Čo je externé zubové čerpadlo
Vonkajšie zubové čerpadlo je typ objemového čerpadla hydraulické čerpadlo ktorý pohybuje kvapalinou tým, že ju zachytáva medzi zuby dvoch externe zaberajúcich ozubených kolies a vnútornú stenu skrine čerpadla. Je to jedna z najstarších a najpoužívanejších konštrukcií čerpadiel v hydraulickom inžinierstve, cenená pre svoju mechanickú jednoduchosť, široký prevádzkový rozsah a spoľahlivý výkon v náročných priemyselných prostrediach.
Čerpadlo sa skladá zo štyroch základných komponentov: a hnacie koleso pripojený priamo k zdroju energie, a hnaný prevod ktorý sa otáča v opačnom smere prostredníctvom sieťového kontaktu, čo je úzka tolerancia bývanie ktorý zahŕňa oba prevody a ložiskové bloky alebo bočné dosky, ktoré utesňujú čelá ozubených kolies a zachovávajú presné vôle potrebné na účinný prenos tekutín. Neexistujú žiadne ventily, žiadne prvky s variabilnou geometriou a žiadne zložité vnútorné mechanizmy – geometria zubov ozubeného kolesa a krytu robí všetku prácu.
Táto konštrukčná jednoduchosť je jednou z definujúcich komerčných výhod externého zubového čerpadla. S menším počtom dielov ako takmer akýkoľvek iný typ hydraulického čerpadla je lacnejšie na výrobu, ľahšie sa obsluhuje v teréne a je tolerantnejšie voči kontaminovaným alebo vysokoviskóznym kvapalinám, ktoré by poškodili jemnejšie konštrukcie čerpadiel.
Ako funguje externé zubové čerpadlo
Princíp činnosti externého zubového čerpadla sleduje nepretržitý trojfázový cyklus, ktorý sa opakuje s každou otáčkou hnacieho hriadeľa.
Fáza 1 – Príjem: Keď sa dve ozubené kolesá otáčajú od seba na vstupnej strane čerpadla, nezaberajúce zuby vytvárajú rozširujúci sa objem medzi profilmi zubov ozubených kolies, stenou skrine a povrchmi ložiskového bloku. Tento zväčšujúci sa objem vytvára čiastočné vákuum na vstupnom otvore. Atmosférický tlak pôsobiaci na kvapalinu v zásobníku tlačí kvapalinu do tejto nízkotlakovej zóny, čím vypĺňa priestory medzi zubami na oboch kolesách.
Fáza 2 – Prevod: Kvapalina zachytená v zubových priestoroch je vedená okolo vonkajšej strany oboch ozubených kolies — medzi zubami ozubeného kolesa a stenou skrine — zo vstupnej strany na výstupnú stranu. Je kritické, že kvapalina neprechádza cez bod záberu medzi dvoma ozubenými kolesami. Tesná tolerancia medzi hrotmi ozubených kolies a vývrtom puzdra zabraňuje spätnému úniku tekutiny a zabezpečuje, že prakticky všetok zachytený objem sa pri každej otáčke prepraví dopredu.
Fáza 3 – Vybíjanie: Keď zuby ozubeného kolesa začnú opäť do seba zaberať na výstupnej strane, postupne zmenšujú dostupný objem medzi nimi a vytláčajú zachytenú kvapalinu von cez výtlačný otvor pod vysokým tlakom. Činnosť záberu je kontinuálna a hladká a vytvára relatívne stabilný prietok v porovnaní s objemovými čerpadlami na báze piestov.
Pretože objem presunutý na otáčku je daný geometriou ozubeného kolesa, výstupný prietok je rovnaký priamo úmerné rýchlosti otáčania . Zdvojnásobením otáčok hriadeľa sa zdvojnásobí prietok. Tento predvídateľný, lineárny vzťah robí externé zubové čerpadlá jednoduchou špecifikáciou a riadením v návrhu systému.
Kľúčové výkonové charakteristiky
Pochopenie prevádzkovej obálky externého zubového čerpadla je nevyhnutné pre jeho správne prispôsobenie hydraulickému systému. Nasledujúce parametre definujú, kde externé zubové čerpadlá fungujú najlepšie – a kde sa vyskytujú ich obmedzenia.
Rozsah tlaku: Štandardné externé zubové čerpadlá pracujú pohodlne v rozsahu 150 až 250 barov (2 200 až 3 600 psi). Priemyselné dizajny s vysokou špecifikáciou môžu pri trvalej prevádzke dosiahnuť 300 barov (4 350 psi). Nad týmito prahovými hodnotami sa výrazne zvyšuje vnútorný únik cez vôľu medzi ozubeným kolesom a skriňou, čím sa znižuje objemová účinnosť a vytvára sa teplo. Pre trvalé veľmi vysoké tlaky nad 350 barov sú piestové čerpadlá vo všeobecnosti vhodnejšou voľbou.
Prietok a výtlak: Posun je určený šírkou ozubeného kolesa, priemerom rozstupovej kružnice a profilom zubov. Komerčné jednotky sa pohybujú od menej ako 1 cm3/ot pre aplikácie s presným dávkovaním až po viac ako 200 cm3/ot pre mobilné hydraulické systémy s vysokým prietokom. Prietoky z jednej čerpacej jednotky sa zvyčajne pohybujú od 2 do 250 litrov za minútu pri menovitej rýchlosti, s tandemovými alebo viacerými čerpacími zostavami schopnými kombinovať prietoky z oddelených sekcií na spoločnom hnacom hriadeli.
Rozsah viskozity: Externé zubové čerpadlá zvládajú veľmi široký rozsah viskozity – zvyčajne 10 až 300 centistoke (cSt) – vďaka čomu sú vhodné pre štandardné hydraulické oleje, prevodové oleje, vykurovacie oleje a rôzne priemyselné procesné kvapaliny. Ich schopnosť čerpať vysoko viskózne kvapaliny bez rizika kavitácie, ktorá ovplyvňuje konštrukcie lamelových čerpadiel, je významnou prevádzkovou výhodou v podmienkach studeného štartu alebo pri použití hrubších druhov kvapalín.
Hluk a pulzácia: Externé zubové čerpadlá produkujú viac počuteľného hluku ako lopatkové čerpadlá s ekvivalentným objemom, predovšetkým v dôsledku frekvencie záberu ozubených kolies a diskrétnych tlakových impulzov generovaných pri zapájaní a odpájaní každého páru zubov. Optimalizácia profilu zubov ozubeného kolesa, konštrukcie špirálových ozubených kolies a akustické kryty môžu znížiť hladiny hluku, ale vlastný hluk záberu ozubených kolies zostáva charakteristikou konštrukcie, ktorú by systémoví inžinieri mali zohľadniť pri inštaláciách citlivých na hluk.
Samonasávacia schopnosť: Externé zubové čerpadlá sú samonasávacie a môžu čerpať kvapalinu spod stredovej čiary čerpadla za predpokladu, že sacie vedenie je správne dimenzované a viskozita kvapaliny je v rámci rozsahu. Táto charakteristika zjednodušuje umiestnenie nádrže a znižuje inštalačné obmedzenia v mobilných zariadeniach, kde je umiestnenie nádrže často diktované geometriou vozidla.
Bežné aplikácie
Kombinácia jednoduchosti, nákladovej efektívnosti a spoľahlivého objemového výkonu urobila z externých zubových čerpadiel predvolenú voľbu v širokej škále priemyselných a mobilných hydraulických aplikácií.
Mobilná hydraulika a stavebná technika: Rýpadlá, kolesové nakladače, teleskopické nakladače a poľnohospodárske traktory sa spoliehajú na externé zubové čerpadlá pre obvody posilňovača riadenia, hydrauliku náradia a pomocné funkcie. Ich robustnosť v prostrediach s vibráciami, kontaminovanou kvapalinou a veľkými teplotnými výkyvmi z nich robí prirodzené vhodné zariadenia pre zariadenia pracujúce ďaleko od údržbárskych zariadení.
Mazacie systémy: Obrábacie stroje, prevodovky, kompresory a motory používajú externé zubové čerpadlá ako čerpadlá mazacieho oleja. Nepretržitá dodávka bez impulzov pri nižších tlakoch požadovaných pre mazacie okruhy sa presne zhoduje s výstupnými charakteristikami čerpadla a objemový charakter zaručuje dodávku oleja aj pri nízkych rýchlostiach počas spúšťania – kritické obdobie, kedy je ochrana ložísk najdôležitejšia.
Hydraulické pohonné jednotky (HPU): V stacionárnych priemyselných energetických jednotkách poskytujú externé zubové čerpadlá primárny zdroj prietoku pre upínacie, tvarovacie a ovládacie systémy v lisovacích strojoch, vstrekovacích zariadeniach a systémoch na manipuláciu s materiálom. Ich kompaktná veľkosť v pomere k ich výkonu a jednoduchý profil údržby znižuje celkové náklady na vlastníctvo počas predĺženej životnosti.
Dávkovanie a prenos tekutín: Pretože výstupný prietok je priamo úmerný rýchlosti a je vysoko opakovateľný, externé zubové čerpadlá sa široko používajú v systémoch dávkovania chemikálií, aplikátoroch farieb a náterov a systémoch na prenos potravinárskych tekutín, kde sa vyžaduje presné a nepretržité dodávanie meraného objemu za jednotku času.
Poľnohospodárske stroje: Traktory sú závislé od motorom poháňaných externých zubových čerpadiel, ktoré dodávajú prietok do hydrauliky zadného závesu, vzdialených okruhov valcov a posilňovača riadenia. Schopnosť čerpadla samonasávať a pracovať v širokom rozsahu otáčok – od nízkych voľnobežných po plné otáčky motora – vyhovuje premenlivým prevádzkovým podmienkam, ktoré sú vlastné pracovným cyklom v poľnohospodárstve.
Vonkajšie zubové čerpadlo verzus iné typy hydraulických čerpadiel
Výber správneho typu čerpadla pre hydraulický systém vyžaduje pochopenie toho, ako sa externé zubové čerpadlá porovnávajú s alternatívami v kľúčových výkonových dimenziách tlaku, účinnosti, hluku a nákladov.
Externé zubové čerpadlo vs lopatkové čerpadlo: Lopatkové čerpadlá fungujú na inom princípe posunu – pružinové alebo tlakové lopatky sa zasúvajú a vysúvajú z drážok v rotore, čím vytvárajú variabilné komory medzi rotorom, lopatkami a vačkovým krúžkom. Lopatkové čerpadlá vo všeobecnosti produkujú nižšie hladiny hluku ako externé zubové čerpadlá s podobným objemom, vďaka čomu sú preferované v aplikáciách obrábacích strojov a priemyselných lisov citlivých na hluk. Lopatkové čerpadlá sú však citlivejšie na kontamináciu kvapalín a vyžadujú minimálnu vstupnú viskozitu na udržanie primeraného mazania lopatiek. Externé zubové čerpadlá tolerujú širší rozsah viskozity a sú menej citlivé na čistotu kvapaliny, čo im dáva výhodu v mobilných zariadeniach a aplikáciách, kde je ťažšie kontrolovať stav kvapaliny. Pre nízko až stredne tlakové prevádzky, kde je prioritou hluk, sú lopatkové čerpadlá často lepšou voľbou; tam, kde na robustnosti a flexibilite viskozity záleží viac, majú výhodu externé zubové čerpadlá.
Vonkajšie zubové čerpadlo vs piestové čerpadlo: Piestové čerpadlá sú vysokovýkonnou alternatívou pre aplikácie vyžadujúce nepretržitú prevádzku pri tlakoch nad 250 barov, vysokú objemovú účinnosť v širokom rozsahu otáčok alebo premenlivý objem podľa požiadaviek systému. Dosahujú účinnosť 90 až 95 % v optimálnych podmienkach v porovnaní s 80 až 90 % pre externé zubové čerpadlá a dokážu udržať prevádzku pri 350 až 450 baroch pre náročné priemyselné cykly. Kompromisom sú výrazne vyššie jednotkové náklady, väčšia citlivosť na čistotu tekutín a komplexnejšie požiadavky na údržbu. Externé zubové čerpadlá zostávajú ekonomicky racionálnou voľbou pre aplikácie s pevným objemom pri miernych tlakoch, kde vyššie náklady na získanie a údržbu piestového čerpadla nie sú odôvodnené požiadavkami na výkon.
| Parameter | Vonkajšie zubové čerpadlo | Lopatkové čerpadlo | Piestové čerpadlo |
|---|---|---|---|
| Max. prevádzkový tlak | Až 300 barov | Až 250 barov | Až 450 barov |
| Objemová účinnosť | 80 – 90 % | 85 – 92 % | 90 – 95 % |
| Úroveň hluku | Stredná – vysoká | Nízka – Stredná | Stredná |
| Tolerancia viskozity | Široký (10 – 300 cSt) | Stredná (16 – 160 cSt) | Úzke (10 – 100 cSt) |
| Citlivosť na kontamináciu | Nízka | Stredná | Vysoká |
| Relatívna jednotková cena | Nízka | Stredná | Vysoká |
| Variabilný posun | Nie | Niektoré modely | áno |
Ako vybrať správne externé zubové čerpadlo
Správna špecifikácia externého zubového čerpadla vyžaduje postupné spracovanie niekoľkých vzájomne závislých parametrov. Spustenie s poddimenzovaným alebo nadmerným čerpadlom vytvára problémy s účinnosťou a spoľahlivosťou, ktoré je ťažké napraviť bez výmeny jednotky.
Krok 1 — Definujte požadovaný prietok. Vypočítajte celkový dopyt po prietoku všetkých pohonov v systéme, pričom v prípade potreby zohľadnite súčasnú prevádzku. Vyjadrite to v litroch za minútu (l/min) pri zamýšľanej prevádzkovej rýchlosti. Keďže prietok je úmerný rýchlosti a výtlaku, vyberte výtlak (cc/ot), ktorý poskytuje požadovaný prietok pri projektovanej rýchlosti hriadeľa s rezervou 10 až 15 %, aby sa umožnili objemové straty.
Krok 2 — Potvrďte požiadavky na tlak v systéme. Identifikujte maximálny pracovný tlak, ktorý musí čerpadlo vydržať, vrátane prechodných tlakových skokov spôsobených nárazmi záťaže alebo prepínaním ventilov. Zabezpečte, aby menovitý trvalý tlak zvoleného čerpadla prekračoval maximálny pracovný tlak systému a aby jeho maximálny tlak vyhovoval očakávaným výkyvom. Konzistentná prevádzka v blízkosti maximálneho menovitého tlaku čerpadla urýchľuje opotrebovanie ozubených kolies a ložísk.
Krok 3 — Overte kompatibilitu viskozity kvapaliny. Skontrolujte prevádzkovú viskozitu hydraulickej kvapaliny pri minimálnej prevádzkovej teplote (horúca, nízke zaťaženie) a maximálnej prevádzkovej teplote (studený štart). Viskozita kvapaliny musí počas prevádzkového cyklu zostať v rámci špecifikovaného rozsahu čerpadla. Ak sa očakáva, že viskozita pri studenom štarte prekročí 300 cSt, mala by sa zvážiť stratégia predhrievania alebo čerpadlo navrhnuté pre vyššiu vstupnú viskozitu.
Krok 4 — Skontrolujte otáčky hriadeľa a konfiguráciu pohonu. Externé zubové čerpadlá majú minimálne aj maximálne otáčky. Prevádzka pod minimálnou rýchlosťou riskuje nedostatočné samonasávanie a slabé vnútorné mazanie. Prevádzka nad maximálnou rýchlosťou spôsobuje kavitáciu a zrýchlené opotrebovanie ložísk. Uistite sa, že otáčky pohonu – či už z výkonu elektromotora, vývodového hriadeľa motora alebo prevodovky – spadajú do rozsahu menovitých otáčok čerpadla pri všetkých prevádzkových podmienkach.
Krok 5 — Zvážte montáž a konfiguráciu portu. Zubové čerpadlá sú k dispozícii vo vzoroch SAE, ISO a špecifických pre výrobcu a s rôznymi konfiguráciami hriadeľa (klinované, drážkované alebo kužeľové). Uistite sa, že montážne rozhranie vybratej pumpy je kompatibilné s dostupnou konfiguráciou pohonu a že veľkosti portov zodpovedajú veľkosti vedenia systému, aby sa predišlo nadmernému obmedzeniu prívodu.
Režimy údržby a bežných porúch
Vonkajšie zubové čerpadlá patria medzi najspoľahlivejšie komponenty v hydraulickom systéme, nie sú však bezúdržbové. Pochopenie najbežnejších mechanizmov porúch pomáha inžinierom stanoviť vhodné servisné intervaly a identifikovať problémy skôr, ako sa stanú nákladnými.
Adhézne opotrebovanie na čelných plochách ozubených kolies a vývrtu skrine je najbežnejším mechanizmom opotrebovania v čerpadlách s vonkajším ozubením, ktoré pracujú v rámci ich konštrukčného rozsahu. V priebehu času sa na povrchoch s tesnou toleranciou medzi hrotmi ozubených kolies a krytom vyvíja mikroskopické opotrebovanie, ktoré zvyšuje vnútorné vôle a znižuje objemovú účinnosť. Čerpadlo, ktoré ako nové poskytovalo 95 % účinnosť, môže po dlhšej prevádzke klesnúť na 80 % alebo menej, čo má za následok vyššie teploty kvapaliny a znížený výkon pohonu. Pravidelné monitorovanie prietoku systému a trendov teploty kvapaliny poskytuje včasné varovanie pred znížením účinnosti ešte pred úplným zlyhaním čerpadla.
Kavitácia nastáva, keď tlak tekutiny na vstupe čerpadla klesne pod tlak pary tekutiny, čo spôsobí, že sa v zónach nízkeho tlaku vytvoria bubliny pár a potom sa prudko zrútia, keď vstúpia do oblastí s vyšším tlakom. Energia implózie eroduje povrchy zubov ozubeného kolesa a steny puzdra, čím vzniká charakteristický vzor jamiek viditeľný pri kontrole. Kavitácia je zvyčajne spôsobená poddimenzovaným alebo obmedzeným sacím potrubím, nadmernou viskozitou kvapaliny pri studenom štarte, zaneseným sacím filtrom alebo prevádzkou čerpadla pri rýchlostiach nad jeho konštrukčnú hodnotu. Prevencia kavitácie si vyžaduje správne dimenzovanie sacieho potrubia, pravidelnú údržbu filtra a vhodné postupy studeného štartu.
Oder spôsobený kontamináciou ovplyvňuje profily zubov ozubených kolies, povrchy ložísk a vŕtanie krytu, keď sa tvrdé častice nad prahom filtrácie systému dostanú do čerpadla. Na rozdiel od piestových čerpadiel sú externé zubové čerpadlá relatívne odolné voči miernemu znečisteniu, ale trvalá prevádzka so silne znečistenou kvapalinou spôsobuje zrýchlené opotrebovanie všetkých vnútorných povrchov. Udržiavanie hydraulickej kvapaliny s kódom čistoty ISO 16/14/11 alebo lepšom výrazne predlžuje životnosť čerpadla a znižuje neplánované prestoje.
Porucha tesnenia hriadeľa je bežnou súčasťou údržby, najmä na čerpadlách vystavených zvýšenému tlaku v puzdre alebo tepelným cyklom. Plačúce tesnenie hriadeľa je zvyčajne prvým príznakom degradácie tesnenia a malo by sa to riešiť skôr, ako netesnosť prejde k vonkajšej strate tekutiny alebo nasatiu vzduchu cez poškodený okraj tesnenia pri spätnom zdvihu. Hriadeľové tesnenia sú nízkonákladové komponenty a ich výmena pri prvom náznaku plaču je oveľa ekonomickejšia, ako umožniť, aby sa problém rozvinul do poškodenia ložísk alebo kontaminácie krytu.
Všeobecným usmernením pre údržbu je kontrola sacích filtrov každých 500 až 1 000 prevádzkových hodín, výmena filtrov hydraulickej kvapaliny a spätného potrubia podľa plánu výrobcu systému a monitorovanie výstupného tlaku a teploty čerpadla pri každom plánovanom servisnom intervale, aby sa v priebehu času zvýšila účinnosť.
