Гидронасос: устройство, виды и принцип работы
Как устроен гидронасос спецтехники, какие бывают виды: шестеренные, пластинчатые, аксиально-поршневые. Принцип работы, характеристики, неисправности и выбор.
Что такое гидронасос и зачем он нужен в гидросистеме
Гидронасос - узел, который превращает механическую энергию вращения вала двигателя в энергию потока рабочей жидкости. Он забирает масло из гидробака и нагнетает его в систему под давлением. Сам по себе насос давление не создает, он создает поток. Давление появляется дальше, там, где этот поток встречает сопротивление: на входе в гидроцилиндр, гидромотор или гидрораспределитель.
Без насоса гидравлическая система спецтехники - это просто набор труб, шлангов и цилиндров без движения. Насос запускает циркуляцию масла и дает энергию для подъема стрелы экскаватора, поворота ковша погрузчика или работы отвала бульдозера. Как связаны между собой все узлы контура, подробно разобрано в материале про Гидравлическая система спецтехники: как устроена и работает.
Приводится гидронасос чаще всего от коленвала двигателя через раздаточную коробку отбора мощности (КОМ) или напрямую через муфту. На части техники стоит сразу несколько насосов: например, один основной высокого давления и один вспомогательный для рулевого управления или вентилятора охлаждения.
Принцип работы: как насос создает давление в системе
Работа любого гидронасоса построена на одном принципе - вытеснении. Внутри насоса есть рабочие камеры переменного объема. Когда вал вращается, камера на стороне всасывания увеличивается, давление в ней падает, и масло из бака заполняет эту камеру. Дальше камера перемещается к стороне нагнетания, ее объем уменьшается, и масло выталкивается в напорную магистраль.
Этот цикл повторяется многократно за один оборот вала: у шестеренного насоса столько раз, сколько зубьев в зацеплении, у поршневого - по числу поршней. Чем выше частота вращения вала, тем больше циклов в единицу времени и тем больше подача насоса.
Давление в системе определяет не насос, а нагрузка на выходе. Если поток ничем не перекрыт, давление остается минимальным, достаточным только для преодоления трения в магистралях. Как только на пути потока встает сопротивление, например груз на стреле крана, давление растет, пока не уравновесит эту нагрузку. Предохранительный клапан ограничивает верхний предел, чтобы не порвало шланги и не сломало сам насос.
Устройство гидронасоса: основные узлы и детали
У большинства гидронасосов, при всей разнице в конструкции, есть общий набор элементов.
Вал насоса принимает крутящий момент от двигателя и передает вращение на рабочий орган: шестерни, пластины или блок цилиндров. На конце вала обычно стоит шлицевое или шпоночное соединение под муфту.
Рабочий орган - основная деталь, которая непосредственно перемещает жидкость. В шестеренном насосе это пара шестерен, в пластинчатом - ротор с подвижными пластинами, в аксиально-поршневом - блок цилиндров с поршнями и наклонный диск (наклонная шайба).
Корпус, или статор, заключает в себе рабочий орган, формирует полости всасывания и нагнетания и имеет присоединительные каналы под патрубки.
Распределитель в поршневых насосах - торцевая деталь с двумя серповидными окнами, которая разделяет полости всасывания и нагнетания и синхронизирует подачу масла по мере вращения блока цилиндров.
Уплотнения вала, или сальники, предотвращают утечку масла в месте выхода вала из корпуса наружу. Это одно из самых уязвимых мест насоса: именно здесь чаще всего появляются течи.
Подшипники удерживают вал и воспринимают радиальные и осевые нагрузки, которые в поршневых насосах бывают довольно значительными.
Виды гидронасосов: шестеренные, пластинчатые, аксиально-поршневые, радиально-поршневые
Шестеренные насосы - самая простая и дешевая конструкция. Две шестерни находятся в зацеплении внутри плотно подогнанного корпуса. При вращении зубья на стороне всасывания расходятся, освобождая пространство для масла, а на стороне нагнетания масло выдавливается зубьями в напорный канал. Такие насосы работают при давлении примерно до 200-250 бар, недороги в производстве и ремонте, но уступают в КПД и шумят сильнее поршневых аналогов. Их часто ставят на минитракторы, небольшие погрузчики, вспомогательные контуры крупной техники.
Пластинчатые насосы - ротор с радиальными пазами вращается внутри овального статора или круглого статора со смещенным центром. В пазах свободно ходят пластины, которые под действием центробежной силы и давления прижимаются к внутренней поверхности статора, образуя рабочие камеры переменного объема. Пластинчатые насосы работают тише шестеренных, держат давление до 175-210 бар и дают более равномерную подачу. Их применяют там, где важна плавность работы, например в рулевых механизмах.
Аксиально-поршневые насосы - самый распространенный тип на тяжелой спецтехнике: экскаваторах, фронтальных погрузчиках, автокранах, бульдозерах. Блок цилиндров с поршнями вращается вокруг оси, параллельной валу насоса, а поршни при этом совершают возвратно-поступательное движение из-за наклонного диска. Угол наклона диска определяет ход поршня, а значит и рабочий объем насоса. Такие насосы выдерживают давление 350-450 бар и выше, имеют самый высокий КПД среди объемных насосов, обычно 90-95%, но стоят и ремонтируются заметно дороже шестеренных.
Радиально-поршневые насосы - поршни расположены радиально вокруг вала и приводятся в движение эксцентриком или статором с эксцентричным расположением ротора. Такая схема держит еще более высокое давление, до 700 бар и выше, но конструкция сложнее и габаритнее аксиально-поршневой. Радиально-поршневые насосы применяют там, где нужны экстремальные давления при относительно небольшой подаче: в прессовом оборудовании, буровых установках, отдельных узлах тяжелой техники.
Регулируемые и нерегулируемые насосы: в чем разница
Нерегулируемый насос имеет фиксированный рабочий объем: за каждый оборот вала он подает одно и то же количество масла независимо от нагрузки в системе. Это самая простая и дешевая схема, но не экономичная. Если система в данный момент не потребляет весь поток, лишнее масло сбрасывается через предохранительный клапан обратно в бак, а энергия на его прокачку все равно тратится и уходит в тепло.
Регулируемый насос меняет свой рабочий объем на ходу. У аксиально-поршневого насоса это делается изменением угла наклона диска: чем меньше угол, тем короче ход поршня и меньше подача за оборот. Управление углом наклона бывает механическим, гидравлическим или электронным, с обратной связью по давлению или по нагрузке (система load sensing).
На практике это означает, что регулируемый насос подает ровно столько масла, сколько нужно исполнительным механизмам в данный момент, а не постоянный максимум. Это снижает расход топлива двигателем, уменьшает нагрев рабочей жидкости и продлевает срок службы насоса и всей гидросистемы. Как поток распределяется между несколькими потребителями и как насос связан с гидромоторами, разобрано в материале про Гидропривод и гидромотор: принцип работы.
Ключевые характеристики: рабочий объем, подача, давление, КПД
При подборе и сравнении насосов смотрят на несколько параметров.
Рабочий объем (см3/об) - количество жидкости, которое насос перемещает за один полный оборот вала. Это геометрическая характеристика конструкции, которая напрямую зависит от размеров рабочих камер.
Подача (л/мин) - фактический объем жидкости, который насос перекачивает в единицу времени. Считается как произведение рабочего объема на частоту вращения вала с поправкой на объемный КПД: часть жидкости всегда просачивается через зазоры внутри насоса, не выполняя полезной работы.
Номинальное и максимальное давление (бар или МПа) - рабочее давление, на которое рассчитан насос при длительной эксплуатации, и пиковое давление, которое он способен кратковременно выдержать без разрушения.
КПД, общий и объемный, - отношение полезной гидравлической мощности на выходе к механической мощности, подводимой к валу. У шестеренных насосов общий КПД обычно 80-85%, у пластинчатых - 85-88%, у аксиально-поршневых - 90-95%.
Частота вращения вала (об/мин) - диапазон оборотов, в котором насос сохраняет заявленные характеристики. Слишком низкие обороты приводят к неполному заполнению камер и кавитации, слишком высокие - к повышенному износу и шуму.
Где применяется гидронасос на спецтехнике
Гидронасосы стоят практически на любой технике с гидроприводом. На экскаваторах и экскаваторах-погрузчиках основные аксиально-поршневые насосы питают гидроцилиндры стрелы, рукояти и ковша, а также гидромоторы хода и поворота платформы. На фронтальных погрузчиках насос обеспечивает подъем и наклон ковша и рулевое управление через отдельный контур. На автокранах и манипуляторах насос питает механизмы подъема стрелы, выдвижения секций и вращения поворотной платформы.
На минитракторах и коммунальной технике чаще применяют более простые шестеренные насосы для навесного оборудования: фронтальных погрузчиков, снегоуборочных отвалов, косилок. На бульдозерах насос отвечает за подъем и перекос отвала, а на некоторых моделях еще и за гидростатическую трансмиссию хода.
Признаки неисправности и износа гидронасоса
Приближающуюся поломку или уже развившуюся неисправность насоса выдают несколько характерных признаков.
Посторонний шум - вой, свист или дребезжание при работе насоса чаще всего говорит о кавитации (недостаточном заполнении камер маслом из-за подсоса воздуха или низкого уровня жидкости в баке) либо об износе подшипников.
Падение производительности - гидроцилиндры двигаются медленнее обычного, стрела или отвал теряют усилие под нагрузкой. Причина обычно во внутренних утечках через изношенные зазоры между деталями насоса: часть потока перетекает обратно из зоны нагнетания в зону всасывания, минуя полезную работу.
Перегрев рабочей жидкости - если масло в баке нагревается выше нормы, обычно это 60-80 градусов в зависимости от техники, причиной может быть повышенная внутренняя утечка в насосе, которая превращается в тепло.
Течи по валу - подтекание масла в месте выхода вала из корпуса указывает на износ или повреждение сальника. Небольшая течь со временем перерастает в серьезную потерю жидкости и падение давления.
Скачки или проседание давления - нестабильные показания манометра в напорной магистрали часто говорят о выходе из строя клапанов, износе распределителя или подсосе воздуха на всасывающей линии.
Как выбрать гидронасос для замены
При подборе насоса на замену важно точно повторить или обоснованно изменить ключевые параметры оригинала.
Рабочий объем должен соответствовать паспортному значению или быть максимально близким к нему: от этого напрямую зависит скорость движения исполнительных механизмов. Направление вращения вала (по часовой стрелке или против) нужно проверять обязательно - установка насоса с обратным направлением вращения выводит его из строя почти сразу.
Присоединительный фланец и шлицевое соединение вала должны совпадать по стандарту (SAE, ISO или другой), иначе насос физически не встанет на место или не состыкуется с приводом. Номинальное давление нового насоса должно быть не ниже давления настройки предохранительного клапана системы, а лучше с запасом.
Стоит заранее решить, нужен ли регулируемый насос взамен регулируемого или систему можно упростить нерегулируемым аналогом. Такая замена меняет логику работы всей гидросистемы и обычно требует консультации со специалистом или дилером техники. У дешевых неоригинальных насосов сомнительного происхождения часто занижен ресурс и хуже обработка поверхностей, из-за чего они изнашиваются быстрее.
Правила эксплуатации и обслуживания насоса
Использовать масло рекомендованной вязкости и класса чистоты. Загрязненное или неподходящее по вязкости масло - главная причина преждевременного износа рабочих поверхностей насоса.
Следить за уровнем масла в гидробаке. Низкий уровень провоцирует кавитацию: воздух попадает в насос вместе с жидкостью, и пузырьки, схлопываясь под давлением, разрушают металл рабочих поверхностей.
Менять фильтры по регламенту. Забитый фильтр либо снижает подачу масла к насосу, если стоит на всасывающей линии, либо пропускает загрязнения внутрь системы, если вышел из строя байпасный клапан.
Не превышать рабочее давление системы и не нагружать технику сверх паспортных характеристик. Постоянная работа на пределе давления сокращает ресурс насоса в разы.
Прогревать гидросистему перед началом работы в холодную погоду. Холодное масло имеет высокую вязкость, что затрудняет заполнение рабочих камер и повышает риск кавитации при пуске.
Коротко о главном
- Гидронасос превращает вращение вала двигателя в поток рабочей жидкости, а давление в системе создает не сам насос, а сопротивление нагрузки на выходе.
- Основные типы насосов - шестеренные (просто и дешево), пластинчатые (тише и плавнее) и аксиально-поршневые (высокое давление и КПД для тяжелой техники).
- Регулируемые насосы меняют подачу под нагрузку и экономят топливо, нерегулируемые всегда подают фиксированный объем за оборот.
- Ключевые параметры при подборе насоса - рабочий объем, подача, номинальное давление и КПД.
- Вой, падение усилия на цилиндрах, перегрев масла и течи по валу - основные признаки неисправности насоса.
- При замене насоса важно точно соблюсти рабочий объем, направление вращения, тип фланца и номинальное давление.
- Чистое масло правильной вязкости, контроль уровня в баке и своевременная замена фильтров продлевают срок службы насоса.
Часто задаваемые вопросы
Что такое гидронасос? Это агрегат, который преобразует механическую энергию вращения вала двигателя в энергию потока рабочей жидкости под давлением. Насос не создает давление сам по себе, он подает жидкость в систему, а давление возникает уже от сопротивления на выходе, например от нагрузки на гидроцилиндр.
Какие виды гидронасосов применяются на спецтехнике? Чаще всего встречаются шестеренные, пластинчатые и аксиально-поршневые насосы. Шестеренные проще и дешевле, пластинчатые тише работают, аксиально-поршневые выдерживают самое высокое давление и имеют наибольший КПД, поэтому стоят на тяжелой технике: экскаваторах, погрузчиках, кранах.
Чем регулируемый насос отличается от нерегулируемого? Нерегулируемый насос за один оборот вала всегда подает одинаковый объем жидкости. Регулируемый насос меняет рабочий объем на ходу, подстраивая подачу под нагрузку, что экономит топливо и снижает нагрев масла.
По каким признакам понять, что гидронасос неисправен? О проблемах с насосом говорят посторонний вой или свист при работе, падение скорости и усилия на гидроцилиндрах, перегрев масла, снижение давления в системе и подтекание жидкости через уплотнения вала.
Что чаще всего выводит гидронасос из строя? Основные причины: работа на загрязненном или неподходящем по вязкости масле, низкий уровень жидкости в баке и кавитация, износ уплотнений, а также перегрузка насоса выше расчетного давления системы.
