ШЕСТЕРЕННЫЙ НАСОС

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к конструкции и производству шестеренных насосов, предназначенных для нагнетания рабочей жидкости в гидросистемы автомобилей, тракторов, сельскохозяйственной, дорожно-строительной и другой транспортной техники, для перекачивания нефтепродуктов и других неагрессивных жидкостей, а также к конструкции и производству шестеренных насосов, работающих в составе маслосистем различных газоперекачивающих агрегатов.
Из уровня техники известен шестеренный насос, содержащий крышку и корпус с параллельными расточками, в которых установлены ведущая и ведомая шестерни, подшипники, выполненные цилиндрическими двух диаметров, и компенсаторы торцевого уплотнения венцов шестерен с манжетами, при этом поверхность торца цилиндра меньшего диаметра подшипника выполнена сферической и контактирующей с ответной сферической поверхностью, выполненной в дне корпуса и/или в крышке, или цилиндр меньшего диаметра расположен с зазором в упорной втулке, установленной в расточке корпуса, а поверхность перехода подшипника от меньшего диаметра к большему диаметру выполнена сферической и контактирующей с ответной сферической поверхностью, выполненной на торце упорной втулки (RU 2380573 С2, МПК: F04C 2/08 от 27.01.2010).
Недостатком данного решения является высокий фрикционный износ компенсаторов.
Наиболее близким к заявленной полезной модели является шестеренный насос (RU 203418 U1, МПК: F04C 2/08, F04C 15/00 от 05.04.2021), содержащий крышку с двумя параллельными расточками, корпус с двумя параллельными расточками и центральной расточкой, ведомую и ведущую шестерни, компенсаторы с манжетами и подшипники с отверстиями, ведомая и ведущая шестерни состоят из зубчатого венца и двух цапф, кроме того, ведущая шестерня имеет еще приводной шлицевой конец, подшипники размещены в параллельных расточках крышки и корпуса, а внутри их отверстий расположены цапфы шестерен при этом по всей длине каждой цапфы шестерен организованы продольные пазы, равномерно расположенные друг относительно друга и состоящие из дна, боковых стенок, параллельных между собой и перпендикулярных к дну, нижних и верхних радиусных скруглений, при этом нижние радиусные скругления соединяют дно каждого продольного паза с его боковыми стенками, а верхние радиусные скругления соединяют боковые стенки каждого продольного паза с наружной поверхностью цапф шестерен, кроме того, насос дополнительно снабжен корпусом из антифрикционного материала, имеющим два сквозных параллельных отверстия, внутри которых размещены компенсаторы с манжетами и зубчатые венцы шестерен, причем сам корпус из антифрикционного материала установлен в центральной расточке корпуса насоса.
Недостатком известного решения является высокий фрикционный износ компенсаторов, особенно в условиях трения со смазкой, что снижает срок службы компенсаторов и продолжительности работы насосов.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в повышения эксплуатационной надежности шестеренного насоса за счет повышения износостойкости высокоскоростных узлов трения.
Технический результат достигается тем, что шестеренный насос содержит корпус, крышки, соединенные с корпусом посредством винтового соединения, при этом корпус выполнен с отверстиями подвода и отвода рабочей жидкости и внутренними параллельными расточками, в которых установлены ведущая и ведомая шестерни, размещенные в корпусе компенсаторы торцевого уплотнения венцов шестерен с установленными в них манжетами, и подшипники скольжения с размещенными в них цапфами шестерен, при этом компенсаторы выполнены из низколегированного сплава меди с железом с содержанием железа (2,6…2,85)%.
На представленных чертежах изображены
фиг. 1 - конструкция шестеренного насоса;
фиг. 2 - компенсатор торцевого уплотнения.
Позиции на чертежах
1 - корпус,
2 - крышка передняя,
3 - подшипники скольжения,
4 - шестерня ведущая,
5 - шестерня ведомая,
6 - цапфа ведущей шестерни,
7 - цапфа ведомой шестерни,
8 - компенсаторы,
9 - манжеты резиновые,
10 - крышка задняя,
11 - отверстие подвода рабочей жидкости.
Шестеренный насос - объемная роторная гидромашина, главный компонент гидравлических систем самоходных машин. Шестеренные насосы применяются для перекачки нефтепродуктов, в системах объемного гидропривода сельскохозяйственной, строительной и авиационной техники, в системах смазки двигателей.
В современных машинах и механизмах наиболее распространена конструкция насосов с внешним зацеплением, где две шестерни закреплены напротив друг друга, при этом одна шестерня является ведущей и приводит в движение вторую шестерню, вращаясь, они перемещают жидкость, находящуюся между зубьями, из зоны всасывания в зону нагнетания. Далее рассматривается только конструкция шестеренных насосов внешнего зацепления.
Шестеренные насосы НШ в системах объемного гидропривода работают при рабочем давлении (16…25) МПа и частоте вращения (2400…3000) об/мин. Шестеренные насосы, используемые в системах смазки различных двигателей, обычно работают при невысоких давлениях (до 5 МПа), но частота вращения, например в системах смазки газотурбинных двигателей, может достигать (3500…5000) об/мин. Для данных насосов применяются повышенные требования к надежности и долговечности. Высоконагруженные шестеренные насосы отличаются высоким номинальным давлением нагнетания (до (25…30) МПа).
Надежность шестеренного насоса - это стабильность технических характеристик при номинальных и максимальных нагрузках: коэффициента объемной подачи, давления нагнетания и температуры корпуса насоса при работе на всех типах гидравлических жидкостей на протяжении заданного ресурса. Надежность является многофакторным суммирующим показателем, где одним из главных составляющих являются антифрикционные свойства компенсаторов торцевого уплотнения и подшипников скольжения шестерен.
Заявленный шестеренный насос работает следующим образом.
При подаче вращающего момента на рабочий вал рабочая жидкость захватывается зубьями ведущей 4 и ведомой 5 шестерен и переносится от отверстия входа (полость низкого давления) в сторону отверстия нагнетания (полость высокого давления), где при вхождении зубьев шестерен в зацепление рабочая жидкость под давлением выдавливается из межзубного пространства. Одновременно рабочая жидкость высокого давления поступает в подманжетные полости торцовых компенсаторов 8 и прижимает их к торцовым поверхностям ведущей 4 и ведомой 5 шестерен, обеспечивая, таким образом, герметизацию перекачиваемого объема рабочей жидкости.
Компенсатор является одной из важнейших частей шестеренного насоса, определяющих технический уровень насоса. Компенсатор имеет форму «восьмерки» (фиг. 2) с двумя центральными отверстиями, в которых размещаются цапфы шестерен, и, кроме того, может содержать на рабочей плоской поверхности канавки для разгрузки защемленного объема, а на противоположной поверхности - выборку для установки уплотнительной резиновой манжеты, к которой подводится рабочая жидкость под давлением нагнетания.
Компенсатор контактирует своей рабочей поверхностью с вращающимся торцом зубчатого венца стальных шестерен, а его боковые поверхности прижимаются к стенке внутренней расточки корпуса насоса.
В конструкции шестеренных насосов используются два компенсатора. Задача компенсаторов - герметизация перекачиваемой жидкости в межзубных впадинах. В процессе работы прижим компенсаторов к венцам шестерен (и компенсация износа компенсаторов в определенном диапазоне) обеспечивается давлением рабочей жидкости, подведенной в полости резиновых манжет. После того как износ компенсаторов превысит определенную величину появляются утечки между ними и торцевыми поверхностями венцов шестерен, что приводит к снижению технических характеристик и постепенному выходу насоса из строя: эффект дросселирования рабочей жидкости приводит к чрезмерному нагреву насоса, снижению коэффициента подачи и давления нагнетания.
Материалы для деталей «Компенсатор» выбираются исходя из условий работы шестеренного насоса. Для шестеренных насосов низкого давления (до 16 МПа), используемых, в том числе, для перекачки нефтепродуктов (НМШ - насос масляный шестеренный по ГОСТ 19027-89), материалом компенсаторов служат различные алюминиевые сплавы. Такие компенсаторы традиционно изготавливают методом кокильного литья.
Для насосов высокого давления, установленных в системах гидрообъемного привода, с рабочим давлением (20…25) МПа компенсаторы часто изготавливают из алюминиевой бронзы БрА9Ж4.
-1
Алюминиевая бронза БрА9Ж4 имеет высокие механические, антикоррозийные и антифрикционные свойства. Вместе с тем, алюминиевая бронза БрА9Ж4 имеет достаточно высокий коэффициент трения скольжения: 0,04…0,07 - в условиях трения со смазкой и 0,18…0,45 - в условиях сухого трения для пары трения бронза-сталь, что приводит к выходу из строя компенсаторов, особенно при достаточно высоких скоростях скольжения более 120 м/с и удельном давлении более 2,5 МПа. Для высоконагруженных насосов при скоростях скольжения более 3600 мин интенсивность изнашивания бронз БрА9Ж4, резко возрастает. Износ трущихся поверхностей скользящих элементов при высокоскоростном трении обусловлен потерей механических свойств, большой адгезией и переносом нагретых и оплавляемых тонких поверхностных слоев на контртело, из стали типа ШХ15ГС, что не может обеспечить долговечность работы насосов четвертого и пятого исполнения по ОСТ 23.1.92-88: более 14000 моточасов.
Повышение износостойкости высокоскоростных узлов трения обычно связано с необходимостью выбора конструкционных материалов трущихся пар. В этом случае чаще всего речь идет о выборе материала для одного из трущихся тел, так как материал контртела может быть заранее заданным (ШХ15ГС или 100Cr6). Материалами для скользящих по ним тел выбирают исходя из того, чтобы они обеспечивали низкий коэффициент трения, прогнозируемый износ, сохранение заданных прочности и термостойкости при износе, а также обладали необходимой технологичностью изготовления и были недефицитными.
В настоящее время существенные перспективы для современного машиностроения, в том числе для изготовления компенсаторов для высоконагруженных насосов, представляется применения низколегированных сплавов на системы медь-железо.
Прочностные свойства низколегированного сплава меди с железом, состава: Cu-2,65% Fe, особенно после термообработки: закалка 1030°С, с последующим старением при температуре 400…500°С в течение 1-2 часов не уступают по механическим свойствам алюминиевой бронзе БрА9Ж4.
Рабочая поверхность компенсатора подвержена фрикционному износу, которое может быть сухим, но чаще всего со смазкой, в течение всего периода эксплуатации гидромашины. Триботехнические испытания имитируют износ компенсатора по толщине.
Триботехническая работоспособность сопряжений сплава Cu - 2,65% Fe проверялась в условиях сравнительных лабораторных стендовых испытаний, которая предусматривает комплексные антифрикционные испытания сопряжений скольжения на прирабатываемость и на износостойкость.
Испытания на трибометре проводились по схеме «круговое движение» с исследуемым образцом в виде диска, по которому перемещается (скользит) контртело в виде шарика.
Коэффициент трения образца из сплава Cu - 2,65% Fe, при учете использования смазочного материала в среднем составляет 0,047, и в среднем 0,099 в условиях сухого трения. Что указывает на более низкий коэффициент трения между образцом и диском для сплава Cu - 2,65% Fe по сравнению с алюминиевой бронзой БрА9Ж4, особенно в условиях сухого трения. Расчеты интенсивности износа образцов по профилограммам сплава Cu - 2,65% Fe составил 1,8 мКм для трения со смазкой и 28 мКм для сухого трения, что значительно ниже, чем у бронзы БрА9Ж4 (5,7 мКм и 31,5 мКм соответственно).
Поэтому можно констатировать, что применение сплава Cu - 2,65% Fe, значительно снижает фрикционный износ компенсаторов, особенно в условиях трения со смазкой, что позволяет повысить износостойкость высокоскоростных узлов трения прогнозировать и увеличить срок службы компенсаторов и продолжительности работы насосов не менее чем на (25…30)%. Анализ химического состава образцов и контробразцов показал, что в отличие от алюминиевой бронзы БрА9Ж4, подверженных адгезионному износу, образцы из низколегированного сплава Cu - 2,65% Fe подвергаются усталостному износу, что также указывает на более высокие антифрикционные свойства сплава меди с железом.