پمپ دنده ای هیدرولیک ساده (دنده خارج) :
پمپ دنده ای اولین نوع پمپ هیدرولیک با جابجایی ثابت است. این نوع پمپ از گروه پمپ های چرخشی نیز محسوب میشود. این گونه پمپ های هیدرولیک ، پمپ هیدرولیک دندهای خارجی نیز نامیده میشوند. این پمپ دارای دو چرخ دنده مزدوج است که در محفظه ای بسته میچرخند. چرخش یکی از چرخدنده ها به نام محرک باعث چرخش چرخدنده دیگر به نام متحرک میشود. معمولاً محور محرک در قسمت بالایی پمپ به چرخدنده محرک متصل است.
با شروع کار پمپ هوای موجود در محفظه ، به سمت دهانه خروجی رانده میشود . با خروج هوا از محفظه پمپ ، خلأ نسبی در سمت مکش پمپ ایجاد میشود. سیال از مخزن تحت فشار اتمسفری یا فشار موجود در مخزن به ورودی پمپ رانده میشود. سپس سیال در فضای بین دندانه ای و پوسته پمپ ، در بالا و پایین به دام میافتد. ادامه چرخش پمپ باعث رانش قوی سیال با فشار زیاد به سمت دهانه تخلیه پمپ میشود.
افزایش فشار در پمپ دنده ای ، نتیجه عمل فشردگی سیال ، هنگامی است که در فضای بین دنده ای درگیر و پوسته به جلو رانده میشود. بنابراین اساس کار این پمپ های هیدرولیک ، افزایش حجم فیزیکی در سمت مکش یعنی افزایش فضای بین دندانه ای و پوسته (فضای بینابینی است) که ایجاد خلأ نسبی یا مکش میکند و کاهش آن در سمت تخلیه ، باعث ایجاد رانش سیال پرفشار یا تخلیه میشود.
همانطور که گفته شد ، این پمپ ها دارایجابجایی ثابت اند و تنها راه تغییر جابجایی و دبی پمپ تغییر سرعت محوری ورودی است. محدوده سرعت این پمپ ها از 500 تا rpm6000 (در موارد خاص بیشتر از این) و محدوده فشار از صفر تا bar 300 و نرخ جابهجایی از 2/0 تا است. بازده کل نظری پمپ دنده ای به طور قابل ملاحظهای به تولرانس های تولید و جزئیات طراحی پمپ دنده ای بستگی دارد ولی در بعضی مدلها ممکن است از 90٪ نیز تجاوز کند.
در سرعتهای ثابت دبی پمپ تقریباً یک خط افقی است. با افزایش نشتی در چرخدنده ها از سمت تخلیه به مکش ، شاهد کاهش جزئی در دبی پمپ خواهیم بود. گاهی اوقات نشتی پمپ های هیدرولیک دنده ای را slip نیز میگویند. مقدار نشتی سیال با افزایش فشار تخلیه در خروجی پمپ افزایش مییابد. همچنین با افزایش لقی اجزا و افزایش دما که باعث کاهش گرانروی سیال میشود، نشتی سیال در سیستم افزایش مییابد.
منحنیهای نمایش رابطه بین فشار خروجی و دبی پمپ را منحنیهای Head-Capacity یا HQ و منحنیهای نمایش رابطه بین توان ورودی و دبی پمپ را منحنیهای Power-Capcity یا PQ میگویند. با افزایش سرعت و فشار تخلیه پمپ ، توان ورودی به پمپ افزایش مییابد. با افزایش سرعت ، دبی پمپ هم افزایش مییابد. مثلاً در فشار کاری psi120 و سرعت rpm 200، توان ورودی، hp 5 خواهد بود و در سرعت rpm 600، توان ورودی hp 13 خواهد بود. دبی های مربوطه در این سرعت و فشار به ترتیب 40 و gpm 95 هستند که با رسم خطی افقی از محل تقاطع خط عمودی psi 120 با منحنیهای HQ در سرعتهای 200 و rpm 600، و خواندن عدد محل تقاطع این خط افقی با محور دبی ، حاصل میشود.
برای سیالات با گرانروی ثابت با افزایش گرانروی و غلیظ شدن سیال و مقاومت بیشتر آن در مقابل جریان ، دبی پمپ هیدرولیک کاهش مییابد. در سیالات با گرانروی بالا، به دلیل عدم امکان پر شدن سریع محفظه پمپ از سیال ، دبی پمپ دنده ای در سرعت های بالا، محدود میشود.
در فشار تخلیه psi 80، دبی پمپ gpm 220 است در حالی که گرانروی سیال SSU 100 است. هنگامی که گرانروی تا SSU 500 افزایش یابد ، دبی پمپ تا gpm 150 کاهش مییابد. همچنین توان ورودی به پمپ با افزایش گرانروی ، افزایش مییابد.
هرگاه دهانه خروجی پمپ جابهجایی مثبت مثل پمپ دندهای مسدود شود، فشار تخلیه آنقدر افزایش مییابد که پمپ از حرکت باز میایستد و ادامه این کار به شکست و خرابی اجزای پمپ دنده ای منجر میشود. برای رفع این خطر، از شیرهای فشارشکن در لولههای خروجی و یا به عنوان بخشی از خود پمپ استفاده می شود. با افزایش فشار و کاهش دبی در سمت خروجی ، این شیر با تخلیه جریان از سمت خروجی به سمت ورودی ، فشار را تا حد تنظیم شده در پمپ کاهش میدهد.
هزینه ساخت و نگهداری پمپ دندهای زیاد است. پمپ های دندهای ساده خارجی دارای طرحی نامتعادل اند که باعث اعمال نیروهای جانبی بر چرخدنده ها و محور نگهدارنده آنها و در نتیجه محدود شدن فشار و سرعت پمپ (توزیع غیریکنواخت نیروهای جانبی بر محور پمپ) میشود. چگونگی توزیع غیر یکنواخت فشار محیطی بر روی چرخدنده ها و محور نگهدارنده آنها را نشان میدهد.
این عیب را در پمپ های دنده ای به دو روش میتوان از بین برد. یکی استفاده از سوراخکاری متقابل بین دندانه ها و دیگری استفاده از ماشینکاری پوسته جانبی (خزینهکاری) برای راهیابی جزئی نواحی پرفشار و کم فشار و متعادل کردن توزیع فشار.
به طریق مشابه از این روش برای رها کردن روغن محبوس شده بین دندانه ها و برای جلوگیری از ایجاد فشار موضعی زیاد و سر و صدا در پمپ استفاده میشود. هنگام کار کردن پمپ در فشار زیاد ، فضای مسدود شده بین دندانه ها از سمت تخلیه به سمت مکش ، تمایل به حرکت دارد. هنگامی که این فضا به خطر مرکز نزدیک شود حجم آن کم میشود و در خط مرکز حداقل حجم را دارد و بعد از آن حجم افزایش مییابد و سرانجام این حجم در سمت مکش منبسط میشود.
برای جلوگیری از ایجاد فشارهای خیلی زیاد در فضای مسدود بین دندانه ها و صفحات جانبی که باعث خرابی و سر و صدای زیاد میشود، جایی که روغن بین دندانه ها محبوس و تحت فشار قرار گرفته است ، کانالی وجود دارد که روغن مازاد بر حجم مسدود را به قسمت تخلیه پمپ هدایت میکند. طرح کانال به نحوی است که هنگام به حداقل رسیدن حجم فضای مسدود ، ارتباط آن با قسمت تخلیه ، قطع میشود و به این ترتیب فضای تخلیه و مکش توسط کانال فوق به یکدیگر متصل نخواهد شد.
با این روش، هنگامی که پمپ دنده ای تحت بار بیش از حد قرار میگیرد اختلاف میزان لقی شعاعی در سمت مکش و تخلیه با توجه به نحوه توزیع نیروها بر روی چرخدنده ها ، به صفر میرسد. میزان لقی شعاعی در سمت خلیه (بین چرخدنده و بدنه پمپ)، در پمپهای دنده ای کوچک، mm 03/0 و در مورد پمپ های بزرگ ، mm 05/0 است. میزان لقی شعاعی در سمت مکش، بین چرخدنده و پوسته پمپ در همه انواع ، سه برابر میزان لقی مذکور در سمت تخلیه است.
در طرح برخی از پمپ ها از بوشهای شناور برای کاهش لقی جانبی استفاده شده است. راهگاه های تعبیه شده در پوسته پمپ ، جریان پرفشار روغن را به پشت بوش ها هدایت میکنند و باعث رانش آنها به سمت چرخدنده ها میشود. علاوه بر این ، بوشهای شناور باعث هم محوری دقیق یاتاقان های موجود در بوشها و پوسته پمپ میشوند. میزان لقی جانبی برای پمپ های کوچک mm 03/0 و برای پمپهای بزرگ mm 08/0 است و بنابراین فشار این پمپ های هیدرولیک نسبت به پمپهای مشابه از حدود bar 110 به bar 210 افزایش و نشتی جانبی تا حد زیادی کاهش مییابد.
پمپ دندهای داخلی (دنده داخل):
این پمپ دارای یک چرخدنده یا روتور محیطی است که توسط یک چرخدنده محرک ، میچرخد. روتور محیطی در واقع چرخدنده ساده ای از نوع داخلی و چرخدنده محرک در واقع چرخدنده ساده ای از نوع خارجی است. روتور با پوسته پمپ (پمپ voith) هم مرکز است و درون آن میچرخد. چرخدنده G نسبت به روتور، غیر هممرکز است که با چرخدنده روتور در نقطه T درگیر است و آن را میچرخاند. هلالی C که در روی درپوش انتهایی پمپ قرار گرفته ، عامل آببندی بین مکش و تخلیه در پمپ (پمپ voith) است. با چرخش چرخدنده خارجی ، روتور همجهت با آن میچرخد.
با شروع حرکت ، اولین مرحله عملکرد پمپ یعنی افزایش حجم فیزیکی پمپ در سمت مکش ، یا افزایش حجم بین دندانه های روتور، چرخدنده G، و پوسته پمپ انجام میشود که باعث ایجاد خلأ نسبی و مکش در ورودی پمپ دنده ای میشود. دومین مرحله ، محبوس شدن سیال در فضای بین دندانه ها ، زائده هلالی و پوسته پمپ و رانش آن به سمت خروجی پمپ است. در مرحله سوم با کاهش حجم فیزیکی پمپ با فضای بین دندانه ای و پوسته ، سیال با جریان پرفشار به دهانه تخلیه رانده میشود.
برخی از پمپهای دنده ای داخلی با شیرهای فشارشکن داخلی ساخته میشوند و سمت مکش و دهش به جای استفاده از حفره پوسته به وسیله کفشکهای متعادلکننده هیدرولیکی جدا شده است. این کفشکها سه کار عمده انجام میدهد :
1- هنگامی که فشار وارد بر فنر افزایش مییابد ، کفشک بالا میآید و روتور را بالا میکشد و همانند شیر فشارشکن عمل میکند. این نوع پمپ ها معمولاً فشار پایین اند و بار فنر برای فشارهایی بین 10 تا psi 20 تظیم میشود.
2- کفشک به ذرات جامد کوچک و تراشههای جریان اجازه میدهد که بدون خراب کردن روتور یا محفظه ، عبور کنند.
3- کفشک همچنین از سایش پمپ و نشتی از سمت تخلیه به سمت مکش جلوگیری میکند.
مشخصه های پمپ دنده ای داخلی:
همانند پمپ های دندهای ساده خارجی است. تمایل به کاهش بازده حجمی ؛ در پمپ های دندهای داخلی ( پمپ voith ) به علت فرسایش دنده مرکزی ، خیلی بیشتر از پمپ های دندهای خارجی است. چون ایجاد جریان و سرعت سیال در این نوع پمپ ها (پمپ voith ) به وسیله چندین دندانه انجام میشود ، سرعت جریان و همچنین میزان سر و صدا در این نوع پمپ ها بسیار کمتر از پمپ های دندهای خارجی است.
طول محدوده مکش و دهش در این نوع پمپ دنده ای تقریباً سه برابر پمپ های دندهای خارجی است. پمپ دنده ای داخلی ( پمپ voith ) از نوع آب بندی هلالی دارای نرخ فشاری تا bar 100 (psi 1450) و نرخ جریانی بیش از L/min 200 است. ترکیب دو یا چند پمپ به صورت سری که پمپ چند طبقه نام دارد ، ممکن است فشاری تا حدود bar 300 (psi 4350) و جریانی در حدود L/min 125 ایجاد کند. پمپ های هیدرولیک دنده ای داخلی ( پمپ voith ) چند طبقه از بی صداترین پمپ های هیدرولیک موجود هستند.
پمپ دندهای داخلی از نوع روتور متحرک (Gerotors):
این پمپ دارای یک جفت المان چرخدندهای داخلی و خارجی است که یکی از آنها درون دیگری تعبیه شده و درون محفظه پمپ قرار گرفتهاند. روتور داخلی به محور محرک پمپ متصل است و روتور متحرک خارجی را میچرخاند. از این پمپ بیشتر به عنوان پمپ روغنکاری یا انتقال سیال در ماشین آلات دیگر استفاده میشود.
همانند پمپ دندهای داخلی هلالی ، وظیفه مکش و تخلیه بر عهده چندین دانه است و این باعث نرمی و بی سر و صداتر کار کردن این پمپ ها حتی گاهی بهتر از نوع هلالی میشود. با انتخاب ساده سازی ماشینکاری پوسته پمپ ، مجموعه چرخدنده ها توسط رینگ خارج از مرکز در پوسته قرار میگیرند. در حالت عادی ، برای جلوگیری از چرخش این رینگ خارج از مرکز ، سازنده آن را در نقطه ای پین میکند ولی با تغییری ساده در طراحی رینگ به اندازه ْ180 در خلاف جهت خارج از مرکزی میچرخد و این باعث میشود که با تغییر جهت چرخش پمپ ، جهت جریان عوض نشود و ثابت بماند.
نحوه عملکرد این پمپ ها:
چرخدنده داخلی یک دندانه کمتر از روتور خارجی دارد. دندانه های چرخدنده داخلی به نوبت بر سطح دندانههای روتور خارجی میلغزد و کل حرکت به شکلی است که به نظر میرسد چرخدنده داخلی درون روتور میغلتد. هر جفت از دندانه های درگیر از دو چرخدنده ، دقیقاً در یک نقطه از پمپ با هم درگیر میشوند. بنابراین دندانه 1 با دندانه 2، دندانه 3 با دندانه 4، و به همین ترتیب ، هنگامی که هر جفت به موقعیت X برسد ، درگیر خواهند شد.
در سمت راست نقطه درگیری یا نقطه X ، حجم فیزیکی پمپ افزایش مییابد که باعش مکش میشود و در سمت چپ این نقطه ، حجم فیزیکی آن کاهش مییابد که باعث تخلیه میشود. بنابراین دریچه مکش پمپ در سمت راست و دریچه دهش در سمت چپ قرار میگیرد. روتور خارجی و چرخدنده داخلی ، حتی اگر سرعت محور پمپ بسیار بالا باشد ، نسبت به یکدیگر بسیار آرام حرکت میکنند. در پمپی با سرعت محور rpm 1800، اجزای داخلی با سرعت rpm 200 نسبت به هم میچرخند. دبی این پمپ ها از کسری از گالن بر دقیقه تا بیش از gpm 100 (L/min 380) است. در این نوع پمپ هر روتور، فشاری تا حدود psi 2000 (bar 140) ایجاد میکند. فشار جریان در انواع چند طبقه (پمپهای سری) تا حد چشمگیری افزایش مییابد.
حجم جابهجایی در این نوع پمپ از 1/0 تا است. تحمل آلودگی ذرات جامد نیز در این نوع پمپ زیاد است.