Czym są pompy zębate?
Pompa wyporowa (znana również jako ‘pompa PD’) wykorzystuje mechaniczne działanie do fizycznego przemieszczania cieczy, w przeciwieństwie do pompy odśrodkowej która przekształca prędkość w ciśnienie.
Istnieją dwa główne typy pomp wyporowych: obrotowe i tłokowe. Pompa zębata jest rodzajem obrotowej pompy wyporowej. Tłokowe pompy wyporowe to drugi typ, działają liniowo i wymagają zaworów ssących i tłocznych. Pompy wyporowe są zazwyczaj stosowane w aplikacjach o niższym przepływie i wyższym ciśnieniu, choć jest to ogólne stwierdzenie.
Wynalezione na początku XVII wieku przez Johannesa Keplera, pompy zębate są często używane w systemach hydraulicznych oraz do cieczy o wysokiej lepkości (gęste ciecze). Jak wszystkie pompy wyporowe, mogą pompować powietrze, co czyni je samonapełniającymi.
Chociaż istnieje kilka konstrukcji pomp zębatych, wyróżnia się dwa główne typy. Jeden typ wykorzystuje dwa identyczne koła zębate zazębiające się ze sobą; ten typ nazywa się zewnętrzną pompą zębatą. Drugi typ ma jedno koło zębate umieszczone w innym; ten typ nazywa się wewnętrzną pompą zębatą.
Projekty Zewnętrznej (po lewej) i Wewnętrznej (środek i prawa) Pompy Zębatej
Ciecze wypływające z pompy zębatej zazwyczaj płyną z niskimi pulsacjami ciśnienia, co zapewnia ‘gładki’ i stały przepływ. Przepływ przez pompę bezpośrednio koreluje z prędkością obrotową kół zębatych, co czyni pompę zębatą doskonałym wyborem do aplikacji dozujących (gdzie ilość przepływu musi być precyzyjnie kontrolowana).
Pompy zębate są zazwyczaj napędzane elektrycznie za pomocą silnika elektrycznego, ale mogą być również napędzane hydraulicznie lub mechanicznie, w zależności od projektu i zastosowania. Na przykład wiele ciągników używa pomp zębatych do pokładowych systemów hydraulicznych (podnoszenie i opuszczanie pługa itp.), a pompa jest mechanicznie połączona z silnikiem ciągnika.
Prędkość obrotowa pompy zębatej i ciasne mechaniczne prześwity minimalizują ilość cieczy płynącej w niewłaściwym kierunku (przeciek); zmniejszone przecieki prowadzą do wyższej wydajności pompy.
Przydatna Wiedza – ciecz lub materiał pompowany przez pompę nazywa się ‘pompowanym medium’. Pompowane medium może obejmować ciała stałe, ciecze, pary lub gazy, w zależności od projektu pompy (pompy śrubowe mogą pompować nakrętki i śruby!).
Koła Zębate Pompy Zębatej
Koła zębate pompy zębatej są często typu zębatki prostej, chociaż pompy zębate wykorzystujące koła śrubowe lub zębate skośne nie są rzadkością. Koła śrubowe i zębate skośne oferują gładszy przepływ (niższe pulsacje ciśnienia) niż zębatki proste; są również preferowane do aplikacji o wyższej pojemności/przepływie.
Typy Kół Zębatych Pompy Zębatej
Cieszysz się tym artykułem? Zatem koniecznie sprawdź nasze Kursy Wideo z Inżynierii! Każdy kurs zawiera quiz, podręcznik, a po ukończeniu kursu otrzymasz certyfikat. Ciesz się!
Zewnętrzne Pompy Zębate
Zewnętrzna pompa zębata składa się z portu ssącego, portu tłocznego, kół zębatych, łożysk i obudowy.
Komponenty Zewnętrznej Pompy Zębatej
Koła zębate w zewnętrznej pompie zębatej są zamontowane równolegle do siebie. Wał jest zamontowany przez oś centralną każdego koła zębatego, a łożyska utrzymują każdy wał na miejscu. Oba koła zębate są klasyfikowane jako zewnętrzne, ponieważ zęby kół zębatych znajdują się na zewnętrznej powierzchni każdego koła zębatego. Zazwyczaj jedno koło zębate jest napędzane (‘mistrz’, ‘lider’), podczas gdy drugie jest kołem biernym (‘niewolnik’, ‘naśladowca’). Koła bierne obracają się tylko wtedy, gdy ich związane koło napędzane się obraca. Obudowa z dwoma otworami otacza koła zębate, te otwory tworzą porty ssące i tłoczne.
Animacja Zewnętrznej Pompy Zębatej
Inny projekt zewnętrznej pompy zębatej wykorzystuje koła zębate, które są oba napędzane przez koła zębate czasowe, ale ten projekt jest bardziej skomplikowany, droższy i w konsekwencji mniej powszechny. Ma jednak tę zaletę, że koła zębate nie stykają się ze sobą, co oznacza, że można pompować ciecze o niższych właściwościach smarnych (niskiej smarowności).
Wewnętrzne Pompy Zębate
Wewnętrzne pompy zębate działają na tej samej zasadzie co zewnętrzne pompy zębate, ale wewnętrzne pompy zębate mają jedno koło zębate zamontowane wewnątrz drugiego. W przeciwieństwie do kół zębatych w zewnętrznej pompie zębatej, dwa zazębiające się koła zębate nie są tej samej wielkości. Mniejsze wewnętrzne koło zębate nazywa się rotorem, a większe zewnętrzne koło zębate to koło bierne.
Animacja Wewnętrznej Pompy Zębatej
Wewnętrzne pompy zębate mają zęby kół zębatych na wewnętrznych powierzchniach koła biernego, aby mogły współdziałać z zewnętrznymi zębami kół zębatych rotora. Dwa zestawy kół zębatych (rotor i koło bierne) zazębiają się ze sobą w ten sam sposób, co w zewnętrznej pompie zębatej.
Jak Działają Pompy Zębate?
Pompy zębate zatrzymują ciecz po stronie ssącej i wypompowują ją pod wyższym ciśnieniem po stronie tłocznej. Zasada działania zewnętrznej pompy zębatej jest bardzo podobna do wewnętrznej pompy zębatej; obie zasady działania zostaną omówione oddzielnie dla jasności.
Jak Działają Zewnętrzne Pompy Zębate
Ciecz wchodzi do pompy po stronie ssącej. Gdy koła zębate po stronie ssącej się obracają, przestrzeń objętościowa między ich zębami zwiększa się. Ciecz wchodzi do przestrzeni/jam między zębami z powodu ujemnego ciśnienia ssącego w jamach. Gdy koła zębate obracają się dalej, ciecz w jamach zostaje uwięziona między kołami zębatymi a obudową.
Działanie Zewnętrznej Pompy Zębatej
Po dalszym obrocie koła zębate zbliżają się do strony tłocznej. Przestrzeń między kołami zębatymi a obudową zwiększa się, a ciecz wydostaje się z jam. Dalszy obrót kół zębatych prowadzi do ich zazębiania (zazębiania), co prowadzi do ‘wyciśnięcia’ wszelkiej pozostałej cieczy z jam. Tak więc, gdy koła zębate zaczynają się ponownie rozdzielać po stronie ssącej, ciecz może wchodzić do pustych jam, a proces można powtórzyć.
Jak Działają Wewnętrzne Pompy Zębate
Mechanizm napędowy (silnik elektryczny itp.) zapewnia ruch obrotowy koła zębatego rotora (wewnętrznego koła zębatego). Gdy koło zębatego rotora się obraca, powoduje również obrót koła biernego (zewnętrznego koła zębatego). Ciecz wchodzi po stronie ssącej pompy i wpływa do jam między rotorem a kołem biernym. Stacjonarna uszczelka półksiężyca oddziela dwa koła zębate, gdy kontynuują obrót. Ciecz jest uwięziona w jamach między kołem zębatym rotora a wewnętrzną powierzchnią półksiężyca oraz między kołem zębatym koła biernego a zewnętrzną powierzchnią półksiężyca. Dalszy obrót kół zębatych zbliża zęby kół zębatych do siebie. Gdy koła zębate zaczynają się zazębiać, ciecz jest wypychana z jam i wypompowywana z pompy; proces się powtarza.
Działanie Wewnętrznej Pompy Zębatej (z półksiężycem)
Alternatywne projekty wewnętrznych pomp zębatych nie używają uszczelki półksiężyca, ale zasada działania jest bardzo podobna do wewnętrznej pompy zębatej z uszczelką półksiężyca.
Działanie Wewnętrznej Pompy Zębatej (bez półksiężyca)
Zastosowania Pompy Zębatej
Pompy zębate są dobrze przystosowane do cieczy o wysokiej lepkości (gęstych) z niewielką ilością zawieszonych ciał stałych. Ciecze o wysokiej lepkości obejmują substancje takie jak farby i mydła itp. Ponieważ pompy zębate mają ciasne mechaniczne prześwity, zawieszone ciała stałe w cieczy mogą powodować ścieranie części pompy zębatej, co prowadzi do zmniejszenia wydajności pompy i skrócenia żywotności pompy.
Typowe zastosowania pomp zębatych obejmują:
- Paliwa i oleje samochodowe.
- Olej hydrauliczny.
- Alkohole i rozpuszczalniki.
- Mała cyrkulacja gorącego oleju.
- Farby, żywice i polimery.
- Mydło w płynie.
- Produkty spożywcze, takie jak syrop kukurydziany, pasze dla zwierząt i masło orzechowe.
Charakterystyka Eksploatacyjna
Aby poprawić działanie pompy zębatej, ważne jest zmniejszenie tarcia między jej częściami. Tarcie prowadzi do ciepła, co spowoduje fizyczne rozszerzenie części pompy zębatej. Pompy zębate mają ciasne mechaniczne prześwity, szczególnie zewnętrzne pompy zębate, dlatego wszelkie rozszerzenie termiczne może spowodować uszkodzenie pompy. Na przykład, zęby kół zębatych mogą się rozregulować, co prowadzi do zużycia, przecieków i w konsekwencji zmniejszenia wydajności. W skrajnych przypadkach, poważnie rozregulowana pompa zębata może zablokować się (nie być w stanie się obracać).
Zazwyczaj ciecz pompowana służy do smarowania wewnętrznych komponentów pompy. Z tego powodu większość pomp zębatych nie nadaje się do pracy na sucho (bez przepływu cieczy) przez dłuższy czas.
Pompy zębate są bardziej wydajne, gdy działają z maksymalną prędkością projektową; niższe obroty na minutę (rpm) prowadzą do niższej wydajności pompy.
Ogólne Zalety Pomp Zębatych
Pompy zębate są ogólnie przydatne ze względu na swoją kompaktową wielkość i prostą konstrukcję. Ponieważ mają niewielką liczbę ruchomych części, są bardziej niezawodne niż inne, bardziej skomplikowane projekty pomp. Często są samosmarujące, ponieważ ciecz, którą pompują, również smaruje wewnętrzne części pompy. Większość pomp zębatych nie powinna być eksploatowana na sucho przez dłuższy czas, ponieważ najprawdopodobniej doprowadzi to do uszkodzenia komponentów pompy z powodu tarcia/ciepła.
Ogólne Wady Pomp Zębatych
Ze względu na ciasne prześwity, które są niezbędne w ich konstrukcji (szczególnie dla zewnętrznych pomp zębatych), pompy zębate są podatne na zużycie. W miarę zużywania się/degradacji ich części, dochodzi do przecieków, a wydajność pompy maleje. Jeśli pompa zębata musi być używana z substancjami ściernymi (niezalecane), ciśnienie powinno być niskie, przepływ wysoki, a prędkość pracy niska.
Jak w przypadku wszystkich projektów pomp wyporowych, należy zainstalować urządzenia zabezpieczające przed nadciśnieniem, aby chronić pompę i komponenty znajdujące się za nią.
Zalety i Wady Zewnętrznych Pomp Zębatych
Zewnętrzna pompa zębata może działać przy wyższych ciśnieniach niż niektóre inne typy pomp i często zapewnia bardziej kompaktową i mniej kosztowną konstrukcję. Zewnętrzne pompy zębate dobrze działają przy niskich do średnich temperaturach, zachowując stosunkowo wysoki przepływ. Konstrukcja zewnętrznej pompy zębatej wymaga ciasnych wewnętrznych prześwitów, co czyni ją idealną do aplikacji wsadowych, ponieważ ma precyzyjny przepływ; jest również w stanie obsługiwać ciecze o niższej lepkości, ponieważ występuje niewielki przeciek z powodu ciasnych prześwitów między częściami. Jednak ze względu na ciasne prześwity między ruchomymi częściami, zewnętrzna pompa zębata często ma wyższy wskaźnik zużycia w porównaniu do innych typów pomp.
Zalety i Wady Wewnętrznych Pomp Zębatych
Wewnętrzna pompa zębata najlepiej działa przy umiarkowanym ciśnieniu. Zazwyczaj jest bardziej masywna i droższa niż jej zewnętrzny odpowiednik. Jednak ma kilka zalet w porównaniu do zewnętrznej pompy zębatej:
- Ma większą zdolność ssania, więc jest lepiej przystosowana do obsługi cieczy o wyższej lepkości.
- Jest bardziej wytrzymała, ponieważ ma bardziej luźne mechaniczne prześwity.
- Luźne mechaniczne prześwity pozwalają jej lepiej obsługiwać wyższe temperatury cieczy (więcej miejsca na rozszerzenie termiczne części), co czyni ją dobrym wyborem do systemów wysokotemperaturowych, np. olejów termicznych.
Wewnętrzne pompy zębate są zdolne do dwukierunkowego przepływu cieczy (przepływ w dwóch kierunkach). To czyni je użytecznymi, jeśli potrzebna jest jedna pompa do podwójnego zastosowania, np. napełniania i opróżniania zbiornika.
Chociaż nie zaleca się używania jakiejkolwiek pompy zębatej z substancjami ściernymi lub ciałami stałymi, wewnętrzne pompy zębate są lepiej przystosowane do tego typu operacji niż zewnętrzne pompy zębate, co wynika z ich luźnych tolerancji mechanicznych. Jednak wewnętrzne pompy zębate są mniej zdolne do obsługi cieczy o niższej lepkości, ponieważ wskaźnik przecieku jest stosunkowo wysoki (luźne tolerancje prowadzą do wyższych wskaźników przecieku, zwłaszcza dla cieczy o niższej (cieńszej) lepkości).
Dodatkowe Zasoby
https://kammash.com/learn-gear-pumps-characteristics-and-applications/