2.2.2. Pompy hydrauliczne.

Zadaniem pomp jest przekształcenie energii mechanicznej w energię strumienia cieczy roboczej (natężenie przepływu i ciśnienia). Pompa jest podstawowym elementem układu hydraulicznego.

W zależności od rodzaju ruchu elementów pompy można podzielić na dwie podstawowe grupy: pompy rotacyjne  i  pompy tłoczkowe. Szczegółowy podział i schematy konstrukcyjne wyjaśniające zasadę działania poszczególnych typów przedstawia systematyka pomp hydraulicznych (rys.5).

Ze względu na wydajność pompy hydrauliczne można podzielić na pompy o stałej wydajności zależnej tylko od obrotów wałka napędowego, oraz pompy o zmiennej (nastawnej) wydajności. Możliwość uzyskania zmiennej wydajności, przy stałej prędkości obrotowej wałka, jest z koncepcją konstrukcyjną pompy. Tak więc pompy zębate i śrubowe (o których będzie mowa w dalszej części rozdziału) są budowane wyłącznie jako pompy o stałej wydajności, pozostałe typy natomiast mogą być budowane w obu wariantach, a więc stałej

i nastawnej wydajności.

              W zależności od rodzaju napędu można mówić o pompach napędzanych silnikiem elektrycznym lub spalinowym; mówi się wówczas o napędzie silnikowym. Znane są również pompy z napędem ręcznym, stosowane często w prostych podnośnikach hydraulicznych,

w układach zalewania i dopełniania zbiorników świeżym olejem lub jako awaryjne źródło zasilania.

              Stosuje się również podział pomp wg liczby niezależnych strumieni na pompy jedno - i wielostrumieniowe. Pompy wielostrumieniowe służą do niezależnego zasilania poszczególnych obwodów jednego układu napędowego lub zasilania tego samego obwodu

w celu uzyskania stopniowej zmiany prędkości roboczych silnika hydraulicznego. Poszczególne strumienie łączy się i odłącza za pomocą odpowiednio zestawionego układu sterującego. Wydajności poszczególnych jednostek mogą być jednakowe lub zróżnicowane. Pompy wielostrumieniowe zestawia się z jednostek zębatych, łopatkowych lub wielotłoczkowych promieniowych.

              W zależności od sposobu łączenia pompy hydrauliczne można także podzielić na pompy jedno-  i  wielostopniowe. W pompach wielostopniowych poszczególne jednostki są usytuowane szeregowo, najczęściej we wspólnym kadłubie. Uzyskuje się w ten sposób pompy wysokociśnieniowe wykonane z jednostek, które buduje się zwykle dla niższych ciśnień roboczych, np. pompy zębate i łopatkowe.

Rys.5.  Systematyka pomp hydraulicznych.

Parametry charakteryzujące pompy hydrauliczne.

Podstawowe dane charak­terystyczne pomp to wydajność i ciśnienie przy ustalonej prędkości obrotowej ele­mentu pędnego. Wydajność pompy jest to ilość cieczy roboczej dostarczanej przez pompę w jednostce czasu. Teoretycznie wydajność pompy, z wyjątkiem pomp od­środkowych, nie zależy od ciśnienia tłoczenia, a wynika jedynie z geometrycznych rozmiarów elementów pompy i prędkości obrotowej. Jednak wskutek przecieków cieczy przez nieuniknione luzy i ewentualne niecałkowite zapełnienie cieczą powięk­szającej się przestrzeni w czasie ssania, rzeczywista wydajność pompy jest mniejsza niż teoretyczna

i maleje w miarę podwyższania ciśnienia tłoczenia. Stosunek wydaj­ności rzeczywistej Q

do wydajności teoretycznej Qt określa współczynnik sprawności objętościowej hv.

Pompa pracując wytwarza ciśnienie p panujące w przestrzeni, do której tłoczy ciecz. Moc oddawana przez pompę jest równa iloczynowi jej wydajności i ciśnienia tło­czenia. Natomiast moc pobierana przez pompę z zewnątrz jest większa niż moc oddawana, ze względu na nieuniknione straty mocy w pracującej pompie. Stosunek mocy oddawanej do mocy pobieranej jest to współczynnik sprawności mechanicz­nej  hm  pompy. Ogólna sprawność pompy h równa się iloczynowi sprawność obję­tościowej hv i mechanicznej hm. Moc pobierana przez pompę:

N = [KM]

gdzie:

p – ciśnienie w MPa

Q – wydajność w l/min.

Współczynnik sprawności oraz wydajność rzeczywista i moc pobierana zależą od ciśnienia wytwarzanego przez pompę. Krzywe określające te zależności nazywane są charakterystyką pompy (rys. 6). Przebieg charakterystyk, a zwłaszcza sprawność objętościowa

i rzeczywista, zależy w dużym stopniu od lepkości i temperatury cieczy roboczej. Starty objętościowe, powodowane przez nieszczelność – tzw. straty szczelinowe – są odwrotnie proporcjonalne do lepkości cieczy, czyli maleją w miarę wzrastania lepkości (przy czym jednocześnie zwiększa się sprawność objętościowa). Im większa jest lepkość cieczy roboczej, tym gorsze są warunki jej zasysania. Wynika stąd, że sprawność objętościowa pompy osiąga maksimum, gdy suma strat wynikających z nieszczelności i start na stronie ssawnej jest najmniejsza.

Rys. 6. Charakterystyka pompy w funkcji ciśnienia roboczego.

Wzrost temperatury cieczy roboczej powoduje zmniejszenie jej lepkości, wskutek czego zwiększają się straty szczelinowe, a więc maleje sprawność objętościowa. Za­razem jednak zmniejszają się wtedy wewnętrzne opory hydrauliczne, czyli wzrasta sprawność mechaniczna hm. Podwyższanie ciśnienia zwiększa straty szczelinowe, a więc obniża sprawność objętościowa hv, przy czym jednak wzrasta sprawność mechaniczna hm. Zwiększenie prędkości obrotowej elementu pędnego pompy teoretycznie nie wywiera wpływu na sprawność objętościową, jeżeli tylko nie występuje kawitacja. Zjawisko kawitacji polega na wydzielaniu się z cieczy roboczej powietrza, rozpuszczonych gazów i pary cieczy w części ssawnej pompy, wskutek czego zmniejsza się ilość cieczy rzeczywiście zasysanej przez pompę.

Jednak w rzeczywistości wskutek zwiększania prędkości obrotowej elementu pędne­go pompy wzrasta jej sprawność objętościowa, a sprawność mechaniczna maleje. Na ogół sprawność objętościowa pompy jest tym większa, im większa jest jej wy­dajność, ponieważ tym mniejszy jest stosunek strat szczelinowych do wydajności pompy. To samo dotyczy także sprawności mechanicznej. Z tego względu spraw­ność całkowita pompy o dużej wydajności jest z reguły większa niż sprawność pompy o małej wydajności. Przeważnie sprawność objętościowa pomp stosowanych w układach hydraulicznych zawiera się w zakresie 0,7 – 0,9 ,

a sprawność ogólna w granicach 0,6 – 0,85, przy czym wyższe współczynniki sprawności mają pompy tłoczkowe, średni pod względem wielkości współczynnik sprawności mają pompy łopatkowe, a współczynnik sprawności zmieniający się od średniej wartości do dol­nej granicy mają pompy zębate i śrubowe. Prędkości obrotowe pędnych elementów współczesnych pomp sięgają często do 5000 obr/min, a niekiedy do 12 000 obr/min lub nawet są jeszcze większe, przy czym ciśnienia robocze sięgają do 32 MPa, a nieraz do 63 MPa i więcej. Ze względu na wysokie ciśnienie robocze, elementy pomp powinny odznaczać się do­stateczną sztywnością, ponieważ nawet nieznaczne ich odkształcenia pogarszają sprawność pompy lub mogą powodować zakłócenia w jej działaniu. Ponadto pompa powinna być tak skonstruowana, aby wywoływana jej pracą pulsacja cieczy robo­czej w odgałęzieniu roboczym była jak najsłabsza. Pulsacja taka zakłóca bowiem ciągłość dopływania cieczy i łatwo staje się źródłem niepożądanych drgań układu, które powodują nieprawidłowości w jego działaniu,

a w przypadku rezonansu – uszkodzenia rozmaitych elementów. Często wymaga się również, aby hałaśliwość pomp nie przekraczała 75 dB.

Pompy zębate.

              Pompę zębatą tworzą najczęściej dwa zazębione ze sobą czołowe, śrubowe lub daszkowe koła zębate, z których jedno jest napędzane od silnika. Podczas obracania się kół zębatych w kierunku roboczym (rys.7), w komorze ssawnej S ciecz wypełnia międzyzębne wnęki kół i jest przymusowo przemieszczana do komory tłocznej T. Komorę tłoczną ograniczają ścianki korpusu i zęby k, m, d oraz e współ­pracujących kół zębatych. Nadciśnienie w komorze tłocznej utrzymuje się wskutek wyciskania cieczy spomiędzy zazębiających się zębów kół. Jednocześnie w wyniku napływania cieczy pomiędzy zęby kół wyzębiające się w komorze ssawnej i jedno­czesnego unoszenia z niej cieczy do komory tłocznej, w komorze ssawnej panuje podciśnienie.

Rys.7. Schemat pompy zębatej.

S – komora ssawna,  T – komora tłoczna,  d, e , k oraz m – zęby ograniczające komorę tłoczną.

Podczas pracy pompy zębatej, wskutek istniejącej różnicy ciśnień przemieszczana ciecz częściowo powraca z komory tłocznej poprzez szczeliny pomiędzy wewnętrzny­mi ściankami korpusu oraz czołami i wierzchołkami zębów do komory ssawnej. Prawidłowe wypełnienie komory ssawnej uzyskuje się tylko wówczas, gdy panujące w niej ciśnienie bezwzględne wynosi co najmniej 0,04 MPa. Niskociśnieniowe pompy zębate mają na ogół łożyska ślizgowe, a pompy wysokociśnieniowe – łożyska toczne. Charakterystyczne cechy wysokociśnieniowych pomp zębatych to: wąskie koła, grube wałki, łożyska igiełkowe oraz łożysko osiowe na wale pędnym. Typową pompę zębatą układu hydraulicznego przedstawia poniższy rysunek (8).

Rys.8.  Pompa zębata z kołami o uzębieniu zewnętrznym.

Podczas pracy pompy olej między zębami kół ulega sprężaniu, wskutek czego ich łożyska są silnie obciążone i łatwo się przegrzewają, co grozi uszkodzeniem pompy. W celu odciążenia łożysk zastosowano kanaliki odciążające, łączące przestrzeń, w której ciecz jest odcinana między zębami, ze stroną tłoczną pompy. Ze względu na roz­szerzalność cieplną materiałów kół zębatych i korpusu między kołami zębatymi, a korpusem powinny istnieć odpowiednie luzy osiowe, co najmniej około 0,02 mm. W celu ograniczenia strat

spowodowanych przeciekami przez luzy i zmniejszających sprawność pompy, stosowane są urządzenia do samoczynnego zmniejszania luzów osiowych. Pompa zębata może składać się nie tylko z dwóch, lecz także z trzech lub więcej kół zębatych. Pompy zębate wykonywane są również jako bliźniacze (kilka par kół zębatych) w jednej obudowie, zwykle blokowej.

Pompy wielostopniowe i z wieloma kołami zębatymi. W celu zwiększenia ciśnienia cieczy stosowane są wielostopniowe pompy zębate. Dzięki szeregowemu lub równo­ległemu połączeniu w jednym korpusie kilku par kół zębatych można uzyskać wzrost ciśnienia lub kilka autonomicznych linii zasilania albo zwiększyć wydajność. Na rysunku 9 przedstawiono konstrukcję i schemat trójstopniowej pompy zębatej z szeregowym połączeniem. W celu odprowadzenia nadmiaru cieczy każdy stopień ma zawór przelewowy, wyregulowany na odpowiednie ciśnienie. Stosując dwu-  i  trójstopniowe pompy można praktycznie dwukrotnie lub trzykrot­nie zwiększyć ciśnienie, jednakże wówczas obniża się współczynnik sprawności pompy. W celu zwiększenia wydajności lub uzyskania kilku linii zasilania stosowane są również pompy z trzema (rys. 10) lub więcej (do siedmiu) kołami zębatymi, rozmieszczonymi naokoło centralnego koła pędnego.

Rys.9. Pompa zębata trójstopniowa.

Rys. 10. Pompa zębata z trzema kołami zębatymi.

Pompy zębate stosowane są zwykle do zasilania układów hydraulicznych

o ciśnieniach roboczych do około 10 MPa. Pompy o samoczynnym ograniczaniu luzów mogą pracować z ciśnieniami roboczymi dochodzącymi do 20 MPa. Dopusz­czalne prędkości obrotowe kół pomp zębatych przeważnie sięgają 2000 obr/min lub rzadziej są jeszcze wyższe, a wydajności zwykle zawierają się w zakresie od kilku do 100 l/min i więcej. W porównaniu

z innymi pompami podobnego przeznaczenia, pompy zębate cechują się prostotą budowy, łatwością obsługi i napraw oraz małymi rozmiarami.

Rys. 11. Pompa zębata o uzębieniu wewnętrznym.

              Najbardziej zwarte konstrukcyjnie są pompy zębate o uzębieniu wewnętrznym       (rys. 11). Ważną  zaletą tych pomp jest symetryczne usytuowanie wału napędowego względem korpusu. Jednak z uwagi na dość kłopotliwe technologicznie wykonanie i trudności

w utrzymaniu należytej szczelności, pompy o uzębieniu wewnętrznym są rzadko stosowane.

Wymagania w zakresie pomp zębatych.

Pompy zębate pracują poprawnie przy użyciu cieczy o lepkości 10-300 cSt  (3 - 40oE) i charakteryzują się własnościami smarnymi. Zakres temperatur pracy może wynosić

od – 30oC do +80oC. Ciecz robocza musi być filtrowana dla zabezpieczenia pompy lub silnika przed przedostaniem wnętrza zanieczyszczeń, które  mogą spowodować zniszczenie części dokładność filtrowania wynosi 0,063-0,120 mm.

Ze względu na możliwość wystąpienia kawitacji, powodującej wystąpienie hałasu 

i drgań, mogącej być przyczyną zniszczenia elementów, podciśnienie na linii ssania nie powinno przekraczać p = 0,5 kg/cm2.

Pompy tłoczkowe.

Na ogół pompy tłoczkowe stosowane są wówczas, gdy wymagane są wysokie ciśnienia robocze, najczęściej około 30 MPa, a niekiedy do 63 MPa. Ze względu na zastosowanie elementów o ruchu posuwisto-zwrotnym, prędkości obrotowe wa­łów pędnych przeważnie nie przekraczają 2000... 3000 obr/min, choć nieraz się­gają 5000 obr/min. Pompy tłoczkowe dzielą się na pompy o napędzie ręcznym oraz pompy o napędzie mechanicznym, wśród których rozróżnia się z kolei pompy osiowe (cylindry rozmieszczone równoległe) oraz pompy promieniowe (cylindry rozmieszczone promieniowo w jednej lub kilku płaszczyznach równoległych do sie­bie i prostopadłych do osi obrotu wału głównego). Pompa tłoczkowa

o napędzie mechanicznym ze stałą prędkością obrotową może być zbudowana jako pompa

o stałej lub zmiennej wydajności. Regulowanie wydajności jest łatwe i polega na ręcznym lub samoczynnym zmienianiu położenia elementu napędzającego tłoki względem korpusu zawierającego cylindry pompy.

Pompy tłoczkowe osiowe.

              Tłoczkowa pompa osiowa o napędzie mechanicznym jest wykonana jako pompa

o ruchomym korpusie, w którym są umieszczone cylindry, lub jako pompa o korpusie nieruchomym. W pompie o korpusie ruchomym (rys.12) tłoki wykonują ruchy przestrzenne. Każdy tłok porusza się względem cylindra, który z kolei obraca się wraz

z korpusem dokoła osi „O-O”.

Rys. 12. Schemat tłoczkowej pompy osiowej.

Podczas przekręcania się wałka pędnego wraz z tarczą pędną o kąt 180°  i  jednocześnie przekręcania się korpusu zawierają­cego cylindry o taki sam kąt, tłok wykonuje pełny skok,

a cylinder jest połączony z komorą ssawną. Natomiast w czasie dalszego półobrotu wałka

i korpusu tłok wykonuje suw w kierunku przeciwnym i wytłacza zassaną uprzednio ciecz

z cy­lindra.

Tłoczkowa pompa osiowa (rys. 13) ma zwykle 5 do 9 cylindrów. Kąt pochylenia wałka pędnego y = 12 ... 15°.

Rys.13.Tłoczkowa pompa osiowa o korpusie obrotowym.

Zasadę działania tłokowej pompy o nieruchomym korpusie przedstawiono na      rysunku  14. Elementem obrotowym jest wał pędny, z osadzoną na mm skośnie tarczą pędną, ślizgającą się po zakończeniach tłoków. Skok tłoka zależy od po­chylenia tarczy pędnej.

Tłoki pompy osiowej poruszają się w cylindrach wykonanych w nieruchomym korpusie osadzonym w obudowie pompy (rys.15). Położenie pokrywy jest usta­lone za pomocą wkrętów i gwintowanego pierścienia.

Rys.14. Schemat tłoczkowej pompy osiowej o nieruchomym korpusie.

Rys.15. Tłoczkowa pompa osiowa o nieruchomym korpusie.

Między denkiem, a korpusem obraca się pierścieniowa tarcza rozrządcza, napędzana przez mimośrodowy trzpień na wale pędnym. Obracający się pierścień rozrządczy łączy kolejno (podczas suwów napełniania) cylindry z otworami dopływowymi połączonymi z króćcem zasi­lającym, a następnie (w czasie suwów tłoczenia) z otworami tłocznymi, połączonymi

z króćcem tłocznym. Na wale osadzona jest skośna tarcza pędna, łożysko kulkowe i pierścień pędny, wymuszający robocze suwy tłoków (suwy tłoczenia). Podczas suwów napełniania tłoki przemieszczają się jedynie wskutek naporu cieczy tłoczonej przez pompę wstępną,

np. prostą pompę zębatą, doprowadzającą do pompy tłokowej ciecz pod ciśnieniem

1,0 –1,5  MPa. Zastosowanie pompy wstępnej zapewnia dobre wypełnienie cylindrów pompy głównej, zapobiega kawitacji i zwiększa objętościowo sprawność pompy głównej. Często pompa wstępna jest wbudowana w kor­pus pompy głównej, tj. tworzy z nią całość konstrukcyjną. Wszystkie części wirujące pompy są smarowane przeciekami wypełniającymi całe wnętrze kadłuba.

Rys.16. Schemat działania pompy wielotłoczkowej osiowej o zmiennej wydajności.

A – z nastawnikiem ręcznym,  B – z nastawnikiem samoczynnym.

Na rysunku 16 jest przedstawiona pompa wielotłoczkowa o zmiennej wydajności. Zmianę wydajności w sposób ciągły uzyskuje się przez zmianę kąta wychylenia tarczy. Wychylenie tarczy może być: A – ręczne – ręcznym mechanizmem wychylenia;

B – samoczynne według krzywej stałej mocy.

Pompy tego typu charakteryzują się zwartą i zamkniętą budową. Pompowanie cieczy jest następstwem posuwisto-zwrotnych przemieszczeń tłoczków przez tarczę ślizgową obracającą się wraz z wirnikiem. Przekręcanie pokrętła zmienia kątowe pochylenie tarczy, a więc

i wydajność pompy. Zamiast nastawnika ręcznego może być wbudowany nastawnik samoczynny, zmuszający pompę do pracy wg charak­terystyki stałej mocy.

Pompę wielotłoczkową osiową o zmiennej wydajności przedstawiono na rysunku 17.

W tym przypadku nastawę wydajności uzyskuje się zmieniając kąt wychylenia osi wirnika napędowego w przedziale + 25o...