Külső fogaskerék-szivattyú: Működése, Alkalmazások és kiválasztási útmutató

Mi az a külső fogaskerék-szivattyú

A külső fogaskerék-szivattyú egyfajta pozitív lökettérfogatú hidraulikus szivattyú amely a folyadékot úgy mozgatja, hogy bezárja azt két külsőleg egymáshoz kapcsolódó fogaskerék fogai és a szivattyúház belső fala közé. Ez az egyik legrégebbi és legszélesebb körben használt szivattyúkonstrukció a vízépítésben, amelyet mechanikai egyszerűsége, széles működési tartománya és megbízható teljesítménye miatt értékelnek az igényes ipari környezetben.

A szivattyú négy fő összetevőből áll: a hajtómű közvetlenül az áramforráshoz csatlakoztatva, a hajtott fogaskerék amely az ellenkező irányba forog a hálós érintkezés révén, szoros tűrés ház amely mindkét hajtóművet magába foglalja, és csapágytömbök vagy oldallemezek, amelyek tömítik a fogaskerekek felületeit és megtartják a hatékony folyadékátvitelhez szükséges pontos hézagokat. Nincsenek szelepek, változtatható geometriájú elemek és bonyolult belső mechanizmusok – a fogaskerekek fogainak és házának geometriája elvégzi az összes munkát.

Ez a szerkezeti egyszerűség a külső fogaskerekes szivattyú egyik meghatározó kereskedelmi előnye. Szinte bármely más hidraulikus szivattyútípusnál kevesebb alkatrésznek köszönhetően olcsóbb a gyártása, könnyebb a terepen szervizelni, és jobban tolerálja a szennyezett vagy nagy viszkozitású folyadékokat, amelyek károsítanák a kényesebb szivattyúszerkezeteket.

Hogyan működik a külső fogaskerék-szivattyú

A külső fogaskerék-szivattyú működési elve egy folyamatos háromfázisú ciklust követ, amely a hajtótengely minden fordulatával megismétlődik.

1. fázis – bevitel: Ahogy a két fogaskerék elfordul egymástól a szivattyú bemeneti oldalán, az össze nem illeszkedő fogak táguló térfogatot hoznak létre a fogaskerék fogprofiljai, a ház fala és a csapágytömb felületei között. Ez a bővülő térfogat részleges vákuumot hoz létre a bemeneti nyílásnál. A tartályban lévő folyadékra ható atmoszférikus nyomás a folyadékot ebbe az alacsony nyomású zónába nyomja, és kitölti a fogaskerekek közötti tereket mindkét fogaskeréken.

2. fázis – Átadás: A fogközökben rekedt folyadék mindkét hajtómű külső oldalán – a fogaskerék fogai és a ház fala között – a bemeneti oldalról a kimeneti oldalra kerül. Kritikusan a folyadék nem jut át ​​a két fogaskerék közötti hálóponton. A fogaskerékcsúcsok és a ház furata közötti szoros tűrés megakadályozza, hogy a folyadék visszaszivárogjon, így gyakorlatilag az összes felfogott térfogat minden fordulattal előre kerül.

3. fázis – Kisütés: Amint a fogaskerekek fogai újra összeérnek a kimeneti oldalon, fokozatosan csökkentik a közöttük rendelkezésre álló térfogatot, és nagy nyomással kipréselik a megrekedt folyadékot a nyomónyíláson keresztül. A kötés folyamatos és egyenletes, viszonylag egyenletes áramlást biztosít a dugattyús szivattyúkhoz képest.

Mivel a fordulatonkénti eltolt térfogatot a hajtómű geometriája határozza meg, a kimeneti áramlás is egyenesen arányos a forgási sebességgel . A tengely fordulatszámának megkétszerezése megduplázza az áramlási sebességet. Ez a kiszámítható, lineáris kapcsolat lehetővé teszi a külső fogaskerekes szivattyúk egyszerű megadását és vezérlését a rendszertervezés során.

Főbb teljesítményjellemzők

A külső fogaskerekes szivattyú működési tartományának megértése elengedhetetlen a hidraulikus rendszerhez való megfelelő illesztéshez. A következő paraméterek határozzák meg, hogy a külső fogaskerekes szivattyúk hol teljesítenek a legjobban – és hol jelennek meg korlátaik.

Nyomástartomány: A szabványos külső fogaskerekes szivattyúk kényelmesen működnek a 150-250 bar (2200-3600 psi) tartományban. A magas specifikációjú ipari formatervezési minták tartós működés közben elérhetik a 300 bar (4350 psi) nyomást. E küszöbértékek felett a belső szivárgás a hajtómű és a ház közötti hézagokon jelentősen megnő, ami csökkenti a térfogati hatékonyságot és hőt termel. Tartós, nagyon magas nyomású, 350 bar feletti munkákhoz általában a dugattyús szivattyú a megfelelő választás.

Áramlási sebességek és elmozdulás: Az elmozdulást a fogaskerék szélessége, a osztáskör átmérője és a fogprofil határozza meg. A kereskedelmi egységek 1 cm3/fordulat alatti precíziós adagolási alkalmazásokhoz a 200 cm3/fordulat feletti nagy átfolyású mobil hidraulikus rendszerekig terjednek. Egyetlen szivattyúegység áramlási sebessége jellemzően 2-250 liter/perc névleges fordulatszámon, tandem vagy több szivattyúegység esetén, amelyek képesek egy közös hajtótengelyen egyesíteni a különálló szakaszokból származó áramlásokat.

Viszkozitási tartomány: A külső fogaskerekes szivattyúk igen széles viszkozitási tartományt kezelnek – jellemzően 10-300 centistoke (cSt) –, így alkalmasak szabványos hidraulikaolajokhoz, hajtóműolajokhoz, fűtőolajokhoz és különféle ipari technológiai folyadékokhoz. Az a képességük, hogy nagy viszkozitású folyadékokat szivattyúznak a kavitáció veszélye nélkül, ami befolyásolja a lapátos szivattyúk kialakítását, jelentős működési előnyt jelent hidegindítási körülmények között vagy vastagabb folyadékminőségek használatakor.

Zaj és lüktetés: A külső fogaskerekes szivattyúk több hallható zajt keltenek, mint az egyenértékű lökettérfogatú lapátos szivattyúk, elsősorban a fogaskerék-összekapcsolási frekvencia és az egyes fogpárok kapcsolódásakor és kioldásakor keletkező diszkrét nyomásimpulzusok miatt. A fogaskerék-profil optimalizálása, a spirális fogaskerekek kialakítása és az akusztikus házak csökkenthetik a zajszintet, de a fogaskerék-hálózaj továbbra is a tervezés jellemzője, amelyet a rendszermérnököknek figyelembe kell venniük a zajérzékeny telepítéseknél.

Önfelszívó képesség: A külső fogaskerekes szivattyúk önfelszívók, és a szivattyú középvonala alól is képesek felszívni a folyadékot, feltéve, hogy a szívóvezeték mérete megfelelő, és a folyadék viszkozitása a tartományon belül van. Ez a jellemző leegyszerűsíti a tartályok elhelyezését és csökkenti a telepítési korlátokat a mobil berendezésekben, ahol a tartály elhelyezését gyakran a jármű geometriája határozza meg.

Közös alkalmazások

Az egyszerűség, a költséghatékonyság és a megbízható térfogat-kiszorítás kombinációja a külső fogaskerekes szivattyúkat tette az alapértelmezett választássá az ipari és mobil hidraulikus alkalmazások széles körében.

Mobil hidraulika és építőipari berendezések: A kotrógépek, a kerekes rakodók, a teleszkópos rakodók és a mezőgazdasági traktorok külső fogaskerék-szivattyúkra támaszkodnak a szervokormány-áramkörök, a munkagép hidraulika és a segédfunkciók biztosítására. A rezgéssel, szennyezett folyadékkal és nagy hőmérséklet-ingadozásokkal járó környezetben való robusztusságuk miatt természetes módon illeszkednek a karbantartási létesítményektől távol működő berendezésekhez.

Kenőrendszerek: A szerszámgépek, sebességváltók, kompresszorok és motorok külső fogaskerék-szivattyúkat használnak kenőolaj-szivattyúként. A kenési körökhöz szükséges folyamatos, impulzusmentes szállítás alacsonyabb nyomáson pontosan igazodik a szivattyú teljesítményjellemzőihez, és a pozitív kiszorítási jelleg garantálja az olajszállítást még alacsony fordulatszámon is indításkor – ez a kritikus időszak, amikor a csapágyvédelem a legfontosabb.

Hidraulikus hajtóművek (HPU): Helyhez kötött ipari erőművekben a külső fogaskerék-szivattyúk biztosítják az elsődleges áramlási forrást a présgépek, fröccsöntő berendezések és anyagmozgató rendszerek szorító-, alakító- és működtetőrendszereihez. A teljesítményükhöz képest kompakt méretük és az egyszerű karbantartási profiljuk csökkenti a teljes birtoklási költséget a meghosszabbított élettartam alatt.

Adagolás és folyadékszállítás: Mivel a kimeneti áramlás egyenesen arányos a sebességgel és nagymértékben megismételhető, a külső fogaskerekes szivattyúkat széles körben használják vegyi adagoló rendszerekben, festék- és bevonatfelhordókban, valamint élelmiszer-minőségű folyadékszállító rendszerekben, ahol egységnyi idő alatt mért mennyiség pontos, folyamatos szállítására van szükség.

Mezőgazdasági gépek: A traktorok motorral hajtott külső fogaskerék-szivattyúkra támaszkodnak a hátsó függesztőmű hidraulikájának, a távoli hengeráramköröknek és a szervokormánynak az áramlására. A szivattyú önfelszívó képessége, és széles fordulatszám-tartományban – az alacsony alapjárattól a teljes motorfordulatszámig – megfelel a mezőgazdasági munkaciklusokban rejlő változó működési feltételeknek.

Külső fogaskerék-szivattyú és más hidraulikus szivattyútípusok

A megfelelő szivattyútípus kiválasztásához egy hidraulikus rendszerhez meg kell érteni, hogy a külső fogaskerekes szivattyúk hogyan viszonyulnak az alternatívákhoz a nyomás, a hatékonyság, a zaj és a költségek kulcsfontosságú teljesítménydimenzióiban.

Külső fogaskerék-szivattyú vs lapátos szivattyú: Lapátos szivattyúk eltérő elmozdulási elven működnek – a rugós vagy nyomásterhelésű lapátok be- és kicsúsznak a rotor réseiből, így változtatható kamrákat hoznak létre a rotor, a lapátok és a bütyökgyűrű között. A lapátos szivattyúk általában alacsonyabb zajszintet produkálnak, mint a hasonló lökettérfogatú külső fogaskerekes szivattyúk, ezért előnyben részesítik a zajérzékeny szerszámgépekben és ipari préselési alkalmazásokban. A lapátos szivattyúk azonban érzékenyebbek a folyadékszennyezésre, és minimális bemeneti viszkozitást igényelnek a megfelelő lapátkenés fenntartásához. A külső fogaskerekes szivattyúk szélesebb viszkozitási tartományt tolerálnak, és kevésbé érzékenyek a folyadékok tisztaságára, így előnyt jelentenek a mobil berendezésekben és alkalmazásokban, ahol a folyadék állapota nehezebb ellenőrizni. Alacsony-közepes nyomású feladatokhoz, ahol a zaj elsődleges, a lapátos szivattyúk gyakran a jobb választás; ahol a robusztusság és a viszkozitási rugalmasság fontosabb, ott a külső fogaskerekes szivattyúk előnyt élveznek.

Külső fogaskerék-szivattyú kontra dugattyús szivattyú: Dugattyús szivattyúk a nagy teljesítményű alternatívák olyan alkalmazásokhoz, amelyek folyamatos működést igényelnek 250 bar feletti nyomáson, nagy térfogati hatékonyságot széles fordulatszám-tartományban, vagy változó elmozdulást a rendszer igényeinek megfelelően. Optimális körülmények között 90-95%-os hatásfokot érnek el, szemben a külső fogaskerekes szivattyúk 80-90%-ával, és 350-450 bar nyomáson is képesek üzemelni az igényes ipari ciklusok esetén. A kompromisszum a lényegesen magasabb egységköltség, a folyadékok tisztaságára való nagyobb érzékenység és a bonyolultabb karbantartási követelmények. A külső fogaskerekes szivattyúk továbbra is a gazdaságilag ésszerű választás a fix lökettérfogatú alkalmazásokhoz mérsékelt nyomáson, ahol a dugattyús szivattyú magasabb beszerzési és karbantartási költségét nem indokolják a teljesítménykövetelmények.

Hogyan válasszuk ki a megfelelő külső fogaskerék-szivattyút

A külső fogaskerekes szivattyú helyes megadásához több, egymástól függő paraméteren egymás után kell dolgozni. Alulméretezett vagy túlméretezett szivattyúval kezdődően olyan hatékonysági és megbízhatósági problémák lépnek fel, amelyeket nehéz kijavítani az egység cseréje nélkül.

1. lépés – Határozza meg a szükséges áramlási sebességet. Számítsa ki a rendszerben lévő összes aktuátor teljes áramlási igényét, figyelembe véve az egyidejű működést, ahol lehetséges. Ezt liter/percben (L/perc) fejezze ki a tervezett üzemi sebesség mellett. Mivel az áramlás arányos a fordulatszámmal és az elmozdulással, válasszon olyan elmozdulást (cc/ford), amely a tervezett tengelyfordulatszámon biztosítja a szükséges áramlást 10-15%-os ráhagyással, hogy figyelembe vegyék a térfogati veszteségeket.

2. lépés – Erősítse meg a rendszernyomás követelményeit. Határozza meg azt a maximális üzemi nyomást, amelyet a szivattyúnak fenn kell tartania, beleértve a terhelési hatások vagy a szelepváltások miatti átmeneti nyomásugrásokat. Győződjön meg arról, hogy a kiválasztott szivattyú névleges folyamatos nyomása meghaladja a rendszer maximális üzemi nyomását, és hogy a maximális nyomásértéke megfelel a várható kiugrásoknak. A szivattyú maximális névleges nyomásának közelében történő folyamatos működés felgyorsítja a fogaskerekek és a csapágyak kopását.

3. lépés – Ellenőrizze a folyadék viszkozitásának kompatibilitását. Ellenőrizze a hidraulikafolyadék üzemi viszkozitását minimális (meleg, alacsony terhelés) és maximális (hidegindítás) üzemi hőmérsékleten. A folyadék viszkozitásának a szivattyú által meghatározott tartományon belül kell maradnia a teljes működési ciklus alatt. Ha a hidegindítási viszkozitás várhatóan meghaladja a 300 cSt-t, fontolóra kell venni egy előmelegítési stratégiát vagy egy nagyobb bemeneti viszkozitásra tervezett szivattyút.

4. lépés – Ellenőrizze a tengely fordulatszámát és a hajtás konfigurációját. A külső fogaskerekes szivattyúk minimális és maximális fordulatszámmal rendelkeznek. A minimális fordulatszám alatti üzemeltetés a nem megfelelő önfelszívást és a rossz belső kenést kockáztatja. A maximális fordulatszám feletti működés kavitációt és felgyorsult csapágykopást okoz. Győződjön meg arról, hogy a hajtási fordulatszám – akár villanymotorról, motor TLT-ről vagy hajtómű kimenetéről – minden üzemi körülmény között a szivattyú névleges fordulatszám-tartományába esik.

5. lépés – Fontolja meg a felszerelést és a port konfigurációját. A fogaskerekes szivattyúk SAE, ISO és a gyártó által meghatározott karimás mintákkal, valamint különféle tengelykonfigurációkkal (reteszelt, hornyos vagy kúpos) állnak rendelkezésre. A túlzott bemeneti korlátozások elkerülése érdekében győződjön meg arról, hogy a kiválasztott szivattyú rögzítési interfésze kompatibilis a rendelkezésre álló hajtáskonfigurációval, és hogy a portok mérete megegyezik a rendszer vezetékméretével.

Karbantartás és gyakori hibamódok

A külső fogaskerekes szivattyúk a hidraulikus rendszerek legmegbízhatóbb alkatrészei közé tartoznak, de nem igényelnek karbantartást. A leggyakoribb hibamechanizmusok megértése segít a mérnököknek a megfelelő szervizintervallumok meghatározásában és a problémák azonosításában, mielőtt azok költségessé válnának.

Tapadó kopás a fogaskerekek felületén és a ház furatán ez a leggyakoribb kopási mechanizmus a külső fogaskerekes szivattyúkban, amelyek a tervezési keretükön belül működnek. Idővel a fogaskerék-hegyek és a ház közötti szűk tűrésfelületek mikroszkopikus kopást hoznak létre, ami növeli a belső hézagokat, csökkentve a térfogati hatékonyságot. Az újonnan 95%-os hatásfokkal rendelkező szivattyú hosszabb szervizelés után 80%-ra vagy az alá csökkenhet, ami magasabb folyadékhőmérsékletet és csökkent hajtómű teljesítményt eredményez. A rendszer áramlási teljesítményének és a folyadékhőmérséklet-trendek rendszeres monitorozása korai figyelmeztetést ad a hatékonyság csökkenésére, mielőtt a szivattyú teljesen meghibásodik.

Kavitáció akkor fordul elő, amikor a folyadék nyomása a szivattyú bemeneténél a folyadék gőznyomása alá esik, ami gőzbuborékok képződését okozza az alacsony nyomású zónákban, majd hevesen összeesik, amint belépnek a magasabb nyomású régiókba. Az implóziós energia erodálja a fogaskerekek fogainak felületét és a ház falait, és jellegzetes lyukmintázatot hoz létre, amely a vizsgálat során látható. A kavitációt jellemzően alulméretezett vagy szűk szívóvezeték, túlzott folyadékviszkozitás hidegindításkor, eltömődött szívószűrő vagy a szivattyú a tervezett névlegesnél nagyobb sebességgel történő működtetése okozza. A kavitáció megelőzése megköveteli a megfelelő szívóvezeték-méretezést, a szűrő rendszeres karbantartását és a megfelelő hidegindítási eljárásokat.

Szennyezés okozta kopás hatással van a fogaskerék fogprofiljára, a csapágyfelületekre és a ház furatára, amikor a rendszer szűrési küszöbértéke feletti kemény részecskék belépnek a szivattyúba. A dugattyús szivattyúkkal ellentétben a külső fogaskerekes szivattyúk viszonylag jól tűrik a mérsékelt szennyeződést, de az erősen szennyezett folyadékkal való tartós működés minden belső felületen felgyorsult kopást okoz. A hidraulikafolyadék 16/14/11 vagy jobb ISO-tisztasági kódjának megőrzése jelentősen meghosszabbítja a szivattyú élettartamát, és csökkenti a nem tervezett állásidőt.

Tengelytömítés meghibásodása gyakori karbantartási cikk, különösen a megnövekedett háznyomásnak vagy hőciklusnak kitett szivattyúkon. A síró tengelytömítés általában a tömítés leromlásának első jele, és azt még azelőtt orvosolni kell, hogy a szivárgás külső folyadékveszteséghez vagy levegő beszívásához vezetne a visszatérő löket sérült tömítőajkán keresztül. A tengelytömítések olcsó alkatrészek, és a sírás első jelére kicserélni őket sokkal gazdaságosabb, mint hagyni, hogy a probléma csapágykárosodássá vagy házszennyeződéssé fejlődjön.

Általános karbantartási irányelvként ellenőrizze a szívószűrőket 500–1000 üzemóránként, cserélje ki a hidraulikafolyadékot és a visszatérő vezeték szűrőit a rendszer gyártójának ütemezése szerint, és figyelje a szivattyú kimeneti nyomását és hőmérsékletét minden ütemezett szervizintervallumban, hogy a hatékonyságot időben trendbe lehessen vinni.