Передовые технологии шестеренных насосов.

Аннотация

Описаны основные проблемы типовых шестеренных насосов. В связи с этим, авотором представлена разработка нового шестеренного насоса, которая должна исключить некоторые недостатки насосов этого типа. Даны характеристики, принцип работы и преимущества насоса с гибкой кольцевой шестерней.

Введение

Существуют три основные проблемы в типовых шестеренных насосах. Это несбалансированная радиальная сила, большая избыточная пульсация потока и короткий срок службы. Для решения вышеуказанных задач вводится новый тип шестеренчатого насоса с гибкой кольцевой шестерней. Всасывание достигается за счет зацепления между гибкой кольцевой шестерней и жесткой внешней шестерней. Таким образом, силы радиального давления гидравлически сбалансированы и объемное смещение удваивается для нового насоса.

Многие промышленные механизмы содержат вращающиеся элементы, взаимодействующие с потоком жидкости. Подобное имеет место в различных насосах, как указано в [1]. Зубчатые насосы популярны, хорошо подходят для работы с вязкой жидкостью, такой как топливо и смазочное масло. Обладая мощной самовсасывающей способностью, это прочное и надежное устройство может работать в широком диапазоне давлений и скоростей вращения. Основное применение ему можно найти в качестве смазочного насоса в станках, в качестве масляного насоса в двигателях или в блоках передачи жидкости. В зависимости от приложения доступны несколько конструкций. Тем не менее, самая обычная конфигурация использует двойные шестерни, это не что иное, как два типа зубчатых насосов, внешних и внутренних, по структуре, как видно из [1-4].

Давление на всасе шестеренчатого насоса ниже давления в нагнетательной линии когда насос работает. Более высокое давление на выходе будет толкать две шестерни в сторону входа. Это неуравновешенное радиальное давление, возникающее из-за перепада давления между впускными и выпускными сторонами, будет изгибать вал шестерни и может царапать корпус насоса, что увеличивает трение и износ подвижных частей и нагрузку на подшипники. Нагрузка на подшипники пропорциональна перепаду давления между всасывающей и нагнетательной линиями. [5]. Более высокое давление приводит к большей радиальной силе. Это ухудшает работу насоса и вызывает преждевременный отказ [2-5].

Многие ученые проводили исследования с целью уменьшить дисбаланс радиального давления. Сужение разгрузочной полости, расширение всасывающей полости, открытие канавки на торцевой крышке или на основании подшипника в насосе, сокращение ширины и диаметра зуба двух передач, использование высококачественного подшипника или использование гибких опор, являются способами, описанными в [4-9], но проблема, упомянутая выше, не была должным образом решена. Срок службы шестеренчатого насоса по-прежнему намного меньше, чем требуется. Это происходит главным образом из-за большей радиальной силы, которая создает более тяжелую нагрузку на вал и на подшипник. Уменьшение радиального усилия является важным вопросом в процессе повышения производительности и срока службы шестеренчатого насоса.

Дисбаланс радиальной силы присущ структуре традиционного шестеренчатого насоса. Независимо от того, какие меры принимаются, радиальная сила в шестеренчатом насосе может быть уменьшена, но не может быть полностью устранена.

Поэтому авторы изобрели новый метод балансировки радиальной силы на валу шестерни, где смещение удваивается, срок службы шестеренчатого насоса улучшается, а пульсация потока смягчается. Метод дает идеи для разработки нового шестеренчатого насоса.

Характеристики шестеренного насоса с гибкой кольцевой шестерней

В роторном насосе с вращающейся лопастью (или сбалансированном насосе типа лопасти), имеющем несколько лопаток, которые могут свободно скользить в или из пазов в роторе насоса, две разгрузочные полости, расположенные диаметрально противоположно друг другу, удерживают ротор в гидравлическом балансе , облегчая нагрузку на подшипник [6,7]. Вдохновленные этим, мы разработали новый шестеренчатый насос с гибкой кольцевой шестерней, объединив характеристики гармонического приводного механизма [10,11] с принципом работы шестеренчатого насоса. На рисунке 1 представлен эскиз нового шестеренчатого насоса, основные компоненты которого включают корпус насоса (1), торцевую крышку, шестерню (2), гибкую кольцевую шестерню (4), уплотнительный блок (5), ролик (3) и боковую пластину ( 6).

Шестерня (2) представляет собой жесткую внешнюю шестерню. Гибкая кольцевая шестерня (4), тонкостенная внутренняя кольцевая шестерня, которая может подвергаться значительной упругой деформации, имеет одинаковые круговые ролики и ширину зуба шестерни. Кольцевое зубчатое колесо сцепляется с шестерней и свободно вращается внутри закрытого корпуса насоса. Столбцы вращения двух сопрягаемых передач совпадают.

1 – корпус, 2 – внутренняя шестерня, 3 – ролик, 4 – Гибкая кольцевая шестерня, 5 – уплотнительный блок, 6 – боковая пластина, 7 – болт, 8 – штифт положения, 9 – стоп-сигнал, A – Всасывающая полость, B – разгрузочная полость.

Два кольцевых уплотняющих блока (один слева, а другой справа, как показано на рис.1) устанавливаются между внутренней шестерней и дуговой поверхностью адгезионного кольца кольцевой шестерни. Боковые пластины плотно расположены с обеих сторон двух передач в осевом направлении. Уплотнительные блоки закреплены на боковых пластинах стопорными штифтами (9), а две концевые крышки соединяют корпус насоса с помощью болтов (7), показанных на рис.1.

Кольцевая шестерня и внутренняя находятся в непосредственной близости от уплотнительных блоков и боковых пластин. Воздухонепроницаемое пространство между шестернями разделено на четыре полости, представляющие собой две симметричные полости А для допуска жидкости и две симметричные полости В для вытеснения жидкости повышенного давления В этом случае радиальная нагрузка на вал симметрична.

На боковых пластинах открыты два осевых отверстия для всасывания (соответствующие полости низкого давления, А), два осевых отверстия для разгрузки (соответствующие полости более высокого давления, В). Входные и выходные отверстия, открытые на торцевых крышках, соединены с всасывающим и нагнетательным шлангами вне корпуса насоса соответственно.

Диаметр экструзии кольцевой шестерни, прежде чем она деформируется, больше длины двух роликов. Профиль кольцевой шестерни, опирающийся на ролики, оказывается овальной формы, когда кольцевая шестерня вставлена между двумя роликами, как показано на рисунке 1. Зубцы колес вблизи двух концов короткой оси овальной сетки соприкасаются с зубцами внутренней шестерне, а зубцами рядом с большой осью овала полностью отделяются от зубов на шестерне. Кольцевая шестерня приводится в движение, когда внутренняя поворачивается по часовой стрелке. Деформация кольцевой шестерни и условие сопряжения двух зубчатых колес постоянно меняются.

Принцип работы шестеренного насоса с гибкой кольцевой шестерней

Новый насос относится к семейству насосов с принудительным вытеснением. На основе внутренней шестерни (4) он всасывает и вытесняет жидкость также посредством периодических изменений закрытого рабочего объема с вращением шестерен [12].

На Рис.1, когда шестерня, приводимая в движение трансмиссионным валом, вращается в направлении стрелки, как показано на рисунке, гибкая кольцевая шестерня поворачивается в том же направлении. Частичный вакуум создается в полости А, где две шестерни выходят из сетки и создают расширяющийся объем, который помогает вытягивать жидкость из резервуара под атмосферным давлением на две всасывающие полости А через внешнюю всасывающую трубу, входное отверстие на торцевой крышке и всасывающие отверстия на боковой пластине. Затем канавки между зубами заполняются жидкостью. Это процесс всасывания нового насоса.

Когда две шестерни вращаются, канавки, наполненные жидкостью, обращаются к полости B, где две шестерни входят в сетку и постепенно создают уменьшающийся объем, жидкость, зажатая между соседними зубами, вытесняется из полости в подающую трубу через дренажные отверстия на боковой панели и выходное отверстие на торцевой крышке. Это процесс разгрузки нового насоса.

Эффект сетки происходит дважды. Четыре независимых замкнутых полости формируются автоматически в процессе зацепления между зубчатым колесом и шестерней. Вращение двух сопрягаемых зубчатых колес способствует сохранению полости А в вакууме, больше жидкости втягивается в пустоты между не соприкасаемыми зубьями, и она нагнетается, когда они снова зацепляются, так как давление в полости В выше. Затем происходит закачка, всасывание при подходе и разгрузка во время сетки. Это принцип работы нового шестеренного насоса.

Полости для всасывания и нагнетания разделены линией зацепления вдоль осевого направления. Путь потока для нового шестеренного насоса выглядит следующим образом. Жидкость из резервуара поступает во входное отверстие на торцевой крышке и в два осевых отверстия для всасывания на боковой пластине, а затем в две всасывающие полости А, расположенные симметрично. Маршрут для жидкости под давлением состоит из двух полостей B, расположенных симметрично двум осевым выпускным отверстиям на боковой пластине, а затем в выпускном отверстии на торцевой крышке.

Преимущества шестеренного насоса с гибкой кольцевой шестерней

Новый насос, представленный в этой статье, обладает следующими преимуществами по сравнению с имеющимися, на данный момент, шестеренными насосами:

• Приводной вал насоса гидравлически сбалансирован, что уменьшает нагрузку на подшипники и значительно повышает производительность и срок службы шестеренчатого насоса, из-за его симметрии две полости низкого давления и две полости более высокого давления расположены симметрично осевой линии шестерни.
• Двойной объем сброса жидкости из двух полостей B. Можно сказать, что один новый насос содержит два эквивалентных шестеренных насоса, поэтому общее перемещение увеличивается, а поток является гладким, что делает работу тихой. Два выходных потока могут экспортироваться и транспортироваться соответственно к различным исполнительным механизмам, чтобы перемещать поршень в цилиндре или поворачивать вал гидравлического двигателя. Кроме того, два потока могут сливаться и производить большее смещение, подходящее для конкретного применения, где требуется быстрое перемещение привода.
• Относительная скорость скольжения поверхностей зубов ниже во время процесса зацепления, потому что две шестерни вращаются в одном направлении, шум и износ на поверхностях зубов меньше.
• Нагрузка на единицу площади меньше, а работа гладкая и бесшумная с большей несущей способностью, так как поверхности зубов двух зацепляющихся зубчатых колес контактируют с поверхностью и одновременно соединяются зубьями.
• Эффективно преодолены недостатки типовых шестеренчатых насосов. Новый шестеренчатый насос имеет лучшую производительность и может быть использован для модернизации традиционных шестеренчатых насосов.

Заключение

Традиционный шестеренчатый насос с двумя шестернями – это гидравлический компонент, подвергнутый радиальному давлению. Большее радиальное давление вызывает преждевременное повреждение насоса. Поэтому предлагается решени проблемы, упомянутой выше.

Авторы отказались от традиционной конструкции зубчатого насоса для создания нового внутреннего зубчатого насоса с гибкой кольцевой шестерней в первый раз. Радиальное давление сбалансировано, производительность и срок службы значительно расширяются благодаря новому шестеренчатому насосу, который инновационно заменяет существующие зубчатые насосы.

Гибкая внутренняя шестерня, подвергающаяся переменному напряжению во время работы, является основным элементом нового типа шестеренчатого насоса. Могут быть выбраны серии из хромированного молибденового сплава, имеющие более высокую прочность и хорошую усталостную характеристику, или мягкий композитный материал с повышенной усталостной прочностью для создания гибкой внутренней шестерни во избежание преждевременной усталостной недостаточности. Следующим шагом нашей работы является разработка и испытание прототипа нового насоса и попытка заложить основу для дальнейшего совершенствования в ходе экспериментальных исследований насоса.

Список использованной литературы

1. Erturk, N., Vernet, A., Castilla, R., Gamez-Montero, P. J. and Ferre, J. A., “Experimental analysis of the flow dynamics in the suction chamber of an external gear pump”, International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 53, No. 2, pp. 135–144, 2011.
2. Gamez-Montero, P. J., Castilla, R., Khamashta, M. and Codina, E., “Contact problems of a trochoidal-gear pump”, International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 48, No. 12, pp. 1471–1480, 2006.
3. Mucchi, E., Dalpiaz, G. and Fernandez del Rincon, A., “Elastodynamic analysis of a gear pump, Part I: Pressure distribution and gear eccentricity”, Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 25, No. 7, pp. 2160–2179, 2010.
4. Staddon, P., “Internal gear pumps and their use in industry”, World Pumps, Vol. 1995, No. 343, pp. 40–41, 1995.
5. Special Feature, “Choosing the right gear pump applications”, World Pumps, Vol. 1999, No. 395, pp. 42–46, 1999.
6. Cunxing, H., Hydraulic Elements, 1st ed., Mechanical Industry Press, Beijing, China, 1982.
7. Zhu, X., Gear and Screw Types Hydraulic Pumps and Motors, 1st ed., Mechanical Industry Press, Beijing, China, 1988.
8. Smith, D., Darley, D. and Stallings, T., “Specifying a total gear pump system”, Plastics Engineering, Vol. 50, No. 2, pp.19–23, 1994.
9. Zhu, H. L., “Keep gear pumps healthy”, Chemical Engineering, Vol. 109, No. 3, pp.74–76, 2002.
10. Jeon, H. S. and Oh, S. H., “A study on stress and vibration analysis of a steel and hybrid flexspline for harmonic drive”, Composite Structures, Vol. 47, Nos. 1–4, pp. 827–833, 1999.
11. Dong, H., Zhu, Z., Zhou, W. and Chen, Z., “Dynamic simulation of harmonic gear drives considering tooth profiles parameters optimization”, Journal of Computers, Vol. 7, No. 6, pp. 1429–1436, 2012.
12. Zhu, H. L. and Zou, M., A Gear Pump Having New Internal Gear Ring, China Patent Number 201020022956.9, November 10th, 2010.