ZASADA DZIAŁANIA I SYSTEMATYKA POMP.

1. Zasada działania pomp hydraulicznych.

Pompy hydrauliczne to jedne z najbardziej odpowiedzialnych elementów układów hydraulicznych. W obecnie stosowanych układach hydraulicznych stosowane są pompy wyporowe, które jednocześnie tłoczą i podwyższają ciśnienie cieczy roboczej.

Służą one do podnoszenia cieczy z poziomu niższego na poziom wyższy lub też do przetłaczania cieczy z przestrzeni o ciśnieniu niższym do przestrzeni o ciśnieniu wyższym. Jest to możliwe dzięki wytworzeniu różnicy ciśnień pomiędzy (Stroną ssącą i tłoczącą elementu (roboczego pompy tłoka, nurnika, wirnika itp.). W zależności od tego w jaki sposób zostanie wytworzona różnica ciśnień między stroną ssącą a stroną tłoczącą dzielimy pampy na: pampy o zasysaniu przerywanym, które nazywa się również pompami wyporowymi i pompy o zasysaniu ciągłym, które nazywa się pompami wirowymi.

Pompa wyporowa zamienia energię mechaniczną, dostarczoną do niej poprzez wał z silnika, na energię ciśnienia cieczy tłoczonej przez tą pompę. Obecnie produkowane i stosowane pompy hydrauliczne uzyskują bardzo wysokie ciśnienia. Jednocześnie mają one bardzo małe wymiary gabarytowe i małe masy.

Ważnymi parametrami pomp, na które należy zwrócić uwagę przy ich doborze, są:

• objętość robocza q,

• wydajność Q,

• ciśnienie p,

• prędkość obrotowa n,

• moment obrotowy M,

• moc P,

• współczynnik wydajności X,

• sprawność η,

• wysokość podnoszenia H.

Wysokość podnoszenia H_z pompy jest to suma wysokości ssania H_s i wysokości tłoczenia H_t. Używa się także określenia, że jest to geometryczna wysokość podnoszenia. Dla ścisłości zagadnienia należy dodać, że podaną wyżej wysokość podnoszenia (rys.1) należy powiększyć o oznaczoną na rysunkach wielkość m, która w pampach tłokowych jest różnicą wysokości położenia gniazd zaworów: tłocznego i ssawnego, lub różnicą poziomów zwierciadeł cieczy w powietrznikach, dla pomp odśrodkowych - różnicę poziomów odbioru ciśnienia ma wylocie i wlocie pompy. Wysokość podnoszenia pompy podaje się w metrach. Wydajnością pompy nazywamy ilość cieczy, która zostaje przetłoczona w jednostce czasu do przewodu tłocznego. Wydajność pompy określa się w m³/h lub w l/min.

Rysunek 1. Schemat układu pompy tłokowej zasysającej ciecz.

2. Systematyka pomp hydraulicznych.

1. pompy zębate

Proces tłoczenia w tych pompach jest bardziej skomplikowany niż w innych pompach. Trudność polega na określeniu modelu matematycznego objętości roboczej q_p.
Zakłada się zatem, że pompa na jeden obrót podaje ilość cieczy równą sumie objętości luk międzyzębnych, a objętości zębów i luk międzyzębnych są sobie równe. Takie założenia pozwalają w przybliżeniu obliczyć objętość roboczą i wydajność pompy według wzorów:

d_p - średnica podziałowa koła zębatego,
m - moduł koła zębatego,
b - szerokość koła zębatego.

Wydajność pompy Q_p jest iloczynem jej objętości roboczej q_p i prędkości obrotowej n_p. Gdy za średnicę podziałową podstawi się d_p=mz, gdzie z - ilość zębów koła to:

Doświadczalnie stwierdzono, że dla pomp o ilości zębów od 8 do 16 uzyskuje się wydajność zbliżoną do rzeczywistej jeżeli w powyższym wzorze zamiast współczynnika 2·π podstawi się 6,5.

Straty objętościowe w pompach zębatych:

W pompach zębatych występują trzy rodzaje szczelin, będących źródłem strat:

międzyzębna, w której przeciek jest najmniejszy, szczególnie przy starannym wykonaniu uzębienia, ponieważ wzajemny docisk zębów do siebie w czasie pracy pompy działa jak uszczelnienie.

obwodowa, która tworzy się między powierzchnią wytoczenia kadłuba, a zewnętrzna powierzchnią kół zębatych. Szacuje się, że ta szczelin daje około 30% przecieków.

czołowa, która jest największym źródłem przecieków, a wynika to z sumarycznego luzu osiowego.

• Pompy zębate o zazębieniu zewnętrznym.

Konwencjonalna pompa zębata o zazębieniu zewnętrznym zwykle zawiera dwa współpracujące ze sobą koła zębate, o identycznej średnicy i kształcie, umieszczone na wałkach. Te koła i wałki znajdują się w ściśle do nich dopasowanej komorze w obudowie, zamkniętej z jednej strony przez kadłub pompy, a z drugiej - przez pokrywę z łożyskami. Podczas obrotu kół zębatych płyn jest zamykany we wrębach między zębami kół i przetłaczany od wlotu do wylotu pompy, przepływając w sposób ciągły i prawie bez pulsacji. Ciecz zawarta w luzach między wierzchołkami zębów, a dnami luk międzyzębnych wraca na stronę ssawną pompy - jest to objętość martwa pompy.

Konstrukcja takiej pompy nie jest skomplikowana, przy tym ma ona małe gabaryty i sporą wydajność energetyczną. Ogromną zaletą takich pomp są doskonałe osiągi i niskie koszty eksploatacji.

• Pompy zębate o zazębieniu wewnętrznym.

Zasada działania pompy o zazębieniu wewnętrznym polega na współpracy koła zębatego o uzębieniu zewnętrznym z obracającym się wieńcem o uzębieniu wewnętrznym (rys.2b). Zęby koła wchodząc w luki międzyzębne wieńca wypierają z nich ciecz do przestrzeni tłocznej, a wychodząc z nich napełniają się cieczą z przestrzeni ssawnej. Przestrzenie tłoczna i ssawna oddzielone są od siebie stykiem uzębień koła i wieńca oraz sierpową wkładką. Współpracujące uzębienie charakteryzuje się wysokim stopniem pokrycia zębów. Dzięki temu pompa pracuje spokojniej, ma mniejsze straty napełniania, mniejsze straty ciśnienia, jest cicha oraz ma mniejsze pulsacje ciśnienia i wydajności.

• Pompy gerotorowe.

Są to pompy podobne do pomp o zazębieniu wewnętrznym, a różnią się tym że w pompach gerotorowych nie ma wkładki sierpowej, oddzielającej przestrzeń ssawną od tłocznej - rozdzielenie tych przestrzeni następuje przez bezpośredni styk wszystkich zębów.
Zarys zębów stosowanych w pompach gerotorowych jest cykloidalny, ponieważ pozwala on sprowadzić do jedności różnicę liczby zębów koła i wieńca. Taki zarys zębów daje bardzo małe pulsacje wydajności.

2. Pompy śrubowe

Pompy śrubowe są najczęściej budowane jako dwuśrubowe lub trójśrubowe. Dwuśrubowe są stosowane jako średnio- i niskociśnieniowe, a trójśrubowe jako wysokociśnieniowe.

• Pompy dwuśrubowe

Zasada działania tych pomp polega na tym, że zwoje śrub (pędzącej - lewozwojnej i napędzanej - prawozwojnej) przesuwają się nieustannie w jednym kierunku ze stała prędkością i pełnią rolę tłoków. Warunkiem niezbędnym do pracy tych pomp jest, aby długość śrub L była większa od skoku linii śrubowej s. Zwykle konstruuje się pompy o L_min = 1,1 ÷ 1,3 s. Następnym ważnym warunkiem jest, aby linia styku obu śrub na całej długości gwintu była szczelna. Przyrost ciśnienia jaki można uzyskać z jednego zwoju śrub jest na poziomie 3 MPa, dlatego pompy śrubowe mają śruby o długościach przekraczających kilkakrotnie jeden skok linii śrubowej. Pompy o małej objętości roboczej (ok. 2 cm³ / obrót) mogą osiągać prędkości do 30 000 obrotów w ciągu minuty. Pompy o dużej objętości roboczej (ok. 10 000 cm³ / obrót) mogą osiągać prędkości do 1000 obrotów w ciągu minuty.

• Pompy trójśrubowe

Pompa trójśrubowa składa się z centralnej śruby dwuzwojnej, która jest śrubą pędzącą - współpracującą z dwoma śrubami pędzonymi. Cykloidalny profil gwintów dobrany jest tak, że śruby pędzone przenoszą tylko znikome obciążenia i spełniają głównie rolę elementów uszczelniających. Wskutek jednokierunkowego wzrostu ciśnienia w pompach tych powstają znaczne siły osiowe, działające na śruby. Aby zmniejszyć oddziaływanie tych sił, stosuje się hydrostatyczne obciążenie osiowe śrub zakończonych powierzchniami walcowymi - tłokami o odpowiednio dobranej powierzchni.

Zależności wymiarowe w pompach śrubowych.

Ujednolicony sposób wymiarowania pomp został wprowadzony w celu umożliwienia typizacji i normalizacji tych urządzeń. Podstawową zależnością jest stosunek średnicy zewnętrznej śrub pędzonych d_h i średnicy rdzenia śruby pędzącej D_p, który wynosi 1, czyli:

Stosunek średnicy zewnętrznej D_h do średnicy rdzenia D_p śruby pędzącej wynosi:

Stosunek średnicy rdzenia d_p do średnicy zewnętrznej d_h śruby pędzonej wynosi:

Skok śruby przyjmuje się:

Zachowanie takich wymiarów gwarantuje odpowiednie własności wytrzymałościowe, możliwości napędu z dużymi prędkościami obrotowymi oraz uzyskanie dużej wydajności tych pomp.

Dla takich wymiarów objętość robocza pompy trójśrubowej oblicza się ze wzoru:

a wydajność z zależności:

Wady i zalety pomp śrubowych.

Do zalet pomp śrubowych zlicza się:

• praktycznie bez pulsacyjna wydajność,

• małą hałaśliwość,

• możliwość osiągania dużych prędkości obrotowych, co umożliwia uzyskanie znacznych wydajności energetycznych,

• dużą trwałość i małą wrażliwość na zanieczyszczenia cieczy.

Do wad pomp śrubowych zalicza się:

• niską sprawność całkowitą (od 0,7 do 0,85),

• trudna i kosztowna technologia wykonania.

1. Pompy łopatkowe.

Elementami wypierającymi ciecz, w tych maszynach, są łopatki płaskie umieszczone w promieniowych wycięciach wirnika, a komory robocze tworzone są poprzez dwie sąsiednie łopatki, powierzchnię wirnika i korpus pompy.

Wydajność pomp łopatkowych pojedyńczego działania oblicza się z zalezności:

gdzie:

b - szerokość łopatki,

e_max - maksymalna mimośrodowość wirnika względem bieżni,

X_p - współczynnik wydajności pompy,

n_p - prędkość obrotowa pompy,

D - średnica bieżni korpusu,

s - grubość łopatki,

z - liczba łopatek,

k - współczynnik poprawkowy, zależny od ilości łopatek:

z

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

k

0,900

0,935

0,955

0,967

0,974

0,980

0,984

0,986

0,989

0,990

0,992

0,993

0,994

• Pompy łopatkowe pojedyńczego działania

Pompy tego typu mają ułożyskowany mimiśrodowo wirnik względem korpusu o kołowej bieżni. W ten sposób, przy odpowiednio szczelnym pasowaniu łopatek, przestrzeń robocza wraz z obrotem wirnika zmienia swoją objętość. W pewnej części pompy, objętość ta zwiększa się i zasysa ciecz z przestrzeni ssawnej, w innej zaś zmniejsza się i wypycha ciecz do przestrzeni tłocznej. Warunkiem poprawnego działania takiej pompy jest zachowanie szczelności między przestrzenią ssawną i tłoczną. Uzyskuje się to poprzez styk łopatek z bieżnią na całym jej obwodzie. Wydajność pomp łopatkowych pojedyńczego działania zależy od mimośrodowości ustawienia wirnika względem bieżni korpusu. Jest ona maksymalna przy największej wartości mimośrodowości i równa zeru przy braku mimośrodowości.

• Pompy łopatkowe podwójnego działania.

Różnica pomiędzy pompami pojedyńczego i pompami podwójnego działania polega na kształcie bieżni. W pierwszych bieżnia jest okrągła, a w drugich jest owalna. W wyniku tego kompory robocze podczas jednego obrotu wirnika dwukrotnie zmniejszają i dwukrotnie zwiększają swoją objętość. Pompa taka ma więc dwie przestrzenie ssawne i dwie przestrzenie tłoczne. Przecięcia w wirniku, w których umieszczone są łopatki, wykonywane są zwykle pod pewnym kątem do promienia w taki sposób, że łopatki są pochylone w kierunku ruchu (zmniejsza to siły reakcji zginających łopatki). Inną konstrukcją pompy podwójnego działania, jest pompa, w której łopatki umieszczone są w promieniowych przecięciach nieruchomej cylindrycznej bieżni korpusu. Wirnik tej pompy wykonany jest jako obrotowa krzywka, która przylega szczelnie do bieżni dwoma leżącymi na przeciw siebie odcinkami.

1. Pompy promieniowe.

Pompy wielotłoczkowe promieniowe są maszynami wyporowymi, w których osie tłoczków są prostopadłe do osi obrotu wirnika. Tłoki i cylindry są ustawione w układzie gwiaździstym i jest ich zwykle nieparzysta ilość w celu minimalizacji pulsacji wydajności i ciśnienia.

Średnią objętość roboczą pomp wielotłoczkowych promieniowych oblicza się z zależności:

Skok tłoczka jest równy podwójnej wartości nastawionej mimośrodowości bloku cylindrowego względem bieżni: h=2e, a współczynnik wydajności pompy odnoszący się do jej nastawy X_p=e/e_max. Po wprowadzeniu tych zależności do wzoru, otrzymuje się:

a średnia wydajność tych pomp:

gdzie n_p jest prędkością obrotową wału pompy.

• Pompy z zewnętrznym podparciem tłoczków.

Głównymi elementami tego rodzaju pomp są:

• blok cylindrowy, który obraca się na nieruchomym czopie rozrządczym,

• tłoczki - podparte z zewnątrz bieżnią o przekroju kołowym, ustawionej mimośrodowo względem wirnika.

W pompach tych, podobnie jak w pompach łopatkowych, warunkiem poprawnej pracy jest nieprzerwany styk tłoczków z bieżnią. Odpowiednia siła odśrodkowa powstaje tyklo przy dużych prędkościach obrotowych (powyżej 2000 obrotów w ciągu minuty - dla mniejszych typoszeregów). Dlatego częściej stosuje się ich docisk za pomocą sprężyny lub ciśnienia oleju.

• Pompy z wewnętrznym podparciem tłoczków.

Głównymi elementami tego rodzaju pomp są:

• nieruchomy blok cylindrowy, sprzężony z korpusem,

• tłoczki opierające się o wykorbienie wału pompy.

W pompach tych stosuje się rozrząd zaworowy (każdy cylinder jest wyposażony w dwa zawory: tłoczny i ssawny). Pompy zaworowe nie są odwracalne - czyli nie mogą pracować jako silniki hydrauliczne. Do zalet tych pomp należą m.in.: możliwość uzyskania wysokich ciśnień oraz duża trwałość. Jednak mają też wadę - nie można sterować ich wydajnością.

1. Pompy osiowe.

W pompach wielotłoczkowych osiowych, tłoczki ułożone są równolegle do osi bloku cylindrowego. Ich liczba wynosi najczęściej 7 lub 9.

Średnią objętość roboczą pomp wielotłoczkowych promieniowych oblicza się z zależności:

średnia wydajność tych pomp wynosi:

gdzie n_p jest prędkością obrotową wału pompy.

Średnią objętość roboczą pompy z wychylną tarczą oblicza się z tej samej zależności co dla pomp z wychylnym wirnikiem. Różnica występuje natomiast w skoku tłoczka, który w tym przypadku wynosi: h=D·tgφ, gdzie D to średnica koła na której znajdują się osie cylindrów, a φ to kąt wychylenia tarczy oporowej.

Ostatecznie otrzymuje się zależność na średnią objętość roboczą pompy:

co po pomnożeniu przez prędkość obrotową wału pompy (n_p) daje średnią wydajność pompy wielotłoczkowej osiowej z wychylną tarczą:

• Pompy osiowe z wychylonym wirnikiem.

W pompach tych wał jest zakończony kołnierzem, w którego czołowej powierzchni są osadzone kuliste przeguby korbowodów. Korbowody te są połączone przegubowo drugim końcem z tłoczkami, a tłoczki współpracują z cylindrycznymi otworami w bloku cylindrowym. Skok tłoczków, a stąd i wydajność pompy są zależne od kąta pochylenia osi bloku cylindrowego wobec osi wału.

• Pompy osiowe z wychyloną tarczą.

Z kolei w tym typie pomp, blok cylindrowy jest osadzony na wale pompy i obraca się wraz z nim. Tłoczki są osadzone suwliwie w otworach cylindrowych bloku i zakończone przegubami kulistymi, osadzonymi w stopkach hydrostatycznych. Stopki opierają się na płaskiej powierzchni tarczy oporowej, która może być wychylana o określony kąt od położenia prostopadłego do osi pompy. Tarcza ta nie obraca się i dlatego przy ruchu obrotowym bloku cylindrowego uzyskuje się posuwisto-zwrotne ruchy tłoczków.

Skok tłoczków, a stąd i wydajność pompy są zależne od kąta pochylenia osi tarczy oporowej wobec osi wału pompy.

Bibliografia:

1. Osiecki A., Hydrostatyczny napęd maszyn, Warszawa 1998, "Wydawnictwa Naukowo - Techniczne",

2. Sell L., Maszynoznawstwo ogólne i części maszyn w pytaniach i odpowiedziach, Warszawa 1973, „Wydawnictwa Naukowo - Techniczne”,

3. Internet.

Szukasz gotowej pracy ?

To pewna droga do poważnych kłopotów.

Plagiat jest przestępstwem !

Nie ryzykuj ! Nie warto !

Powierz swoje sprawy profesjonalistom.

---