У чому різниця між різними гідравлічними насосами?

Як механізм робочого об’єму визначає типи гідравлічних насосів

Фіксований чи змінний робочий об’єм: вплив на системне керування та ефективність

Гідравлічні насоси працюють на основі зміщення — вони, по суті, переміщують рідину в обмежених просторах, щоб створити потік. Моделі з постійним зміщенням виштовхують однаковий об’єм рідини при кожному оберті, тому такі насоси ідеально підходять для застосувань, де потрібен постійний потік без коливань. Наприклад, для конвеєрних стрічок або базових підіймальних пристроїв, де найважливішою є стабільність. Ці насоси мають просту механічну конструкцію, тому їх початкова вартість, як правило, нижча. Обслуговування також простіше, оскільки з часом зношується незначна кількість деталей. Крім того, коли навантаження залишається майже незмінним день у день, насоси з постійним зміщенням працюють надійно й безперебійно, не створюючи операторам додаткових труднощів.

На відміну від насосів із постійним робочим об’ємом, насоси зі змінним робочим об’ємом змінюють кількість рідини, яку вони перекачують, залежно від реальних потреб системи. Це досягається за допомогою таких елементів, як регульовані нахилом пластина (swashplate) у конструкціях осьових поршневих насосів або клапани компенсації тиску, що реагують на змінні умови. Оскільки такі насоси можуть саморегулюватися, вони забезпечують кращий контроль тиску й не витрачають зайвої енергії при надлишковому потоці рідини в системі. Згідно з галузевими стандартами, такими як ISO 4409 та SAE J1210, системи з насосами зі змінним робочим об’ємом працюють приблизно на 25–40 % ефективніше в застосуваннях із визначенням навантаження (load sensing). Проте існують й компроміси. Такі насоси мають вищу початкову вартість і вимагають більш чистої гідравлічної рідини, що відповідає специфікації ISO 16/13. Обслуговування також ускладнюється, оскільки техніки повинні мати спеціальну підготовку для правильного виконання робіт з ними. При виборі типу насоса більшість інженерів оцінює, чи для їхнього застосування важливішими є стабільний потік і нижча ціна придбання, чи ж, навпаки, економія енергії та здатність адаптуватися до змін тиску.

Вплив конструкції на шестеренні, лопатеві та поршневі гідравлічні насоси

Принцип роботи за об’ємним витісненням фундаментально визначає архітектуру насоса, його експлуатаційні характеристики та сферу застосування:

• Шестерні насоси використовують взаємозчеплені зовнішні або внутрішні шестерні для утримання й витіснення рідини. Їх надійна, компактна конструкція забезпечує стабільну роботу за низької вартості, а типові граничні тиски становлять приблизно 250 бар (3600 PSI). Внутрішні витоки через зазори між шестернями обмежують об’ємний ККД рівнем 80–85 % під час тривалої роботи під високим тиском.

• Пластинчасті насоси працюють із ковзними пластинами, які рухаються назовні в еліптичній камері всередині корпусу насоса. Така конструкція забезпечує цим насосам значно більш плавну подачу рідини порівняно з шестеренчастими насосами, з меншою пульсацією на виході. Зазвичай їх ККД становить приблизно 85–90 % за умов помірного тиску, тобто вони можуть працювати при тиску до приблизно 210 бар, перш ніж показники ефективності почнуть знижуватися. Однак існує й недолік. Оскільки пластини щільно прилягають до статора, навіть дрібні частинки в рідині можуть спричинити проблеми. Цим насосам потрібне дуже чисте мастильне масло, що відповідає стандартам ISO, наприклад, 18/16/13 щодо чистоти рідини. За відсутності належних систем фільтрації компоненти швидше зношуються, ніж очікувалося, що призводить до дорогих ремонтів у майбутньому.

• Осьові поршневі насоси працюють за рахунок поршнів, що рухаються вперед і назад, керованих обертальним механізмом нахилної шайби. Ці насоси здатні досягати вражаючих рівнів тиску понад 400 бар, причому більшість моделей забезпечує об’ємний ККД приблизно 93 % та механічний ККД близько 95 %. Те, що справжньо вирізняє їх, — це висока сумісність із системами змінного робочого об’єму, що й пояснює їхню поширеність у вимогливих застосуваннях як у мобільній, так і в промисловій сферах. Мова йде про важке будівельне обладнання, наприклад екскаватори, або виробничі комплекси, такі як машини для лиття під тиском, де найважливішими є швидкість реакції та ефективне використання потужності. Таке поєднання експлуатаційних характеристик зробило поршневі насоси практично незамінними там, де потрібен точний контроль над гідравлічними системами.

Порівняння експлуатаційних характеристик поширених гідравлічних насосів

Шестеренні насоси: економічно вигідна простота з обмеженнями щодо тиску та терміну служби

Шестеренні насоси, як правило, є найбільш доступним варіантом з точки зору початкових витрат, а також досить простими у встановленні порівняно з іншими типами гідравлічних насосів. Завдяки цим перевагам багато фермерів, будівельників та виробників легкого промислового обладнання значною мірою покладаються на технологію шестеренних насосів. Їх компактні розміри також є доцільними для використання в обмежених просторах, що пояснює їх часте застосування в рухомому обладнанні. Однак тут є один важливий нюанс. Більшість шестеренних насосів не можуть працювати при тиску понад 250 бар, оскільки при перевищенні цього рівня починаються руйнування. При тривалій експлуатації поблизу цього граничного значення внутрішні витоки стають помітними, що знижує об’ємну ефективність до приблизно 80–85 %, а також прискорює знос як самих шестерень, так і їх корпусів. Ще однією проблемою є рівень шуму, який зазвичай становить 75–85 децибелів. Це, фактично, гучніше, ніж у лопатевих або поршневих насосів, тому шестеренні насоси не є оптимальним вибором для місць, де важлива тиха робота, наприклад, усередині заводських приміщень або у міських сервісних транспортних засобах.

Пластинчасті насоси: плавна робота та ефективність середнього рівня — але чутливі до забруднення

Порівняно з шестеренними насосами, пластинчасті насоси працюють значно тихіше — у діапазоні від 65 до 75 децибел — і забезпечують більш рівномірну подачу рідини. Це робить їх ідеальними для застосування в таких областях, як верстати та обладнання для пакування, де критично важлива стабільність руху. При роботі на помірних рівнях тиску близько 210 бар ці насоси зберігають вражаючу об’ємну ефективність у межах приблизно 85–90 %. Однак існує й недолік. Оскільки лопаті повинні дуже точно висуватися й втягуватися під час роботи, навіть незначне забруднення стає проблемою. Частинки рідини розміром понад 5 мікрон можуть пошкодити лопаті або компоненти статора, що призводить до помітного зниження ефективності — часто понад 15 % — вже після 2000 годин роботи. Збереження чистоти системи відповідно до вимог стандарту ISO 18/16/13, як правило, збільшує загальні витрати на весь термін експлуатації приблизно на 20–30 % порівняно з системами на основі шестеренних насосів. Це відбувається переважно через те, що фільтри потрібно замінювати частіше, а планове технічне обслуговування необхідно проводити раніше, ніж очікувалося.

Поршневі насоси: високий тиск, точне керування та гнучкість змінного робочого об’єму

Поршневі насоси здатні працювати при дуже високих тисках — зазвичай понад 400 бар, а також відрізняються високою ефективністю: механічна ефективність становить близько 92 %, а об’ємна — приблизно 93 %. Керування потоком є винятковим, особливо у осьових конструкціях із регульованими нахиленими дисками. Це робить їх ідеальними для складних гідравлічних систем, що включають такі технології, як виявлення навантаження або компенсація тиску. Такі системи зменшують втрати енергії приблизно на 40 % під час експлуатації важкого обладнання на кар’єрах або будівельних майданчиках, де регулярно виконується бетоноподавання. Хоча початкова вартість поршневих насосів може бути вдвічі–утричі вищою за вартість шестеренчастих насосів, при правильному технічному обслуговуванні вони мають значно більший термін служби — іноді понад 10 000 годин роботи до проведення капітального ремонту. Крім того, їх покращені характеристики відновлення енергії, як правило, забезпечують економію в довгостроковій перспективі. Рівень шуму залишається помірним — у межах 70–80 дБ, однак під час ремонту ці насоси слід обслуговувати лише кваліфікованим технічним персоналом із використанням спеціалізованого інструменту. Саме тому налагодження та підтримка добрих стосунків із виробниками оригінального обладнання має вирішальне значення для забезпечення тривалої технічної підтримки та програм підготовки персоналу.

Ключові компроміси між ефективністю та надійністю в гідравлічних насосах

Об’ємна та механічна ефективність у різних технологіях насосів

Ефективність гідравлічних насосів залежить від двох основних чинників, що діють у поєднанні: обсягу рідини, яка насправді проходить через насос порівняно з теоретичним обсягом (об’ємна ефективність, яка знижується через внутрішні витоки), та того, наскільки ефективно насос перетворює вхідну потужність у вихідну (механічна ефективність, яку знижують тертя й ковзання). Зубчасті насоси мають досить високу механічну ефективність — близько 85–90 %, оскільки в них дуже мало рухомих частин. Проте вони втрачають приблизно 25 % об’ємної ефективності, оскільки неможливо уникнути зазорів між зубцями шестерень і корпусом насоса. Пластинчасті насоси забезпечують кращий загальний баланс: завдяки конструкції ротора їхня механічна ефективність становить близько 92 %, а втрати об’ємної ефективності — менше 12 %, за умови, що рідина чиста й робочі умови стабільні. Поршневі насоси є, по суті, «золотим стандартом» щодо продуктивності: вони досягають механічної ефективності 95 % та об’ємної — понад 93 % завдяки прецизійно обробленим деталям і надто жорстким внутрішнім допускам. Однак такий рівень продуктивності вимагає дуже якісної фільтрації робочої рідини (приблизно за стандартом ISO 16/13) та стабільного температурного режиму роботи. Проте те, що часто забувають більшість інженерів, — це те, що всі ці вражаючі показники руйнуються при підвищенні температури. Згідно з промисловими даними ISO 11171 та Parker Hannifin, кожне підвищення температури на 10 °C понад 60 °C скорочує термін служби насоса наполовину. Багатов’язкісні рідини намагаються зберегти цей делікатний баланс: рідини з меншою в’язкістю безумовно зменшують тертя, що сприяє підвищенню механічної ефективності, але водночас вони дозволяють більшій кількості рідини просочуватися крізь ущільнення, що може знизити об’ємну ефективність аж на 30 % у деяких випадках.

Шум, генерація тепла та вимоги до технічного обслуговування за типом

Експлуатаційна поведінка значно відрізняється в різних сімействах насосів — не лише за показниками продуктивності, а й за способом взаємодії з інфраструктурою системи та протоколами технічного обслуговування:

• Шестерні насоси створюють шум у діапазоні 75–85 дБ і помірне тепло; їхня довговічність дозволяє замінювати ущільнення раз на рік у більшості режимів експлуатації. Вони витримують чистоту робочої рідини за стандартом ISO 20/18 — що робить їх стійкими до умов польового обслуговування.

• Пластинчасті насоси тоді як вони тихіші (65–75 дБ), генерують приблизно на 15 % більше тепла, ніж аналогічні шестеренні насоси, при номінальному тиску через тертя лопатей і контакт з кулачковим кільцем. Це вимагає щоквартального огляду зносу лопатей і кулачкового кільця, а також строгого дотримання фільтрації за стандартом ISO 18/16/13.

• Хоча поршневі насоси в цілому працюють добре, вони, як правило, створюють більш гучні шуми — приблизно 70–80 децибелів — і, крім того, виділяють на 40 % більше тепла порівняно з шестеренчастими насосами під час роботи на максимальній потужності. Ефективне відведення всього цього зайвого тепла є абсолютно необхідним для правильного функціонування системи. Це означає, що мають бути встановлені резервуари достатнього об’єму, ефективні системи охолодження, а також забезпечено правильну траєкторію руху робочої рідини. У системах, що працюють безперервно, перевірка положення нахилової шайби та огляд клапанних плиток кожні два місяці стають досить важливими роботами з технічного обслуговування. Повне ремонтне відновлення таких насосів можуть здійснювати лише сертифіковані техніки виробників оригінального обладнання. Крім того, процес збирання повинен строго відповідати вказаним значенням моменту затягування, оскільки будь-яке відхилення від цих вимог може призвести до серйозних проблем у роботі в майбутньому.

Забруднення залишається універсальною загрозою: чистота рідини безпосередньо визначає середній час між відмовами (MTBF). Як підтверджено Звітом про надійність у експлуатації Bosch Rexroth за 2022 рік, підтримання чистоти за стандартом ISO 16/13 збільшує MTBF поршневого насоса в 3,2 раза порівняно зі стандартом ISO 20/18 — а термін служби лопатевого насоса — більш ніж у 5 разів.

Вибір правильного гідравлічного насоса для вашого застосування

Вибір оптимального гідравлічного насоса вимагає узгодження технічних можливостей із реальними обмеженнями — не лише пікових характеристик, а й того, як насос працює протягом усього свого життєвого циклу. Розгляньте ці п’ять взаємопов’язаних факторів:

• Робоче середовище : Екстремальні температури, пил у навколишньому середовищі, волога та інтенсивність циклу роботи визначають вимоги до стійкості. Поршневі насоси витримують більш важкі умови, ніж лопатеві насоси, чиї вузькі зазори швидко погіршуються в забруднених або високотемпературних умовах.

• Витрата та профіль тиску : Розрахуйте пік та середнє попит — а не лише максимальний тиск (PSI) та витрата (GPM). Шестеренні насоси підходять для стабільної роботи при низькому й помірному тиску (<250 бар); поршневі насоси є обов’язковими для періодичних вибухів високого тиску (>400 бар) або систем із змінним попитом, що використовують керування за навантаженням.

• Сумісність рідин індекс в’язкості, стабільність до окиснення та вміст протизношувальних присадок мають відповідати типу насоса. Використання малов’язкої рідини в шестеренному насосі може покращити механічну ефективність, але збільшить витік — а невідповідна змащувальність може знизити об’ємну ефективність на 15–20 % у лопатевих або поршневих агрегатах.

• Пріоритети ефективності енергоємні операції найбільше виграють від високої механічної ефективності поршневих насосів (≥92 %) та гнучкості змінного робочого об’єму — навіть за умови вищої початкової вартості. У застосуваннях, де потрібна повторювана й точна витрата (наприклад, преси з сервокеруванням), пріоритетом є об’ємна стабільність, у якій перевагу мають поршневі насоси та добре обслуговані лопатеві насоси.

• Бюджет та витрати протягом життєвого циклу шестеренні насоси мінімізують капітальні витрати, але в умовах безперервного використання можуть потребувати ремонту втричі частіше, ніж поршневі насоси. Врахуйте необхідність оновлення фільтрації, підбору розмірів охолоджувача, підготовки техніків та ризики простою — особливо для систем із змінним робочим об’ємом, де неправильна настройка нівелює енергозбереження.

У кінцевому підсумку, правильний насос визначається не лише максимальною тиском або найнижчою вартістю — це насос, чий механізм регулювання робочого об’єму, профіль ефективності та вимоги до технічного обслуговування точно відповідають функціональним порогам та реальним експлуатаційним умовам вашої системи.

ЧаП

Яка основна відмінність між гідравлічними насосами з постійним і змінним робочим об’ємом?

Гідравлічний насос з постійним робочим об’ємом подає постійну кількість рідини за кожен цикл, незалежно від потреб системи. Натомість насос із змінним робочим об’ємом може регулювати кількість подаваної рідини залежно від поточних вимог системи, що забезпечує кращу ефективність та адаптивність.

Чому поршневі насоси переважно використовують у високотискових застосуваннях?

Поршневі насоси здатні працювати при високих тисках, часто перевищуючи 400 бар, що робить їх ідеальними для вимогливих застосувань. Вони також забезпечують високий ККД завдяки точним компонентам і можливості інтеграції змінної подачі.

Як забруднення рідини впливає на лопатеві насоси?

Лопатеві насоси особливо чутливі до забруднення рідини. Навіть дрібні частинки можуть спричиняти знос внутрішніх компонентів насоса, що призводить до зниження ефективності й зростання витрат на технічне обслуговування.

Які рівні шуму різних типів гідравлічних насосів?

Зубчасті насоси, як правило, є найшумнішими й створюють рівень шуму від 75 до 85 децибел, тоді як лопатеві насоси працюють тихіше — від 65 до 75 децибел. Поршневі насоси займають проміжне положення з рівнем шуму від 70 до 80 децибел.