ДОЗИРУЮЩИЙ ШЕСТЕРЕННЫЙ НАСОС
METERING GEAR PUMP

Изобретение относится к машиностроению, в частности к дозирующим шестеренным насосам с внешним зацеплением, и может быть использовано для дозирования химически активных жидких сред, а также в прядильных машинах, формирующих химические волокна мокрым и сухо-мокрым способом.
Одной из главных причин ухудшения дозирующих характеристик шестеренных насосов, перекачивающих химически активные растворы, является быстрая изнашиваемость материалов их трибосопряжений, так как, в основном, эти насосы изготавливались для дозирования жидкостей, обладающих сравнительно невысокой агрессивностью к металлам. Изнашивание приводит к увеличению оптимальных зазоров между трущимися деталями, недопустимым перетокам жидкости из камеры всасывания в камеру нагнетания. В этом случае дозирующие характеристики насосов меняются, и они удаляются с машины.
Поэтому главной задачей повышения долговечности насосов-дозаторов для химически активных сред является снижение процессов коррозионно-механического и водородного изнашивания его деталей. Это достигается путем изготовления деталей насосов-дозаторов из химически стойких в этих средах материалов, не создающих макро- и гальванопары, являющиеся источниками электрохимического растворения металлов.
Известен шестеренный насос [Патент №2278300], корпус которого выполнен из самосмазывающегося композиционного материала с полиамидной матрицей, включающего (мас.%): пластичный смазочный материал на основе авиационного масла сернокислой очистки №158 - от 12 до 16, графит С-1 - от 6 до 10, лецитин - от 1 до 2 и полигексаметиленсебациамид - остальное [Патент №2241722]. Использование в качестве корпуса самосмазывающегося композиционного материала с фосфолипидом - лецитином, являющимся ингибитором коррозии металлов, позволило снизить процессы анодного растворения металла, из которого изготовлен приводной вал насоса, контактирующий с корпусом, что в свою очередь повысило его износостойкость и увеличило срок эксплуатации насоса. Однако при трении металлической поверхности промежуточной втулки, на которой находится ведущая шестерня по металлическим поверхностям верхней крышки и нижней опорной пластины, а также при трении металлической поверхности ведомой шестерни по металлической поверхности оси, на которой находится эта шестерня, возникали процессы коррозионно-механического изнашивания пар трения. В результате в этих зонах трения появлялись недопустимые зазоры, начинались перетоки жидкости, насос терял требуемые дозирующие характеристики и снимался с машины.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является шестеренный дозирующий насос [Патент №2307260]. Для предотвращения металлического контакта вала с поверхностью нижней и верхней пластин и контакта ведомой шестерни и ее оси на поверхность вала и оси наносилось антифрикционное покрытие, т.е. практически ликвидировались гальванопары на поверхностях «металлический вал - металлические пластины» и «металлическая шестерня - ось шестерни». Данная конструкция позволила уменьшить коррозионно-механическое изнашивание в этих трибосопряжениях. Однако технология нанесения и прецизионной обработки трехслойного покрытия представляла собой сложный и длительный процесс, что значительно снижало эффективность использования покрытия и удорожало себестоимость самого насоса. При этом в конструкции насосов как в аналоге, так и в прототипе, имеются пары трения «металлические шестерни - металлический статор» и «металлические шестерни - металлические пластины», наиболее активно подвергаемые коррозионно-механическому изнашиванию. Даже в случае, если эти детали насоса изготовлены из нержавеющего сплава одной марки, они обладают разным электродным потенциалом, что при контактировании в процессе трения приводит к образованию макрогальванопар и соответственно к процессам электрохимического растворения металлов в зависимости от того, что является анодом или катодом в трибосопряжении.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является уменьшение скорости изнашивания деталей насоса, представляющих пары трения «ведущая шестерня - статор», «ведомая шестерня - статор», «ведущая шестерня - нижняя и верхняя пластины», «ведомая шестерня - нижняя и верхняя пластины» и упрощение технологии изготовления насоса.
Техническим результатом является повышение долговечности срока эксплуатации дозирующего шестеренного насоса.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что изменены конструкция приводного вала насоса, а шестерни насоса изготовлены из композиционного материала с полиимидной матрицей с пластификатором - лецитином.
Дозирующий шестеренный насос, изображенный на чертеже, содержит корпус насоса 1, приводной вал 2, верхнюю пластину шестеренного механизма 3, статор шестеренного механизма 4, нижнюю пластину шестеренного механизма 5, ведущую шестерню 6, ведомую шестерню 7, ось ведомой шестерни 8, прижимную пластину 9, стяжные болты 10 с гайками 11, верхнюю и нижнюю втулки 12, канал входного отверстия 13, канал выходного отверстия 14.
Отличительными признаками от аналога и прототипа являются его следующие особенности.
1. Ведущая шестерня 6 и ведомая шестерня 7 насоса изготовлены из композиционного самосмазывающегося материала с полиимидной матрицей. Пластификатором в этом материале является фосфолипид - лецитин;
2. Из конструкции насоса удалено антифрикционное трехслойное покрытие, наносимое ранее на приводной вал 2 и ось 8;
3. Изменена конструкция приводного вала насоса. В местах, где имеется контакт вала 2 с верхней 3 и нижней 5 пластинами, установлены втулки 12 из самосмазывающейся композиции [Патент №2241722], являющиеся дополнительными опорами приводного вала 2.
Оптимальные зазоры в сопряжениях насоса составляют:
- диаметр внутренней поверхности статора - внешние диаметры шестерен 8…10 мкм.
- диаметр оси - внутренний диаметр ведомой шестерни 5…7 мкм
- диаметр приводного вала - внутренний диаметр ведущей шестерни 5…7 мкм.
Указанные диапазоны определены с учетом увеличения или уменьшения размеров деталей и соответственно зазоров с изменением температуры. Рассматриваемые дозирующие шестеренные насосы перекачивают и дозируют химически активные растворы в условиях производства химических нитей в течение 12 и более месяцев. В этот период времени температура насосов может меняться в пределах 10…15°С. Соответственно меняются и зазоры в насосе. Это происходит потому, что насосы контактируют с окружающим холодным или теплым воздухом в цеху, а также из-за того, что дозируемый раствор, проходя по трубопроводам, также охлаждается или нагревается. Путем математических, технологических расчетов и опытно-промышленных испытаний выяснено, что эксплуатация насосов с уменьшенным зазором между внутренней поверхностью статора и внешней поверхностью шестерни ниже, указанных выше пределов (7 мкм и менее), может приводить при повышении температуры к заклиниванию насоса в этом трибосопряжении. В то же время при увеличении зазора выше указанных пределов (11 мкм и более) резко изменяются производительность насоса и его дозировочные характеристики, которые должны оставаться постоянными в течение всего срока эксплуатации. Уменьшение зазора между внутренним диаметром ведомой шестерней и осью (4 мкм и менее) может приводить при повышении температуры к заклиниванию шестерни на оси. С увеличением этого зазора (8 мкм и более) также меняются дозировочные характеристики насоса по причине сдвига шестерни в сторону зацепления между шестернями и, соответственно, увеличения зазора между ведомой шестерней и статором. Уменьшение зазора между диаметром приводного вала и внутренним диаметром ведущей шестерни (4 мкм и менее) может приводить к заеданию (нарушению самоустановки шестерни в процессе эксплуатации насоса), так как шестерня должна иметь свободное перемещение вдоль оси вала. С увеличением этого зазора (8 мкм и более) также меняются дозировочные характеристики по причине сдвига шестерни в сторону зацепления между шестернями и, соответственно, увеличения зазора между ведущей шестерней и статором.
Производственные испытания подтвердили работоспособность дозирующих шестеренных насосов с указанными зазорами и их ненадежность в случае их изменения.
Насос работает следующим образом.
Вращение приводного вала 2 передается ведущей шестерне 6 и перекачиваемая жидкость подается по каналу 13 в корпусе 1 в область всасывания шестеренного механизма. Из области всасывания жидкость попадает в область нагнетания шестеренного механизма насоса в объемах, образованных впадинами зубьев ведущей шестерней 6 и ведомой шестерней 7 и статора 4. Из области нагнетания шестеренного механизма жидкость удаляется из насоса по каналу 14. Приводной вал 2 с закрепленными на нем втулками вращается в корпусе 1, являющемся одновременно самосмазывающимся подшипником для вала. Ведомая шестерня 7, изготовленная из самосмазывающегося материала, вращается на оси 8.
В процессе работы ведущей и ведомой шестерен при трении их по поверхности статора, оси и пластин, в результате разности внутренней и контактной температур, из шестерни выделяется в микрообъемах пластификатор - лецитин, который создает на контактирующих поверхностях статора, оси и поверхностях пластин постоянно восстанавливаемые пленки, препятствующие их коррозионно-механическому изнашиванию.
Результаты испытаний шестеренного дозирующего насоса с повышенным ресурсом работы на прядильных машинах ОАО "Каменскволокно" позволяют судить о высокой эффективности описанной конструкции. Срок эксплуатации шестеренного дозирующего насоса в сравнении со сроком эксплуатации известной конструкции увеличился в 2…3 раза. Отпала необходимость нанесения антифрикционных покрытий на валу и оси насоса.