Pompă cu angrenaje externă: Cum funcționează, aplicații și ghid de selecție

Ce este o pompă cu viteze externă

O pompă cu angrenaj extern este un tip de deplasare pozitivă pompa hidraulica care mișcă fluidul prin captarea acestuia între dinții a două angrenaje cu angrenare externă și peretele interior al carcasei pompei. Este una dintre cele mai vechi și mai utilizate modele de pompe în inginerie hidraulică, apreciată pentru simplitatea mecanică, gama largă de operare și performanța fiabilă în medii industriale solicitante.

Pompa este formată din patru componente principale: a angrenaj de antrenare conectat direct la sursa de alimentare, a angrenaj condus care se rotește în direcția opusă prin contact cu plasa, o toleranță apropiată locuințe care cuprinde ambele roți dințate și blocuri de rulmenți sau plăci laterale care etanșează fețele angrenajului și mențin degajările precise necesare pentru un transfer eficient de fluid. Nu există supape, elemente cu geometrie variabilă și mecanisme interne complexe - geometria dinților și a carcasei angrenajului face toată treaba.

Această simplitate structurală este unul dintre avantajele comerciale definitorii ale pompei cu angrenaje externe. Cu mai puține piese decât aproape orice alt tip de pompă hidraulică, este mai puțin costisitoare de fabricat, mai ușor de întreținut pe teren și mai tolerantă la fluidele contaminate sau cu vâscozitate ridicată care ar deteriora modelele mai delicate ale pompelor.

Cum funcționează o pompă de viteză externă

Principiul de funcționare al unei pompe cu angrenaje externe urmează un ciclu continuu trifazat care se repetă la fiecare rotație a arborelui de antrenare.

Faza 1 - Aport: Pe măsură ce cele două angrenaje se rotesc unul de celălalt pe partea de admisie a pompei, dinții de desfacere creează un volum de expansiune între profilele dinților angrenajului, peretele carcasei și suprafețele blocului de rulmenți. Acest volum în expansiune generează un vid parțial la portul de intrare. Presiunea atmosferică care acționează asupra fluidului din rezervor împinge fluidul în această zonă de joasă presiune, umplând spațiile dintre dinții angrenajului de pe ambele trepte.

Faza 2 — Transfer: Fluidul prins în spațiile dinților este transportat în jurul exteriorului ambelor roți dințate - între dinții angrenajului și peretele carcasei - din partea de intrare până la partea de ieșire. În mod critic, fluidul nu trece prin punctul de plasă dintre cele două angrenaje. Toleranța strânsă dintre vârfurile angrenajului și orificiul carcasei împiedică scurgerea fluidului înapoi, asigurând că practic tot volumul captat este transportat înainte cu fiecare rotație.

Faza 3 — Descarcare: Pe măsură ce dinții angrenajului încep să se împletească din nou pe partea de ieșire, ei reduc progresiv volumul disponibil dintre ei, storcând fluidul prins prin orificiul de refulare la presiune ridicată. Acțiunea de îmbinare este continuă și lină, producând un debit relativ constant în comparație cu pompele cu piston.

Deoarece volumul deplasat pe rotație este fixat de geometria angrenajului, debitul de ieșire este direct proporțională cu viteza de rotație . Dublarea vitezei arborelui dublează debitul. Această relație liniară previzibilă face ca pompele cu angrenaje externe să fie ușor de specificat și controlat în proiectarea sistemului.

Caracteristici cheie de performanță

Înțelegerea anvelopei de funcționare a unei pompe cu angrenaje externe este esențială pentru a o potrivi corect la un sistem hidraulic. Următorii parametri definesc unde pompele cu angrenaje externe funcționează cel mai bine - și unde apar limitările acestora.

Interval de presiune: Pompele standard cu angrenaje externe funcționează confortabil în intervalul de 150 până la 250 bar (2.200 până la 3.600 psi). Modelele industriale cu specificații înalte pot atinge 300 bari (4.350 psi) în funcționare susținută. Peste aceste praguri, scurgerile interne de-a lungul jocurilor dintre angrenaj și carcasă cresc semnificativ, reducând eficiența volumetrică și generând căldură. Pentru sarcini susținute de foarte înaltă presiune peste 350 bar, pompele cu piston sunt, în general, alegerea mai potrivită.

Debitele și deplasarea: Deplasarea este determinată de lățimea angrenajului, diametrul cercului de pas și profilul dintelui. Unitățile comerciale variază de la mai puțin de 1 cc/tur pentru aplicații de măsurare de precizie până la peste 200 cc/toară pentru sistemele hidraulice mobile cu debit mare. Debitele de la o singură unitate de pompă se întind în mod obișnuit între 2 și 250 de litri pe minut la viteza nominală, cu ansambluri de pompe tandem sau multiple capabile să combine debitele din secțiuni separate pe un arbore de antrenare comun.

Interval de vascozitate: Pompele cu angrenaje externe gestionează o gamă foarte largă de vâscozități - de obicei 10 până la 300 centistokes (cSt) - făcându-le potrivite pentru uleiuri hidraulice standard, uleiuri de transmisie, uleiuri combustibile și diverse fluide de proces industrial. Capacitatea lor de a pompa fluide cu vâscozitate ridicată fără riscul de cavitație care afectează designul pompelor cu palete este un avantaj operațional semnificativ în condiții de pornire la rece sau atunci când se utilizează grade de fluide mai groase.

Zgomot și pulsație: Pompele cu angrenaje externe produc mai mult zgomot audibil decât pompele cu palete cu deplasare echivalentă, în primul rând datorită frecvenței de angrenare a angrenajului și impulsurilor discrete de presiune generate pe măsură ce fiecare pereche de dinți se cuplează și se decuplă. Optimizarea profilului dinților angrenajului, designul angrenajului elicoidal și carcasele acustice pot reduce nivelurile de zgomot, dar zgomotul inerent al angrenajului rămâne o caracteristică a designului pe care inginerii de sistem ar trebui să o ia în considerare în instalațiile sensibile la zgomot.

Capacitate de autoamorsare: Pompele cu angrenaje externe sunt autoamorsante și pot aspira fluid de sub linia centrală a pompei, cu condiția ca linia de aspirație să fie dimensionată corect și vâscozitatea fluidului să se încadreze în interval. Această caracteristică simplifică amplasarea rezervorului și reduce constrângerile de instalare în echipamentele mobile, unde poziționarea rezervorului este adesea dictată de geometria vehiculului.

Aplicații comune

Combinația dintre simplitate, rentabilitate și putere de deplasare pozitivă fiabilă a făcut din pompele cu angrenaje externe alegerea implicită într-o gamă largă de aplicații hidraulice industriale și mobile.

Hidraulica mobila si echipamente de constructii: Excavatoarele, încărcătoarele cu roți, manipulatoarele telescopice și tractoarele agricole se bazează pe pompe externe cu viteze pentru circuitele de servodirecție, sistemele hidraulice de implementare și funcțiile auxiliare. Robustețea lor în medii cu vibrații, fluid contaminat și variații mari de temperatură le face să fie potrivite pentru echipamentele care funcționează departe de instalațiile de întreținere.

Sisteme de lubrifiere: Mașinile-unelte, cutiile de viteze, compresoarele și motoarele folosesc pompe cu angrenaje externe ca pompe de ulei de lubrifiere. Livrarea continuă, fără impulsuri, la presiuni mai mici necesare pentru circuitele de lubrifiere, se aliniază exact cu caracteristicile de ieșire ale pompei, iar natura deplasării pozitive garantează livrarea uleiului chiar și la viteze mici în timpul pornirii - perioada critică în care protecția rulmenților este cea mai importantă.

Unități de putere hidraulică (HPU): În unitățile de putere industriale staționare, pompele cu angrenaje externe oferă sursa primară de curgere pentru sistemele de prindere, formare și acționare în mașinile de presare, echipamentele de turnare prin injecție și sistemele de manipulare a materialelor. Dimensiunea lor compactă în raport cu puterea lor și profilul de întreținere simplu reduc costul total de proprietate pe durata de viață extinsă.

Măsurarea și transferul fluidului: Deoarece debitul de ieșire este direct proporțional cu viteza și foarte repetabil, pompele cu angrenaje externe sunt utilizate pe scară largă în sistemele de dozare chimică, aplicatoarele de vopsea și acoperire și sistemele de transfer de fluide de calitate alimentară, unde este necesară livrarea precisă și continuă a unui volum măsurat pe unitate de timp.

Mașini agricole: Tractoarele depind de pompele cu angrenaje externe acţionate de motor pentru a furniza debitul hidraulicului legaturii spate, circuitelor cilindrilor de la distanţă şi servodirecţiei. Capacitatea pompei de a se autoamorsa și de a funcționa într-o gamă largă de viteze – de la ralanti scăzut la turația maximă a motorului – se potrivește condițiilor variabile de funcționare inerente ciclurilor de lucru în agricultură.

Pompă cu angrenaje externă vs alte tipuri de pompe hidraulice

Selectarea tipului potrivit de pompă pentru un sistem hidraulic necesită înțelegerea modului în care pompele cu roți dintate externe se compară cu alternativele în dimensiunile cheie ale performanței de presiune, eficiență, zgomot și cost.

Pompă cu angrenaj extern vs pompă cu palete: Pompe cu palete funcționează pe un principiu diferit de deplasare - paletele încărcate cu arc sau sub presiune alunecă în și din fantele unui rotor, creând camere variabile între rotor, palete și inelul cu came. Pompele cu palete produc, în general, niveluri de zgomot mai scăzute decât pompele externe cu angrenaje cu deplasare similară, ceea ce le face preferate în aplicațiile de mașini-unelte sensibile la zgomot și prese industriale. Cu toate acestea, pompele cu palete sunt mai sensibile la contaminarea fluidelor și necesită o vâscozitate minimă la intrare pentru a menține o lubrifiere adecvată a paletelor. Pompele cu angrenaje externe tolerează o gamă mai largă de viscozitate și sunt mai puțin sensibile la curățarea fluidului, oferindu-le un avantaj în echipamentele mobile și aplicațiile în care starea fluidului este mai greu de controlat. Pentru sarcini cu presiune joasă până la medie, unde zgomotul este o prioritate, pompele cu palete sunt adesea cea mai bună alegere; acolo unde robustețea și flexibilitatea vâscozității contează mai mult, pompele cu angrenaje externe dețin avantajul.

Pompă cu angrenaj extern vs pompă cu piston: Pompe cu piston sunt alternativa de înaltă performanță pentru aplicațiile care necesită funcționare continuă la presiuni de peste 250 bar, eficiență volumetrică ridicată pe o gamă largă de viteze sau deplasare variabilă pentru a se potrivi cererii sistemului. Aceștia ating eficiențe de 90 până la 95% în condiții optime, comparativ cu 80 până la 90% pentru pompele cu angrenaje externe și pot susține funcționarea la 350 până la 450 bar pentru cicluri industriale solicitante. Compensația este un cost unitar semnificativ mai mare, o sensibilitate mai mare la curățarea fluidelor și cerințe de întreținere mai complexe. Pompele cu angrenaje externe rămân alegerea rațională din punct de vedere economic pentru aplicațiile cu deplasare fixă ​​la presiuni moderate, unde costul mai mare de achiziție și întreținere al unei pompe cu piston nu este justificat de cerințele de performanță.

Cum să selectați pompa cu angrenaje externă potrivită

Specificarea corectă a unei pompe cu angrenaje externe necesită lucrul cu mai mulți parametri interdependenți în succesiune. Începerea cu o pompă subdimensionată sau supradimensionată creează probleme de eficiență și fiabilitate care sunt dificil de corectat fără înlocuirea unității.

Pasul 1 — Definiți debitul necesar. Calculați necesarul total de debit al tuturor actuatoarelor din sistem, luând în considerare funcționarea simultană, acolo unde este cazul. Exprimați aceasta în litri pe minut (L/min) la viteza de funcționare prevăzută. Deoarece debitul este proporțional cu viteza și deplasarea, selectați o deplasare (cc/rev) care furnizează debitul necesar la viteza arborelui de proiectare cu o marjă de 10 până la 15% pentru a permite pierderile volumetrice.

Pasul 2 — Confirmați cerințele privind presiunea sistemului. Identificați presiunea maximă de lucru pe care trebuie să o suporte pompa, inclusiv vârfurile tranzitorii de presiune de la impactul sarcinii sau comutarea supapelor. Asigurați-vă că presiunea continuă nominală a pompei selectate depășește presiunea maximă de lucru a sistemului și că valoarea nominală a presiunii de vârf se potrivește cu vârfurile așteptate. Funcționarea constantă în apropierea presiunii nominale maxime a pompei accelerează uzura angrenajului și a rulmenților.

Pasul 3 — Verificați compatibilitatea cu vâscozitatea fluidului. Verificați vâscozitatea de funcționare a fluidului hidraulic atât la temperaturi de funcționare minime (cald, cu sarcină scăzută) cât și maxime (pornire la rece). Vâscozitatea fluidului trebuie să rămână în intervalul specificat al pompei pe tot parcursul ciclului de funcționare. Dacă se preconizează că vâscozitatea la pornire la rece va depăși 300 cSt, ar trebui luată în considerare o strategie de preîncălzire sau o pompă proiectată pentru o vâscozitate mai mare la intrare.

Pasul 4 — Verificați viteza arborelui și configurația transmisiei. Pompele cu angrenaje externe au atât viteze minime, cât și maxime. Funcționarea sub turația minimă riscă o autoamorsare inadecvată și o lubrifiere internă slabă. Funcționarea peste viteza maximă cauzează cavitația și uzura accelerată a rulmentului. Confirmați că turația de antrenare – fie de la un motor electric, priza de putere a motorului sau ieșirea cutiei de viteze – se încadrează în intervalul de turație nominală a pompei în toate condițiile de funcționare.

Pasul 5 — Luați în considerare montarea și configurarea portului. Pompele cu angrenaje sunt disponibile în modele de flanșe SAE, ISO și specifice producătorului și cu diferite configurații de arbore (cu cheie, canelată sau conică). Confirmați că interfața de montare a pompei selectate este compatibilă cu configurația disponibilă a unității și că dimensiunile porturilor se potrivesc cu dimensiunea liniei sistemului pentru a evita restricțiile excesive de admisie.

Moduri de întreținere și defecțiuni comune

Pompele cu angrenaje externe sunt printre cele mai fiabile componente ale unui sistem hidraulic, dar nu necesită întreținere. Înțelegerea celor mai comune mecanisme de defecțiune îi ajută pe ingineri să stabilească intervale de service adecvate și să identifice problemele înainte ca acestea să devină costisitoare.

Uzura adezivă pe fețele angrenajului și alezajul carcasei este cel mai obișnuit mecanism de uzură în pompele cu angrenaje externe care funcționează în interiorul anvelopei lor de proiectare. De-a lungul timpului, suprafețele cu toleranță apropiată dintre vârfurile angrenajului și carcasă dezvoltă uzură microscopică care mărește jocurile interne, reducând eficiența volumetrică. O pompă care a furnizat o eficiență de 95% atunci când este nouă poate scădea la 80% sau mai puțin după o exploatare prelungită, rezultând temperaturi mai ridicate ale fluidului și performanță redusă a actuatorului. Monitorizarea regulată a debitului sistemului și a tendințelor temperaturii fluidului oferă o avertizare timpurie asupra degradării eficienței înainte ca pompa să se defecteze complet.

Cavitația apare atunci când presiunea fluidului la admisia pompei scade sub presiunea de vapori a fluidului, determinând formarea de bule de vapori în zonele de joasă presiune și apoi prăbușirea violentă pe măsură ce intră în regiunile cu presiune mai mare. Energia imploziei erodează suprafețele dinților angrenajului și pereții carcasei, producând un model caracteristic de găuri vizibil la inspecție. Cavitația este cauzată în mod obișnuit de o conductă de aspirație subdimensionată sau restricționată, de vâscozitatea excesivă a fluidului la pornirea la rece, de un filtru de aspirație înfundat sau de funcționarea pompei la viteze peste valoarea nominală de proiectare. Prevenirea cavitației necesită dimensionarea corectă a conductei de aspirație, întreținerea regulată a filtrului și proceduri adecvate de pornire la rece.

Abraziune indusă de contaminare afectează profilele dinților angrenajului, suprafețele lagărelor și alezajul carcasei atunci când particulele dure peste pragul de filtrare al sistemului intră în pompă. Spre deosebire de pompele cu piston, pompele cu angrenaje externe sunt relativ tolerante la contaminarea moderată, dar funcționarea susținută cu fluid puternic contaminat provoacă o uzură accelerată pe toate suprafețele interne. Menținerea fluidului hidraulic la codul de curățenie ISO 16/14/11 sau mai bine prelungește în mod semnificativ durata de viață a pompei și reduce timpul de oprire neplanificat.

Defecțiunea etanșării arborelui este un element obișnuit de întreținere, în special la pompele supuse presiunii ridicate în carcasă sau ciclurilor termice. O etanșare a arborelui care plânge este de obicei primul semn de degradare a etanșării și trebuie abordată înainte ca scurgerea să progreseze spre pierderea externă de fluid sau ingestie de aer prin buza de etanșare deteriorată pe cursa de retur. Garniturile arborelui sunt componente cu costuri reduse, iar înlocuirea lor la primul semn de plâns este mult mai economică decât a permite problemei să se transforme în deteriorarea rulmenților sau contaminarea carcasei.

Ca instrucțiune generală de întreținere, inspectați filtrele de aspirație la fiecare 500 până la 1.000 de ore de funcționare, schimbați fluidul hidraulic și filtrele de retur în conformitate cu programul producătorului sistemului și monitorizați presiunea și temperatura la ieșire a pompei la fiecare interval de service programat pentru a avea tendința de eficiență în timp.