Шестеренный насос с переменной скоростью

Когда говорят про шестеренный насос с переменной скоростью, многие сразу представляют себе плавное регулирование подачи чуть ли не от нуля до максимума, как у некоторых аксиально-плунжерных машин. И вот тут начинается первое и самое распространенное недопонимание. Шестеренка — агрегат по сути своей объемный, с жесткой геометрией рабочей камеры. Прямого изменения рабочего объема, как у насоса с наклонным диском, у нее нет. Поэтому ?переменная скорость? здесь — это прежде всего про изменение частоты вращения вала электроприводом, а значит, про систему в целом: насос + частотный преобразователь + управление. И сразу оговорюсь: не всякая шестеренная пара хорошо переносит широкий диапазон оборотов, особенно высокие. Вибрации, кавитация, износ — все это вылезает моментально, если подходить бездумно.

Где это вообще имеет смысл?

Сразу отмечу, что область применения таких систем — не высокодинамичные сервоприводы, где нужны миллисекундные отклики. Там царствуют плунжерные насосы, такие как серии A4VSO или A10VSO, которые у того же Vicks Hydraulic представлены как высококлассные решения. А вот для задач, где требуется энергоэффективность в циклических или режимных процессах с изменяющейся потребностью в потоке, но без жестких требований к динамике, шестеренный насос с переменной скоростью может быть очень оправдан. Например, термостатические установки, дозирование в технологических линиях, некоторые контуры смазки или охлаждения.

Ключевой плюс — потенциальное снижение потерь. Вместо того чтобы гнать постоянный поток через клапан сброса или дроссель, мы меняем обороты двигателя, приближая подачу насоса к реальной потребности системы. Но экономия должна считаться честно: с учетом КПД самого частотника, возможного падения общего КПД насоса на низких оборотах из-за роста относительных утечек, стоимости более сложной системы управления. Иногда проще и надежнее поставить классический шестеренный насос с байпасом — это надо просчитывать для каждого случая.

В практике нашей работы с гидравликой часто всплывает один нюанс. Многие забывают про минимально допустимую скорость вращения. Для шестеренных насосов, особенно внутреннего зацепления, она критична. Слишком медленное вращение ведет к недостаточному наполнению впадин, усиленному износу и перегреву из-за того, что поток масла для смазки и отвода тепла становится слишком слабым. Это не теоретические страшилки — видел как раз на испытаниях одного агрегата, где заказчик хотел получить диапазон регулирования 1:10. На низких оборотах насос буквально ?скрипел? и быстро выходил из строя.

Опыт с насосами внутреннего зацепления: серия VG как пример

Здесь уместно обратиться к конкретному продукту. В ассортименте компании ООО ?Викс Интеллектуальное Оборудование (Нинбо)? есть высоконапорные шестеренные насосы внутреннего зацепления серии VG, рассчитанные на давление до 40 МПа и скорость вращения до 4000 об/мин. Когда мы рассматривали возможность построения на их основе системы с переменной скоростью, первым делом смотрели именно на заявленный диапазон оборотов. 4000 об/мин — это уже серьезно, не каждый насос так крутится без последствий.

Рабочий объем от 3 до 320 мл/об — это широкий ряд. Но важно понимать: для системы с ЧПУ лучше подходят насосы меньшего рабочего объема. Почему? Инерция. Меньший объем — меньше момент инерции ротора, электроприводу проще разгонять и тормозить такую систему, да и пульсации потока на высоких оборотах могут быть менее выраженными. Для больших объемов (скажем, те же 320 мл/об) реализация широкого диапазона регулирования скорости — задача нетривиальная. Потребуется мощный и дорогой частотный преобразователь, а сам насос будет очень чувствителен к условиям всасывания на высоких оборотах.

Практический совет, который мы вынесли: если нужен именно шестеренный насос с переменной скоростью на базе таких моделей, стоит закладывать дополнительный подпор на всасывании (например, вспомогательный насос постоянной скорости) и обязательно предусматривать датчики давления и температуры в контуре смазки. Без этого система будет работать, но ее ресурс и надежность окажутся под вопросом. Информацию по таким компонентам всегда можно уточнить на сайте производителя Vicks Hydraulic, где подробно описаны не только насосы, но и полный спектр гидравлических моторов и другой сопутствующей аппаратуры.

Проблемы, с которыми сталкиваешься в ?поле?

Одна из самых коварных проблем — резонансы. Когда частотник начинает менять обороты, он проходит через различные критические частоты вращения механической системы (насос, муфта, двигатель). Если конструкция не очень жесткая или монтаж выполнен с перекосами, в определенном диапазоне оборотов может возникнуть сильная вибрация. Однажды при запуске стенда насос на 2500 об/мин начинал так ?плясать?, что срывало трубки. Пришлось переделывать фундаментную плиту и ставить демпфирующие прокладки. Это к вопросу о том, что система — это не только насос.

Еще момент — управление. Самый примитивный вариант — задание скорости по аналоговому сигналу 0-10В от контроллера. Но часто этого недостаточно. Нужна обратная связь по давлению в системе, чтобы организовывать простейший ПИД-контур регулирования. И вот тут важно, чтобы частотник ?умел? работать с такими сигналами и имел соответствующие логические функции. Иначе придется ставить внешний контроллер, что удорожает и усложняет схему.

Нельзя забывать и о фильтрации. Шестеренный насос, особенно работающий в широком диапазоне оборотов, по-разному реагирует на загрязнение масла. На низких оборотах крупные частицы могут застревать в зазорах, на высоких — увеличивается абразивный износ. Требования к чистоте масла для такой системы обычно на ступень выше, чем для насоса с постоянной скоростью. Ставим фильтр тонкой очистки на давление с обязательным байпасным клапаном, и на сливе — тоже.

Сравнение с альтернативами: почему не пластинчатый?

Логичный вопрос: а если нужна регулируемая подача, почему бы не рассмотреть, например, инновационные ABT сервопластинчатые насосы, которые также есть в портфеле Vicks? У них же как раз может быть реализовано регулирование рабочего объема. Это верно. Пластинчатые насосы серий T6, T7, V и других — отличное решение для многих задач с переменным потоком. Они часто тише, имеют хорошие характеристики по пульсациям.

Но у шестеренного насоса с переменной скоростью есть свои козыри. Во-первых, часто более высокая стойкость к загрязнениям. У шестерен меньше точных скользящих пар в зоне высокого давления, чем у пластинчатого насоса. Во-вторых, потенциально более высокая удельная мощность и максимальное давление (те же 40 МПа для серии VG — показатель серьезный). В-третьих, в некоторых случаях — более простая и ремонтопригодная конструкция. Шестеренную пару поменять часто проще, чем восстановить ротор со пластинами и статор.

Выбор, как всегда, зависит от ТЗ. Если нужна точная компенсация давления или потока с хорошей динамикой — смотрим в сторону сервопластинчатых или плунжерных насосов. Если нужна надежная, выносливая система для работы в тяжелых условиях с изменяющимся, но не слишком быстро, расходом — тогда комбинация ?шестеренный насос + ЧПУ? имеет право на жизнь. Причем, повторюсь, насос должен быть изначально рассчитан на работу в таком режиме.

Выводы, которые не претендуют на истину в последней инстанции

Итак, шестеренный насос с переменной скоростью — это не волшебная таблетка, а специфический инструмент. Его применение требует системного взгляда: от характеристик самой шестеренной пары (как у уже упомянутых насосов VG) до качества электропитания и алгоритмов управления. Экономический эффект есть, но он проявляется не всегда и не сразу.

Главное, что хочется донести: не стоит гнаться за максимально широким диапазоном регулирования ?просто потому что можем?. Определите реально необходимый диапазон расходов в вашей системе, посчитайте время работы в разных зонах, оцените стоимость владения. Иногда оказывается, что оптимальное решение лежит где-то посередине: насос с двумя фиксированными скоростями или комбинация из основного насоса с ЧПУ и небольшого дополнительного насоса постоянной скорости для покрытия пиковых нагрузок.

В конце концов, гидравлика — это практика. Теория и каталоги, как у Vicks Hydraulic, дают отправные точки. Но окончательное решение всегда должно проверяться расчетами, а лучше — натурными испытаниями. Потому что та самая ?переменная скорость? в паспорте и в реальной работе на изношенном масле с колебаниями напряжения в сети — это, увы, немного разные вещи. И понимание этой разницы и есть признак того, что ты имеешь дело не с продажной брошюрой, а с инженерным решением.