Шестеренные насосы с внешним зацеплением

Шестеренные насосы с внешним зацеплением в основе конструкции имеют ведущую 1 и ведомую 2 шестерни, которые размещаются в цилиндрических проточках корпуса 3, оборудованного также всасывающим 4 и нагнетательным 5 патрубками (рис. 8.1). Для предотвращения значительных внутренних утечек рабочей жидкости по торцевым зазорам шестерен используют плотнящие диски 6, что позволяет применять насосы при давлениях, как правило, до 16 МПа.

Рис. 8.1. Принципиальная схема шестеренного насоса с внешним зацеплением

При вращении шестерен 1 и 2 жидкость, которая во всасывающем пространстве насоса заполняет впадины зубьев, переноситься этими впадинами в нагнетательное пространство , ограниченное корпусом насоса 3 и зубьями , , и . Перемещаясь, зубья и своими внутренними, по отношению к нагнетательной камере , поверхностями в каждый момент времени вытесняют в эту камеру больше жидкости, чем ее помещается в пространстве, которое освобождается сцепленными зубами и . Разность между объемным расходом жидкости, которая вытесняется зубьями и , и расходом жидкости, которая заполняет объем, освобождающийся зубьями и , составляет текущую подачу шестеренного насоса.

Физическую модель рабочего процесса шестеренного насоса, которая позволяет выполнить его математическое моделирование, можно обосновать, исходя из понятия рабочей поверхности зуба.

Под рабочей поверхностью зуба следует понимать его боковую поверхность в пределах рабочей высоты для зубьев и (или для зубьев и ), которая омывается рабочей жидкостью с давлением в полости нагнетания (рис. 8.2, а, б). Под рабочей высотой или зубьев соответственно и или и понимают проекцию на ее ось симметрии расстояния от точки зацепления до вершины соответствующего зуба. Рабочая высота зуба, а следовательно, и его рабочая поверхность, зависит от положения точки зацепления , то есть от угла поворота шестерен , и является величиной переменной.

При вращении шестерен взаимно нескомпенсированные рабочие поверхности зубьев и вытесняют рабочую жидкость в нагнетательный патрубок, определяя текущую подачу насоса. Взаимно скомпенсированными рабочими поверхностями зубьев , , и будем считать такие, которые при вращении шестерен одновременно увеличивают и уменьшают объем нагнетательного пространства на одну и ту же величину, не вытесняя жидкость в нагнетательный патрубок. Нерабочие поверхности зубьев, то есть такие, которые определяются нерабочими высотами (проекциями на оси симметрии зубьев расстояний от точки зацепления до их впадин), всегда взаимно скомпенсированные.

Исходя из изложенного, жидкость вытесняется не телом зуба, как часто считают, а в результате смыкания двух колец жидкости, которые вращаются вокруг своих осей, причем одно из них имеет переменную по углу поворота площадь поперечного сечения. Таким образом, текущая подача насоса не зависит от объема зуба, а потому физическую модель рабочего процесса шестерного насоса можно также представить в виде перемещения рабочей жидкости пластинами , , и эвольвентного профиля, которые, вращаясь вокруг осей и , попарно сцепляются в точке (рис. 8.2, в).

В то же время, для обоснования величины средней, за один оборот шестерен, идеальной подачи шестерного насоса правомерно утверждать, что рабочий объем гидромашины равняется количеству жидкости, которая переносится без объемных потерь во впадинах зубьев двух шестерен за время их одного вращения из полости всасывания насоса в полость нагнетания, и не попадает обратно в полость всасывания, так как объем впадины занимает тело зуба противоположной шестерни.

а)

б)

в)

Рис. 8.2. Схемы к обоснованию физической модели рабочего процесса и определения подачи шестеренного насоса с внешним зацеплением

При прямозубом зацеплении контакт рабочих поверхностей зубьев происходит линейно по всей их ширине, что, при неточностях в изготовлении, может приводить к неравномерности движения ведомой шестерни и повышенного износа контактирующих поверхностей. Указанные недостатки почти полностью устраненные в косозубых (рис. 8.3, а) и шевронных (рис. 8.3, б)шестернях, в которых начало зацепления зубьев и выход из него происходит постепенно, что уменьшает влияние погрешностей в профилизации зубьев.

а) б)

Рис. 8.3. Принципиальные схемы шестеренных насосов с внешним зацеплением с косозубыми (а) и шевронными (б) шестернями

К преимуществам гидромашин с косозубыми шестернями относятся также меньшие неравномерности подачи (насоса) и крутящего момента (гидромотора), чем в гидромашинах с цилиндрическими шестернями.

Значительные осевые усилия на подвижные элементы, которые возникают при работе гидромашины с косозубыми шестернями, практически полностью уравновешены в гидромашинах с шевронными шестернями.