پمپ دنده ای خارجی: نحوه کارکرد، برنامه های کاربردی و راهنمای انتخاب

پمپ دنده ای خارجی چیست؟

پمپ دنده ای خارجی نوعی جابجایی مثبت است پمپ هیدرولیک که سیال را با به دام انداختن آن بین دندانه های دو چرخ دنده مشبک خارجی و دیواره داخلی محفظه پمپ حرکت می دهد. این یکی از قدیمی‌ترین و پرکاربردترین طرح‌های پمپ در مهندسی هیدرولیک است که به دلیل سادگی مکانیکی، محدوده عملیاتی گسترده و عملکرد قابل اعتماد در محیط‌های صنعتی پر تقاضا ارزش دارد.

پمپ از چهار جزء اصلی تشکیل شده است: الف دنده درایو مستقیماً به منبع برق متصل است، الف دنده رانده که از طریق تماس توری در جهت مخالف می چرخد، یک تحمل نزدیک مسکن که هر دو چرخ دنده و بلوک های بلبرینگ یا صفحات جانبی که صفحات دنده را آب بندی می کنند و فاصله های دقیق مورد نیاز برای انتقال موثر سیال را حفظ می کنند. هیچ دریچه، هیچ عنصر هندسی متغیر، و هیچ مکانیزم داخلی پیچیده ای وجود ندارد - هندسه دندانه های چرخ دنده و محفظه تمام کار را انجام می دهد.

این سادگی ساختاری یکی از مزایای تجاری تعیین کننده پمپ دنده ای خارجی است. تقریباً با قطعات کمتری نسبت به هر نوع پمپ هیدرولیک دیگری، ساخت آن ارزان‌تر است، سرویس دهی آن آسان‌تر است و در برابر سیالات آلوده یا با ویسکوزیته بالا که به طراحی‌های ظریف پمپ آسیب می‌رسانند، تحمل بیشتری دارد.

چگونه یک پمپ دنده ای خارجی کار می کند

اصل عملکرد یک پمپ دنده ای خارجی از یک سیکل سه فاز پیوسته پیروی می کند که با هر چرخش شفت محرک تکرار می شود.

فاز 1 - مصرف: همانطور که دو چرخ دنده در سمت ورودی پمپ از یکدیگر دور می‌شوند، دندانه‌های درهم‌تنیده حجمی در حال گسترش بین پروفیل‌های دندانه چرخ دنده، دیواره محفظه و سطوح بلوک یاتاقان ایجاد می‌کنند. این حجم در حال گسترش یک خلاء جزئی در درگاه ورودی ایجاد می کند. فشار اتمسفر بر روی سیال موجود در مخزن، سیال را به این ناحیه کم فشار می راند و فضای بین دندانه های چرخ دنده را در هر دو دنده پر می کند.

فاز 2 - انتقال: مایع محبوس شده در فضاهای دندان در اطراف بیرون هر دو چرخ دنده - بین دندانه های چرخ دنده و دیواره محفظه - از سمت ورودی به سمت خروجی حمل می شود. به طور بحرانی، مایع از نقطه مش بین دو چرخ دنده عبور نمی کند. تلرانس نزدیک بین نوک دنده و سوراخ محفظه از نشت مایع به عقب جلوگیری می کند و تضمین می کند که تقریباً تمام حجم گرفته شده با هر چرخش به جلو منتقل می شود.

فاز 3 - تخلیه: همانطور که دندانه های چرخ دنده دوباره شروع به مشبک شدن با یکدیگر در سمت خروجی می کنند، به تدریج حجم موجود بین آنها را کاهش می دهند و مایع محبوس شده را از طریق درگاه تخلیه با فشار بالا به بیرون فشار می دهند. عمل مش بندی پیوسته و روان است و جریان نسبتاً ثابتی را در مقایسه با پمپ های جابجایی پیستونی ایجاد می کند.

از آنجا که حجم جابجا شده در هر دور توسط هندسه چرخ دنده ثابت می شود، جریان خروجی است نسبت مستقیم با سرعت چرخش . دوبرابر کردن سرعت شفت سرعت جریان را دو برابر می کند. این رابطه خطی و قابل پیش بینی باعث می شود که پمپ های دنده ای خارجی برای تعیین و کنترل در طراحی سیستم ساده باشند.

ویژگی های کلیدی عملکرد

درک پوشش عملکرد یک پمپ دنده ای خارجی برای تطبیق صحیح آن با یک سیستم هیدرولیک ضروری است. پارامترهای زیر مشخص می‌کنند که پمپ‌های دنده‌ای خارجی کجا بهترین عملکرد را دارند - و کجا محدودیت‌های آنها ظاهر می‌شود.

محدوده فشار: پمپ های دنده خارجی استاندارد به راحتی در محدوده 150 تا 250 بار (2200 تا 3600 psi) کار می کنند. طرح های صنعتی با مشخصات بالا می توانند در عملکرد پایدار به 300 بار (4350 psi) برسند. بالاتر از این آستانه‌ها، نشت داخلی در فاصله‌های چرخ دنده به محفظه به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد که باعث کاهش راندمان حجمی و تولید گرما می‌شود. برای وظایف فشار بسیار بالا و بالای 350 بار، پمپ های پیستونی معمولاً انتخاب مناسب تری هستند.

نرخ جریان و جابجایی: جابجایی با عرض چرخ دنده، قطر دایره گام و نیم رخ دندان تعیین می شود. واحدهای تجاری از زیر 1 سی سی در دور برای کاربردهای اندازه گیری دقیق تا بیش از 200 سی سی در دور برای سیستم های هیدرولیک سیار با جریان بالا متغیر است. نرخ جریان از یک واحد پمپ به طور معمول 2 تا 250 لیتر در دقیقه با سرعت نامی است، با مجموعه‌های پمپ پشت سر هم یا چندگانه که می‌توانند جریان‌ها را از بخش‌های جداگانه روی یک محور محرک مشترک ترکیب کنند.

محدوده ویسکوزیته: پمپ‌های دنده‌ای خارجی طیف وسیعی از ویسکوزیته را کنترل می‌کنند - معمولاً 10 تا 300 سانتی‌استوک (cSt) - که آنها را برای روغن‌های هیدرولیک استاندارد، روغن‌های دنده، روغن‌های سوخت و سیالات فرآیندهای صنعتی مختلف مناسب می‌سازد. توانایی آنها در پمپاژ سیالات با ویسکوزیته بالا بدون خطر کاویتاسیون که بر طراحی پمپ پره ای تأثیر می گذارد، یک مزیت عملیاتی قابل توجه در شرایط شروع سرد یا هنگام استفاده از درجه های سیال ضخیم تر است.

نویز و ضربان: پمپ‌های دنده خارجی صدای قابل شنیدن بیشتری نسبت به پمپ‌های پره‌ای با جابجایی معادل تولید می‌کنند، که عمدتاً به دلیل فرکانس مش‌بندی چرخ دنده و پالس‌های فشار گسسته ایجاد می‌شود که هر جفت دندان درگیر و جدا می‌شود. بهینه سازی پروفیل دندانه دنده، طراحی چرخ دنده های مارپیچی و محفظه های صوتی می توانند سطوح نویز را کاهش دهند، اما صدای مش دنده ذاتی یکی از ویژگی های طراحی است که مهندسان سیستم باید در تاسیسات حساس به نویز در نظر بگیرند.

قابلیت خود پر کردن: پمپ‌های دنده‌ای خارجی به صورت خودکار هستند و می‌توانند سیال را از زیر خط مرکزی پمپ بکشند، مشروط بر اینکه خط مکش به درستی اندازه شود و ویسکوزیته سیال در محدوده باشد. این مشخصه قرار دادن مخزن را ساده می کند و محدودیت های نصب را در تجهیزات متحرک که موقعیت مخزن اغلب توسط هندسه وسیله نقلیه دیکته می شود، کاهش می دهد.

برنامه های کاربردی رایج

ترکیبی از سادگی، مقرون به صرفه بودن و خروجی جابجایی مثبت قابل اعتماد، پمپ های دنده ای خارجی را به انتخاب پیش فرض در طیف وسیعی از کاربردهای هیدرولیک صنعتی و متحرک تبدیل کرده است.

هیدرولیک سیار و تجهیزات ساختمانی: بیل مکانیکی، لودرهای چرخدار، تله هندلرها و تراکتورهای کشاورزی برای نیرو دادن به مدارهای فرمان، اجرای هیدرولیک و عملکردهای کمکی به پمپ های دنده خارجی متکی هستند. استحکام آنها در محیط‌های دارای لرزش، سیال آلوده و نوسانات دمایی گسترده، آنها را برای تجهیزاتی که دور از امکانات تعمیر و نگهداری کار می‌کنند مناسب می‌سازد.

سیستم های روغن کاری: ماشین آلات، گیربکس ها، کمپرسورها و موتورها از پمپ های دنده خارجی به عنوان پمپ روغن روانکاری استفاده می کنند. تحویل مداوم و بدون پالس در فشارهای پایین‌تر مورد نیاز برای مدارهای روغن‌کاری دقیقاً با ویژگی‌های خروجی پمپ مطابقت دارد، و طبیعت جابجایی مثبت، تحویل روغن را حتی در سرعت‌های پایین در هنگام راه‌اندازی تضمین می‌کند - دوره بحرانی که حفاظت از یاتاقان‌ها بسیار مهم است.

واحدهای برق هیدرولیک (HPU): در واحدهای برق صنعتی ثابت، پمپ‌های دنده‌ای خارجی منبع جریان اولیه برای سیستم‌های بستن، شکل‌دهی و فعال‌سازی در ماشین‌های پرس، تجهیزات قالب‌گیری تزریقی و سیستم‌های جابجایی مواد را فراهم می‌کنند. اندازه جمع و جور آنها نسبت به خروجی و مشخصات تعمیر و نگهداری ساده آنها، هزینه کل مالکیت را در طول عمر سرویس طولانی کاهش می دهد.

اندازه گیری و انتقال سیال: از آنجایی که جریان خروجی مستقیماً با سرعت متناسب است و بسیار قابل تکرار است، پمپ‌های دنده‌ای خارجی به طور گسترده در سیستم‌های دوز شیمیایی، اعمال کننده رنگ و پوشش، و سیستم‌های انتقال سیال درجه مواد غذایی مورد استفاده قرار می‌گیرند که در آن تحویل دقیق و مداوم حجم اندازه‌گیری شده در واحد زمان مورد نیاز است.

ماشین آلات کشاورزی: تراکتورها برای تامین جریان هیدرولیک اتصال عقب، مدارهای سیلندر از راه دور و فرمان برقی به پمپ‌های دنده‌ای خارجی متکی به موتور وابسته هستند. توانایی پمپ در خود پر کردن و کارکرد در محدوده سرعت گسترده - از دور آرام تا دور موتور کامل - با شرایط کاری متغیر ذاتی در چرخه‌های کار کشاورزی مناسب است.

پمپ دنده ای خارجی در مقابل سایر انواع پمپ های هیدرولیک

انتخاب نوع پمپ مناسب برای یک سیستم هیدرولیک مستلزم درک چگونگی مقایسه پمپ های دنده ای خارجی با جایگزین ها در ابعاد عملکرد کلیدی فشار، راندمان، نویز و هزینه است.

پمپ دنده خارجی در مقابل پمپ پره ای: پمپ های پره ای بر اساس یک اصل جابجایی متفاوت عمل می کند - پره های فنری یا فشاری به داخل و خارج از شکاف های روتور می لغزند و محفظه های متغیری بین روتور، پره ها و حلقه بادامک ایجاد می کنند. پمپ‌های پره‌ای معمولاً سطح صدای کمتری نسبت به پمپ‌های دنده‌ای خارجی با جابجایی مشابه تولید می‌کنند که باعث می‌شود در ماشین‌آلات حساس به صدا و کاربردهای پرس صنعتی ترجیح داده شوند. با این حال، پمپ‌های پره‌ای نسبت به آلودگی سیال حساس‌تر هستند و برای حفظ روانکاری پره‌ها به حداقل ویسکوزیته ورودی نیاز دارند. پمپ‌های دنده‌ای خارجی دامنه ویسکوزیته وسیع‌تری را تحمل می‌کنند و نسبت به تمیزی سیال حساسیت کمتری دارند، که به آنها در تجهیزات سیار و برنامه‌هایی که کنترل وضعیت سیال سخت‌تر است، مزیتی می‌دهد. برای وظایف فشار کم تا متوسط ​​که نویز در اولویت است، پمپ های پره ای اغلب انتخاب بهتری هستند. در جایی که انعطاف پذیری استحکام و ویسکوزیته اهمیت بیشتری دارد، پمپ های دنده خارجی مزیت را دارند.

پمپ دنده خارجی در مقابل پمپ پیستونی: پمپ های پیستونی جایگزینی با کارایی بالا برای کاربردهایی هستند که نیاز به عملکرد مداوم در فشارهای بالای 250 بار، راندمان حجمی بالا در محدوده سرعت وسیع یا جابجایی متغیر برای مطابقت با نیاز سیستم دارند. آنها در شرایط بهینه به راندمان 90 تا 95 درصد می‌رسند، در مقایسه با 80 تا 90 درصد برای پمپ‌های دنده‌ای خارجی، و می‌توانند کارکرد را در 350 تا 450 بار برای چرخه‌های صنعتی نیازمند حفظ کنند. مبادله به طور قابل توجهی هزینه واحد بالاتر، حساسیت بیشتر به تمیزی سیال و الزامات تعمیر و نگهداری پیچیده تر است. پمپ‌های دنده‌ای خارجی برای کاربردهای با جابجایی ثابت در فشارهای متوسط ​​که در آن هزینه‌های خرید و نگهداری بالاتر پمپ پیستونی با الزامات عملکرد توجیه نمی‌شود، انتخاب منطقی اقتصادی باقی می‌مانند.

نحوه انتخاب پمپ دنده خارجی مناسب

تعیین صحیح پمپ دنده ای خارجی مستلزم کار بر روی چندین پارامتر وابسته به هم به صورت متوالی است. شروع با پمپ های کم اندازه یا بزرگ، مشکلات راندمان و قابلیت اطمینان را ایجاد می کند که اصلاح آنها بدون تعویض دستگاه دشوار است.

مرحله 1 - نرخ جریان مورد نیاز را تعریف کنید. مجموع تقاضای جریان تمام محرک‌ها در سیستم را محاسبه کنید و در صورت لزوم، عملیات همزمان را محاسبه کنید. این را به صورت لیتر در دقیقه (L/min) در سرعت کاری مورد نظر بیان کنید. از آنجایی که جریان متناسب با سرعت و جابجایی است، جابجایی (cc/rev) را انتخاب کنید که جریان مورد نیاز را در سرعت محور طراحی با حاشیه 10 تا 15 درصد ارائه دهد تا تلفات حجمی را فراهم کند.

مرحله 2 - الزامات فشار سیستم را تأیید کنید. حداکثر فشار کاری را که پمپ باید تحمل کند، شناسایی کنید، از جمله افزایش فشار گذرا ناشی از ضربه بار یا تعویض سوپاپ. اطمینان حاصل کنید که فشار نامی نامی پمپ انتخابی از حداکثر فشار کاری سیستم بیشتر است و درجه فشار اوج آن با نوک های مورد انتظار سازگار است. کارکرد مداوم در نزدیکی حداکثر فشار نامی پمپ، سایش دنده و یاتاقان را تسریع می کند.

مرحله 3 - بررسی سازگاری ویسکوزیته سیال. ویسکوزیته عملیاتی سیال هیدرولیک را در دمای حداقل (گرم، کم بار) و حداکثر (شروع سرد) بررسی کنید. ویسکوزیته سیال باید در طول چرخه عملیاتی در محدوده مشخص شده پمپ باقی بماند. اگر انتظار می رود ویسکوزیته شروع سرد از 300 cSt تجاوز کند، باید یک استراتژی پیش گرمایش یا پمپی طراحی شده برای ویسکوزیته ورودی بالاتر در نظر گرفته شود.

مرحله 4 - سرعت شفت و پیکربندی درایو را بررسی کنید. پمپ های دنده ای خارجی دارای حداقل و حداکثر سرعت هستند. کارکردن کمتر از حداقل سرعت، خطر خودسوختگی ناکافی و روانکاری داخلی ضعیف را به دنبال دارد. عملکرد بیش از حداکثر سرعت باعث ایجاد کاویتاسیون و تسریع سایش یاتاقان می شود. اطمینان حاصل کنید که سرعت محرک - چه از یک موتور الکتریکی، PTO موتور یا خروجی گیربکس - در محدوده سرعت نامی پمپ در تمام شرایط کاری قرار دارد.

مرحله 5 - نصب و پیکربندی پورت را در نظر بگیرید. پمپ های دنده ای در SAE، ISO و الگوهای فلنج مخصوص سازنده و با پیکربندی شفت های مختلف (کلیددار، اسپلینت یا مخروطی) در دسترس هستند. اطمینان حاصل کنید که رابط نصب پمپ انتخاب شده با پیکربندی درایو موجود سازگار است و اندازه پورت ها با اندازه خط سیستم مطابقت دارند تا از محدودیت بیش از حد ورودی جلوگیری شود.

حالت های تعمیر و نگهداری و خرابی رایج

پمپ های دنده ای خارجی یکی از قابل اعتمادترین اجزای یک سیستم هیدرولیک هستند، اما بدون نیاز به تعمیر و نگهداری نیستند. درک متداول ترین مکانیسم های خرابی به مهندسان کمک می کند تا فواصل خدمات مناسب را ایجاد کنند و مشکلات را قبل از اینکه هزینه بر شوند شناسایی کنند.

ساییدگی چسب روی دنده و سوراخ محفظه رایج‌ترین مکانیزم سایش در پمپ‌های دنده‌ای خارجی است که در پوشش طراحی آن‌ها کار می‌کنند. با گذشت زمان، سطوح با تحمل نزدیک بین نوک چرخ دنده و محفظه سایش میکروسکوپی ایجاد می کنند که فاصله داخلی را افزایش می دهد و کارایی حجمی را کاهش می دهد. پمپی که در زمان جدید بازدهی 95 درصدی ارائه می‌دهد، ممکن است پس از سرویس طولانی‌تر به 80 درصد یا کمتر کاهش یابد و در نتیجه دمای سیال بالاتر و عملکرد محرک کاهش یابد. نظارت منظم بر جریان خروجی سیستم و روند دمای سیال، هشدار اولیه در مورد کاهش راندمان را قبل از از کار افتادن کامل پمپ ارائه می دهد.

کاویتاسیون زمانی اتفاق می‌افتد که فشار سیال در ورودی پمپ به زیر فشار بخار سیال می‌رسد و باعث می‌شود که حباب‌های بخار در مناطق کم‌فشار تشکیل شوند و پس از ورود به مناطق با فشار بالاتر، به شدت فرو بریزند. انرژی انفجار سطوح دندانه‌های چرخ دنده و دیواره‌های محفظه را فرسایش می‌دهد و یک الگوی حفره‌ای مشخص در هنگام بازرسی ایجاد می‌کند. کاویتاسیون معمولاً در اثر یک خط مکش کم یا محدود، ویسکوزیته بیش از حد سیال در شروع سرد، مسدود شدن فیلتر مکش یا کارکرد پمپ با سرعت‌های بالاتر از درجه طراحی آن ایجاد می‌شود. جلوگیری از کاویتاسیون مستلزم اندازه صحیح خط مکش، نگهداری منظم فیلتر و روش های مناسب شروع سرد است.

سایش ناشی از آلودگی هنگامی که ذرات سخت بالاتر از آستانه فیلتراسیون سیستم وارد پمپ می شوند، روی پروفایل های دندانه دنده، سطوح یاتاقان و سوراخ محفظه تأثیر می گذارد. برخلاف پمپ‌های پیستونی، پمپ‌های دنده‌ای خارجی نسبتاً در برابر آلودگی متوسط ​​متحمل هستند، اما عملکرد پایدار با سیال شدیداً آلوده باعث سایش سریع در تمام سطوح داخلی می‌شود. نگهداری سیال هیدرولیک در کد پاکیزگی ISO 16/14/11 یا بهتر، عمر مفید پمپ را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد و زمان توقف برنامه ریزی نشده را کاهش می دهد.

خرابی مهر و موم شفت یک مورد معمول تعمیر و نگهداری است، به ویژه در پمپ هایی که تحت فشار بالا یا چرخه حرارتی قرار دارند. مهر و موم شفت در حال گریه معمولاً اولین علامت تخریب آب بند است و باید قبل از پیشرفت نشتی به از دست دادن مایع خارجی یا بلع هوا از طریق لبه سیل آسیب دیده در سکته برگشتی برطرف شود. مهر و موم شفت اجزای کم هزینه ای هستند و تعویض آنها در اولین نشانه گریه بسیار مقرون به صرفه تر از این است که این مشکل به آسیب بلبرینگ یا آلودگی خانه تبدیل شود.

به عنوان یک دستورالعمل کلی تعمیر و نگهداری، فیلترهای مکش را هر 500 تا 1000 ساعت کار بازرسی کنید، فیلترهای سیال هیدرولیک و خط برگشت را مطابق برنامه سازنده سیستم تغییر دهید، و فشار و دمای خروجی پمپ را در هر بازه زمانی سرویس برنامه ریزی شده کنترل کنید تا بازدهی در طول زمان روند کند.