікає з порожнини нагнітання назад у всмоктування. Шестеренний гідронасос з таким діагнозом частіше міняють цілком: відновлення зазорів за вартістю можна порівняти з новою машиною малого типорозміру.

Матеріали корпусу, підшипників і ущільнень

Матеріал проточної частини вибирають за середовищем. Чавун — базове виконання для мінеральних олив, дизельного палива і мазуту. Під високі тиски корпус і кришки виконують зі сталі, для харчових продуктів та агресивної хімії — з нержавіючої сталі AISI 316. Опори валів — підшипники ковзання: бронза і вуглеграфіт розраховані на змащувальні рідини, карбід вольфраму і карбід кремнію ставлять під середовища з поганою змащувальною здатністю.

Герметичність шестеренного насоса визначається ущільненням валу. Манжетне — просте і ремонтопридатне, його вистачає для олив за невисокого тиску на вході. Торцеве механічне ущільнення тримає гарячі та агресивні середовища. Для токсичних, дорогих і легколетких рідин випускають безсальникові виконання з магнітною муфтою: момент передається крізь герметичну перегородку, динамічного ущільнення немає, витік виключений конструктивно. Еластомери — NBR, FKM або PTFE — підбирають за хімічною сумісністю і температурою.

Сфера застосування та обмеження

Головна сфера шестеренних машин — нафтопродукти і в’язкі середовища з власною змащувальною здатністю: моторні й гідравлічні оливи, дизельне паливо, мазут, бітум, смоли, клеї, гліцерин, полімерні розплави. У харчових виробництвах шестерінчасті насоси з нержавіючої сталі перекачують патоку, рослинну олію, шоколадну масу. Дозувальні головки екструзійних ліній — теж шестеренна пара: стабільний об’єм за оберт дає точність дозування розплаву.

Окреме питання — вода. Шестеренний насос для води підходить погано: вода не утворює змащувальної плівки в підшипниках ковзання, а на малов’язкому середовищі ростуть внутрішні перетікання. Втулки з бронзи або вуглеграфіту за постійної роботи на воді зношуються в рази швидше, ніж на оливі. Для періодичного перекачування випускають виконання з твердосплавними опорами — шестеренні насоси для води в такому варіанті допускають роботу по годині-дві за зміну, але для безперервного водопостачання раціональніша відцентрова або гвинтова машина. Друге жорстке обмеження — абразив: робочі зазори становлять десятки мікрометрів, пісок та окалина швидко їх збільшують, а разом із зазорами йде подача.

Типові несправності та обслуговування

Сухий хід. Без рідини пари тертя залишаються без змащення і відведення тепла. Шестерні гріються, розширюються і вибирають зазор аж до заклинювання — рахунок іде на хвилини. Захист — реле протоку або контроль сухого ходу за струмом двигуна.

Робота через запобіжний клапан. Вбудований клапан розрахований на короткочасні стрибки: він перепускає рідину всередині корпусу, і за закритої засувки весь напір перетворюється на тепло. Кількох хвилин рециркуляції достатньо для перегріву ущільнень. Тривалий перепуск організовують лише через зовнішній клапан зі скиданням у ємність.

Кавітація. Типові причини — забитий всмоктувальний фільтр або в’язке середовище на високих обертах. Звук роботи змінюється на тріск, подача падає, на поверхні зубців з’являються раковини.

Підсмоктування повітря. Негерметичність всмоктувальної лінії дає ті самі симптоми, що і знос: стрибки тиску, шум, піна у витратному баку. Шукати причину слід опресуванням лінії, а не розбиранням насоса.

Абразивний знос. Тверді частинки збільшують торцеві зазори, зовні це виглядає як поступове падіння подачі за незмінного тиску. Засіб один — фільтрація на всмоктуванні, а в гідросистемах ще й контроль класу чистоти оливи.

Регламент обслуговування скромний: чистота середовища, стан ущільнення, періодичний замір подачі. Ресурс шестеренного насоса на чистому змащувальному середовищі в паспортному режимі обчислюється тисячами годин.

Купити шестеренний насос в Україні

Підбір починається не з каталогу, а з даних про середовище: в’язкість у робочому і холодному стані, температура, наявність абразиву, потрібні подача і тиск. За цими параметрами визначається виконання — матеріал проточної частини, тип зачеплення, опори, ущільнення, необхідність обігріву корпусу. ТОВ «ІНЖИНІРИНГОВІ СИСТЕМИ» виконує такий підбір за опитувальним листом: інженери звіряють робочу точку з характеристиками конкретних типорозмірів. Перш ніж купити шестеренний насос, замовник отримує розрахунок з обґрунтуванням типорозміру і комплектації.

Ціна шестеренного насоса залежить від матеріалу, типу ущільнення і тиску: чавунна машина під оливу і безсальникове виконання з AISI 316 відрізняються за вартістю в рази. Каталог шестеренних насосів з технічними характеристиками доступний за запитом. Постачання включає паспорт і технічну документацію, а також консультації з обв’язки — від запобіжного клапана до фільтра на всмоктуванні.

FAQ

Чому шестеренний насос виходить з ладу під час роботи на закриту засувку?

Об’ємна машина подає фіксований об’єм за оберт незалежно від опору мережі. За запертого напору тиск росте лавиноподібно — до спрацювання клапана або руйнування найслабшого елемента: муфти, корпусу, трубопроводу. Вбудований перепускний клапан рятує лише на хвилини, бо рециркуляція всередині корпусу швидко гріє рідину. Там, де засувку можуть закрити при увімкненому насосі, ставлять зовнішній запобіжний клапан зі скиданням у ємність і блокування за тиском.

Чи можна перекачувати рідини без змащувальної здатності?

Можна, але із застереженнями. Підшипники ковзання у стандартному виконанні розраховані на оливну плівку. Легкі вуглеводні, розчинники і вода її не створюють — результатом стає задир і заклинювання опор. Для таких середовищ вибирають виконання з опорами з карбіду вольфраму або вуглеграфіту, а частоту обертання і тиск знижують. Якщо середовище до того ж абразивне — раціональніше змінити тип насоса.

Що станеться при перекачуванні малов’язкої рідини?

Виростуть внутрішні перетікання: рідина йде крізь зазори з порожнини нагнітання назад у всмоктування, і фактична подача виявляється нижчою за паспортну. Що нижча в’язкість і вищий тиск, то більша частка втрат; зношена шестеренна пара втрачає подачу на малов’язкому середовищі особливо помітно. Характеристики в документації вказані для конкретної в’язкості — під інше середовище подачу перераховують.

Що вибрати для гідросистеми — шестеренний чи аксіально-поршневий насос?

Шестеренний виграє за ціною, простотою і терпимістю до забруднення оливи; поршневий — за ККД (90–95 % проти приблизно 80 %) і можливістю регулювання робочого об’єму. Для техніки з постійним навантаженням за тиску до 200–250 бар шестеренна машина залишається раціональним вибором. Високі тиски, великі потоки і режими зі змінною витратою — аргументи на користь поршневої.

Чи можна регулювати подачу шестеренного насоса частотним перетворювачем?

Так: подача об’ємної машини пропорційна частоті обертання, і частотник — штатний спосіб регулювання. Обмежень два. На низьких обертах погіршуються самовсмоктування та охолодження двигуна, на високих — заповнення западин на в’язкому середовищі. Робочий діапазон обертів під конкретну в’язкість узгоджують з виробником.

Чи потрібно заливати шестеренний насос перед першим пуском?

Так. Самовсмоктування працює лише в насоса, внутрішні порожнини якого змочені: плівка рідини в зазорах ущільнює шестеренну пару, і та здатна відкачати повітря з лінії. Сухий корпус повітря практично не качає, а кілька хвилин обертання без середовища закінчуються задиром опор. Перед першим пуском корпус заповнюють перекачуваною рідиною, всмоктувальну лінію роблять короткою і герметичною.

Чому насос гріється і не розвиває тиск?

Дві типові причини. Перша — знос: зазори, що виросли, ганяють рідину по колу всередині корпусу, і енергія привода йде в тепло. Друга — підсмоктування повітря у всмоктувальній лінії: подача нестабільна, чути характерний шум, у баку з’являється піна. Діагностику починають з опресування всмоктувальної лінії і заміру подачі під навантаженням — розкривати насос має сенс лише після цього.