Гідравлічні машини шестеренного типу

Шестеренні машини в сучасній техніці знайшли широке застосування. Їхньою основною перевагою є конструкційна простота, компактність, надійність у роботі й порівняно високий ККД. У цих машинах відсутні робочі органи, на які діють відцентрові сили, що дозволяє експлуатувати їх при частоті обертання до 20 с^-1. У машинобудуванні шестеренні гідромашини застосовуються в системах із дросельним регулюванням.

Шестеренні насоси. Основна група шестеренних насосів складається із двох прямозубих шестерень зовнішнього зачеплення (рисунок 3.1, а). Застосовуються також і інші конструктивні схеми, наприклад насоси із внутрішнім зачепленням (рисунок 3.1, б), зовнішнім зачепленням трьох та більше шестерень (рисунок 3.1, в).

Рисунок 3.1 – Схеми шестеренних насосів:

а – із зовнішнім зачепленням; б – із внутрішнім зачепленням;

в – тришестеренний

Шестеренний насос із зовнішнім зачепленням (рисунок 3.1, а) складається із ведучої 1 і веденої 2 шестерень, розміщених із невеликим зазором у корпусі 3. При обертанні шестерень рідина, що заповнила робочі камери (міжзубові простори), переноситься з порожнини всмоктування 4 у порожнину нагнітання 5. З порожнини нагнітання рідина витісняється в напірний трубопровід.

У загальному випадку подача шестеренного насоса визначається за формулою

, (3.8)

де m – модуль шестірні;

z – кількість зубів;

b – ширина зуба шестерень;

n – частота обертів ведучого вала насоса;

η_об – об’ємний ККД.

Шестеренний насос у розібраному стані поданий на рисунку 3.2. Він складається з корпуса 8, виконаного з алюмінієвого сплаву, всередині якого встановлені підшипниковий блок 2 із ведучою 1 і веденою 3 шестернями й ущільнювальний блок 5, що являє собою іншу половину підшипника. Для радіального ущільнення шестерень у центральній частині ущільнювального блока є дві сегментні поверхні, які охоплюють із установленим зазором зуби шестерень. Для торцевого ущільнення шестерень служать дві підтискні пластини 7, установлені в спеціальні пази ущільнювального блока по обидва боки шестерень. У підтискних пластинах і в лівій частині ущільнювального блока є фігурні заглиблення під гумові прокладки 6. Тиском рідини з порожнини нагнітання пластини 7 притискаються до торців шестерень, завдяки чому автоматично компенсується зазор, а витоки залишаються практично однаковими при будь-якому робочому тиску насоса. Ведуча й ведена шестерні виконані заодно із цапфами, що опираються на підшипники ковзання підшипникового й ущільнювального блоків. Одна із цапф ведучої шестірні має шліци для з’єднання з валом привідного двигуна. Насос закривається кришкою 4 з ущільнювальним гумовим кільцем 9. Привідний вал насоса ущільнений гумовою манжетою, яка закріплена спеціальними кільцями в корпусі насоса.

Шестеренні насоси із внутрішнім зачепленням складні у виготовленні, але дають більш рівномірну подачу й мають менші розміри. Внутрішня шестірня 1 (див. рисунок 3.1, б) має на два-три зуби менше, ніж зовнішня шестірня 2. Між внутрішньою й зовнішньою шестернями є серпоподібна перемичка 3, що відокремлює порожнину всмоктування від напірної порожнини. При обертанні внутрішньої шестірні рідина, що заповнює робочі камери, переноситься в напірну порожнину й витісняється через вікна в кришках корпусу 4 у напірний трубопровід.

Шестеренні насоси із внутрішнім зачепленням використовують у випадках, якщо необхідно забезпечити невеликі габаритні розміри та подавати робочу рідину в порівняно невеликих об’ємах.

На рисунку 3.1, в наведена схема тришестеренного насоса. У цьому насосі шестірня 1 ведуча, а шестерні 2 і 3 – ведені, порожнини 4 – усмоктувальні, а порожнини 5 – напірні. Такі насоси вигідно застосовувати в гідроприводах, у яких необхідно мати дві незалежні напірні гідролінії.

Рівномірність подачі рідини шестеренним насосом залежить від кількості зубів шестірні й кута зачеплення. Чим більше зубів, тим менша нерівномірність подачі, однак при цьому зменшується продуктивність насоса. Для усунення

Рисунок 3.2 – Шестеренний насос НШ-К і його складові елементи

заклинювання рідини в зоні контакту зубів шестерень та бічних стінок корпусу насоса виконані розвантажувальні канавки, через які рідина відводиться в одну з порожнин насоса.

Шестеренні гідромотори. Робота шестеренних гідромоторів здійснюється таким чином. Рідина з гідромагістралі (див. рисунок 3.1, а) надходить у порожнину 4 гідродвигуна та, впливаючи на зуби шестерень, створює крутний момент, рівний

, (3.9)

де η_м – механічний ККД гідромотора.

Конструктивно шестеренні гідромотори відрізняються від насосів меншими зазорами в підшипниках, меншими зусиллями притискання втулок до торців шестерень, розвантаженням підшипників від неврівноважених радіальних зусиль. Пуск гідромоторів рекомендується робити без навантаження.

Шестеренні машини можуть бути використані і як гідромотори, і як насоси.

а б

Рисунок 3.3 – Шестеренний насос із різними схемами зачеплення зубів:

а – косозубе зачеплення; б – шевронне зачеплення

Для зменшення нерівномірності подачі застосовують насоси з косозубими та шевронними шестернями (рисунок 3.3, а, б). У цих насосах зуби з’єднуються поступово, початок зачеплення йде від входу і до кінця їх виходу із зачеплення, на відміну від прямозубих шестерень, які входять у зчеплення по всій довжині зуба. Але при роботі косозубих шестерень виникають сили, котрі притискують шестірню до корпусу, що спричиняє їхнє зношування. У шевронних насосах цей недолік відсутній, тому що сили зрівноважуються.

Розрахунок подачі шестеренних насосів із косозубим і шевронним зачепленням виконується за виразом (3.8). Якщо в шестеренних насосах із косозубими шестернями збільшити кут нахилу, то одержимо гвинтовий насос.

Рисунок 3.4 – Гвинтовий насос

Гвинтові насоси характеризуються надійністю, малими розмірами та безшумністю в роботі.

На рисунку 3.4 зображена схема тригвинтового насоса, який складається з корпусу 1 і трьох гвинтових роторів (середнього ведучого 2 та двох ведених 3) і обойми 4. Ведучий гвинт 2 двозахідний із кутом підйому гвинта близько 47° з віссю ротора. Ведений гвинт 3 призначений для герметизації машини при переміщенні рідини. Гвинтові насоси можуть працювати з великою кількістю обертів (10000–15000 хв^-1) з подачею рідини до 15000 л/хв і тиском до 20 МПа.

Подача тригвинтового насоса дорівнює об’єму канавок, якими рухається рідина за одиницю часу,

Q=t(S₁-S₂)n, (3.10)

де t – крок гвинта;

S₁, S₂ – площа відповідно поперечного перерізу насоса та перерізу гвинта.

На рисунку 3.4, бпоказано умовне позначення гвинтового насоса. Шестеренний насос із внутрішнім зачепленням використовують там, де необхідно застосовувати насос із малою подачею. На рисунку 3.5 зображений шестеренний насос, який складається з ведучої 1 та веденої 2 шестірні, розподільної пластинки 3, порожнин усмоктування 4 і нагнітання 5. Рідина, що заповнює западини між зубами шестерень, переноситься в порожнину нагнітання, а звідти виштовхується зчепленими зубами через серпоподібні вікна в бічних кришках корпусу. У насосі для розділення порожнин усмоктування та нагнітання передбачена розподільна пластинка. У внутрішній шестірні на 2 – 3 зуби менше, ніж у зовнішній.

Насоси з внутрішнім зачепленням шестерень, в яких відсутня розподільна пластинка, називають героторними (рисунок 3.5, б).

Рисунок 3.5 – Шестеренні насоси з внутрішнім зачепленням

Шестерні героторного насоса розміщені з ексцентриситетом е. При обертанні шестерень зуби контактують між собою й утворюють закриті об’єми. Лінія контакту зубів шестірні при обертанні переміщається так, що об’єм камер змінюється. Унаслідок цього внутрішня шестірня повертається на кут і при цьому змінюється об’єм рідини, що дорівнює сумі об’ємів западин між зубами внутрішньої шестірні.