پمپ پیستونی هیدرولیک و یا پمپ هیدرولیک پیستونی شعاع محوری

پمپ پیستونی هیدرولیک:

پمپ پیستونی هیدرولیک پیستونی در گروه پمپ‌های رفت و برگشتی قرار دارد. ساختمان این پمپ از پیستون، بلوک سیلندر که پیستون در آن حرکت رفت و برگشتی دارد، و دریچه‌های مکش و تخلیه، که ممکن است شیرهای یکطرفه و یا شیرهای صفحه‌ای (آسیابی) تشکیل شده است.

عمل مکش و تخلیه با رفت و برگشت پیستون در پمپ پیستونی ، و افزایش حجم فیزیکی و ایجاد خلأ نسبی در سمت مکش و سپس کاهش این حجم در سمت تخلیه و رانش قوی سیال با جریان پرفشار انجام می‌شود. ساده‌ترین نوع پمپ‌های رفت و برگشتی پمپ‌های تلمبه‌ای است.

پمپ‌های پیستونی با فشار کاری بالای bar 140 (psi 2000) به کار می‌روند. مشخصه اولیه پمپ پیستونی هیدرولیک (انواع پمپ های پیستونی) بازده حجمی و بازده کل بالا، به ویژه در فشارهای است. این امر به ویژه هنگامی مهم است که در سیستم ، دبی ثابت و مستقل از تغییرات فشار لازم باشد. از پمپ های پیستونی به عنوان پمپ‌های قدرت نیز یاد شده است.

پمپ های پیستونی به سه گروه عمده تقسیم می‌شوند: 1- پمپ هیدرولیک پیستونی محوری 2- پمپ های پیستونی شعاعی 3- پمپ های پیستونی خطی یا پمپ‌های پلانجری.

پمپ هیدرولیک پیستونی محوری:

این نوع پمپ پیستونی هیدرولیک شامل دو گروه اساسی : جابه‌جایی ثابت و جابه‌جایی متغیر است که در این مقاله جداگانه به بررسی هرکدام می‌پردازیم.

پمپ های پیستونی محوری جابه‌جایی ثابت:

پمپهای پیستونی محوری جابه‌جایی ثابت به دو گروه عمده تقسیم می‌شوند: 1- پمپ پیستونی هیدرولیک محوری که خود شامل دو گروه با صفحة مورب؛ SP و با شیر یکطرفه؛ CV است. و 2- پمپ پیستونی هیدرولیک محوری کج.

پمپ پیستونی هیدرولیک محوری در فشارهایی تا psi 3000 (bar 210) با بازده کل و حجمی بالا (به ترتیب حدود 96٪ و 85٪) کار می‌کند. محدوده ی سرعت اسمی آنها از 3000 تا 4000 rpm و در بعضی موارد به rpm 15000 می‌رسد.

اجزای پمپ های SP عبارتند از:

1- دریچه‌های ورودی و خروجی

2- شیر صفحه‌ای (آسیابی)

3- صفحه بادامک مایل یا صفحة مورب

4- مجموعة آب‌بندی‌های محور (کاسه‌نمدها)

5- یاتاقان‌ها و محور محرک

6- پیستون‌ها

7- بلوک سیلندر.

بلوک سیلندر توسط محور می‌چرخد و SP ثابت است. در بعضی طرح‌ها SP می‌چرخد و بلوک سیلندر ثابت است. همچنین در بعضی از انواع این پمپ پیستونی هیدرولیک بجای استفاده از شیرهای صفحه‌ای (PV) از شیرهای یکطرفه (CV) استفاده می‌شود.

با چرخش نسبی SP و بلوک سیلندر، پیستون‌ها درون بلوک سیلندر حرکت رفت و برگشت انجام می‌دهند و با عملکرد شیر آسیابی و دریچه‌های ورودی و خروجی، عمل مکش و تخلیه انجام می‌شود. زاویة SP در مدل‌های جابه‌جایی ثابت معمولاً ْ30 در نظر گرفته می‌شود.

در پمپ های پیستونی محوری کج ، پیستون‌ها درون بلوک سیلندر به وسیله مکانیزم چرخدنده مخروطی می‌چرخد، رفت و برگشت می‌کنند. راستای محور پمپ در نزدیکی اتصال محور محرک و بلوک سیلندر، کج می‌شود. به همین دلیل این پمپ ها را کج می‌نامند. زاویه انحراف استاندارد در این نوع پمپ پیستونی هیدرولیک معمولاً ْ15، ْ25، ْ30 و یا ْ40 است. این پمپ هیدرولیک بازده بالایی دارد و به طور گسترده در صنایع هوایی و فضایی به کار می‌رود.

وزن، نرخ جریان و فشار این پمپها:

وزن انواع پمپ های محوری کج بین 2 تا lbf 45 (در بسیاری موارد بسیار سنگین تر) است. نرخ جریان از 25/0 تا gpm 150 و فشار آنها تا psi 5000 (bar 350) است. محدوده سرعت در این نوع پمپ پیستونی هیدرولیک از 100 تا rpm 12000 بسته به اندازه و نوع کاربرد پمپ ، متغیر است. در بعضی از نمونه پمپ های پیستونی محوری کج، دبی در سیستم به L/min 3500 (gpm 925) می‌رسد.

استفاده از شیرهای یکطرفه با آب‌بندی مناسب در پمپ های SP ، فشارهایی بالاتر از فشار ایجاد شده توسط شیرهای آسیابی به دست می‌دهد. پمپ پیستونی هیدرولیک SP با شیرهای یکطرفه ، فشاری بیش از bar 700 و نرخ جریانی در حدود L/min 640 ایجاد می‌کنند. مدل‌های آسیایی فشاری بیش از bar 350 و نرخ جریانی در حدود L/min 1400 تولید می‌کنند.

پمپ های پیستونی محوری جابه‌جایی متغیر:

در این نوع پمپ پیستونی هیدرولیک، زاویه SP تغییر می‌کند و حجم‌های جابه‌جایی سیال متفاوتی ایجاد می‌شود. اگر زاویه منفی شود، جریان معکوس می‌شود.

زاویه SP هم به طریق مکانیکی مستقیم و هم با عملکرد پیستون جابه‌جاکننده قلاب که با جریان حاصله از شیر جبران فشار تغذیه می‌شود، تغییر می‌کند.

مقطع پمپ SP حجم متغیر را به همراه شیر جبران‌کننده فشار نمایش می‌دهد. هنگامی که مقاومت فشاری در مدار به مقداری بیش از حد تنظیم شده برای یونیت می‌رسد، به طور خودکار دبی پمپ پیستونی هیدرولیک و نهایتاً فشار را در سیستم کاهش می‌دهد. هنگامی که فشار از حد تنظیم شده خیلی پایین‌تر بیاید، توسط این مکانیزم، سیال از سیلندر کنترل، تخلیه می‌شود و به فنر کنترل زاویه SP اجازه می‌دهد تا SP را در حالت حداکثر دبی قرار گیرد تا فشار در یونیت مجدداً به حد تنظیم شده برسد.

پمپ هیدرولیک پیستونی شعاعی:

پمپ رفت و برگشتی پیستونی شعاعی شامل تعدادی پیستون شعاعی P است که در بلوک سیلندر L قرار گرفته‌اند و حول شیر مقسم محوری V می‌چرخند. بلوک سیلندر نسبت به روتور R، خارج از مرکز است و کفشک‌های سردسته پیستون‌ها روی سطح داخل از جنس فولاد سخت کار شده، قرار دارند.

روتور و بلوک سیلندر با هم می‌چرخند و بدنه خارجی روتور با بلوک S تماس لغزشی دارد. با چرخش بلوک سیلندر و روتور، به دلیل وجود خروج از مرکزی بین بلوک سیلندر و روتور، پیستون‌ها در جای خود رفت و برگشت دارند و شیر مقسم محوری عملیات مکش و تخلیه را ترتیب داده، کنترل می‌کند.

فضای X درون بلوک سیلندر K را در نظر بگیرید و فرض کنید که پیستون P در موقعیت A قرار دارد. با چرخش بلوک سیلندر در جهت عقربه‌های ساعت، تماس روتور با کفشک پیستون باعث حرکت پیستون به داخل بلوک سیلندر و کاهش حجم X از نقطة A به نقطه B می‌شود. بنابراین از A تا B، حجم فیزیکی پمپ کاهش می‌یابد و از این رو در این مقطع، تخلیه انجام می‌شود.

در ادامه حرکت از C به V، حجم X، یعنی حجم فیزیکی پمپ افزایش می‌یابد و بنابراین در این مقطع، مکش انجام می‌شود. مشاهده می‌شود که راهگاه‌های مکش و تخلیه توسط شیر مقسم محوری یا دریچه پینتل نسبت به هم آب‌بندی شده‌اند. این نوع پمپ پیستونی هیدرولیک را پمپ های پیستونی شعاعی از نوع پینتل می‌نامند.

پمپ پیستونی شعاعی با شیر یکطرفه:

نوع دیگری از پمپ‌های پیستونی شعاعی از نوع با شیر یکطرفه (CV) است. در این نوع پمپ پیستونی هیدرولیک، پیستون‌های تعبیه شده در بلوک سیلندر محیطی، حرکت رفت و برگشت انجام می‌دهند. ورود و خروج سیال، به محفظه هر سیلندر به طور جداگانه توسط شیرهای یکطرفه انجام می‌شود و سپس همه ورودی‌ها به هم و همه خروجی‌ها نیز به هم متصل می‌شوند. در بعضی طرح‌ها از یک ورودی و یک خروجی و در هر کدام، از یک شیر یکطرفه برای مکش و تخلیه استفاده می‌شود.

اگر مقدار خروج از مرکز بین روتور و بلوک سیلندر یا بین یاتاقان‌ خارج از مرکز و بلوک سیلندر، ثابت باشد، پمپ پیستونی از نوع جابه‌جایی ثابت خواهد بود. اگر مقدار خروج از مرکز پمپ تغییر کند، پمپ جابه‌جایی متغیر خواهد بود. همان‌طور که دیده می‌شود علاوه بر این، با تقارن هندسی خروج از مرکزی، یعنی با اعمال آن در جهت مخالف، می‌توان با ثابت نگه داشتن جهت دوران پمپ، جهت جریان را معکوس کرد.

مزیت این روش آن است که برای معکوس کردن جریان نیازی به استفاده از شیر کنترل جهت نیست و این امر باعث سادگی، افزایش بازده، و کاهش تولید گرما و غیره در مدار هیدرولیک می‌شود.

پمپ‌ هیدرولیک پیستونی شعایی دوفشاره:

انواع خاصی از پمپ های پیستونی شعاعی در فشارهای تا bar 1700 و دبی بیش از L/min 1000 کار می‌کنند. پمپ پیستونی هیدرولیک دوفشاره شامل پیستون‌های بزرگ کم‌فشار و پیستون‌های کوچک پرفشار که با خروج از مرکزی یکسان رفت و برگشت می‌کنند، در مدارهای Hi-Lo یا مدارهای سرعت بالا با فشار پایین و سرعت پایین با فشار بالا به ویژه در پرس های هیدرولیک ، به کار می‌روند. در پرس‌های هیدرولیک، ابتدا از یک مدار سرعت بالا با فشار پایین برای کورس سریع رسیدن ابزار سمبه به قطعه و سپس از یک مدار سرعت پایین با فشار بالا باری کورس شکل‌دهی ورق و پرسکاری نهایی، استفاده می‌شود.

پمپ‌های پلانچری خطی:

در این نوع پمپ پیستونی هیدرولیک، آرایش‌ پیستون‌ها در یک راستا بالای میل‌لنگ اصلی پمپ است که شامل یک محور با تعدادی یاتاقان غلتکی خارج از مرکز است. ورود و خروج سیال به سیلندر توسط شیرهای استکانی با بارگذاری فنری که در اصل شیرهای یکطرفه‌اند، انجام می‌شود. جریان خروجی پمپ های پلانجری، بازگشت‌پذیر نیست و اغلب آنها از نوع جابه‌جایی ثابت‌اند. این پمپ‌ هیدرولیک بازده حجمی بالایی دارد و فشار بیش از bar1000 و جریانی متجاوز از L/min 600 در سیستم تولید می‌کند.

پمپ پیستونی هیدرولیک قدرت:

پمپ‌ هیدرولیک قدرت، از نوع رفت و برگشتی و عمدتاً پلانجری خطی‌اند که سرعت، گشتاور، و تقریباً دبی ثابت دارند. پلانجرها یا پیستون‌ها توسط مکانیزم لنگ و لغزنده به وسیله منبع قدرت خارجی، حرکت می‌کنند. ظرفیت پمپ بدلیل وجود پیستون‌ها و پلانجرها، دارای نوسان است از این رو جریان خروجی در سیستم، موجی است. با افزایش تعداد پیستون‌ها و پلانجرها، میزان نوسان کاهش می‌یابد. هر پمپ پیستونی هیدرولیک برای سرعت، دبی، و توان مشخصی در سیستم طراحی می‌شود.

در عین حال هر پمپ پیستونی هیدرولیک ممکن است در قدرت و سرعتی پایین‌تر از حد مشخص و طراحی ویژه خود، کار کند که در این صورت با تلفات توان و عدم صرفه اقتصادی همراه است. این نوع پمپ پیستونی هیدرولیک، هم به حالت افقی و هم به حالت عمودی ساخته می‌شود. پمپ پلانجری افقی معمولاً توانی بیش از HP 200 دارد. این پمپ هیدرولیک معمولاً در جای خود قابل تعمیر، مونتاژ و نگهداری است و نیازی به جابه‌جایی ندارد. پمپ پلانجری معمولاً دارای 3 یا 5 عدد (به تعداد فرد) پلانجر است. محدوده توان پمپ پیستونی افقی تا hp 2000 است و شامل 2 یا 3 عدد پیستون تک‌کاره یا دوکاره است.

توان و فشار پمپ پلانچری:

پمپ پلانجری عمودی توانی بیش از hp 1500 دارد. در این نوع پمپ هیدرولیک ، سطح سیال در مخزن باید بالای ورودی پمپ قرار گیرد. در پمپ عمودی، مؤلفه نیروی وزن پلانجری روی بوش‌ها و کاسه نمدها حذف می‌شود و همراستای محوری بین پلانجرها و بوش‌های دربرگیرنده آنها، آسان‌تر است.

پمپ پیستونی هیدرولیک پلانجری فشاری بین 1000 تا psi 30000 در سیستم تولید می‌کند. حداکثر فشار تولیدی پیستون psi 1000 است. البته فشار توزیع یافته در پمپ متناسب با توان ورودی میل‌لنگ پمپ است. در پمپ های قدرت به علت فشار زیاد در سیستم و احتمال شکست مکانیکی، استفاده از شیرهای فشارشکن برای محافظت از پمپ الزامی است.

توان و فشار پمپ هیدرولیک در یک پلانچر (بازوی بالابر یا جرثقیل) وابسته به متغیرهای مختلفی است که به طور معمول شامل وزن بار، فاصله از مرکز گرانش، و سرعت حرکت بازوی بالابر است. برای محاسبه توان و فشار مورد نیاز برای پلانچر هیدرولیک، معادلات زیر را می‌توانید استفاده کنید:

توان مورد نیاز (W) برای بالابر پلانچر: W = F × d در اینجا:

W توان مورد نیاز (وات یا کیلووات) است.
F نیروی مورد نیاز برای بالابر کردن بار است (نیوتن یا کیلونیوتن).
d مسافتی است که بار بالا برده می‌شود (معمولاً متر یا سانتیمتر).

فشار مورد نیاز (P) در سیستم هیدرولیک: P = F / A در اینجا:

P فشار (پاسکال) است.
F نیروی مورد نیاز برای بالابر کردن بار است (نیوتن یا کیلونیوتن).
A مساحت سطح پیستون پمپ هیدرولیک است (معمولاً متر مربع یا سانتیمتر مربع).

برای دقیق‌ترین محاسبات، شما باید مشخصات دقیق پلانچر خود را داشته باشید، از جمله وزن بار، طول بازوی بالابر، سرعت حرکت، و مشخصات پمپ پیستونی هیدرولیک (مانند دبی و حداکثر فشار). این اطلاعات به شما کمک می‌کند تا توان و فشار دقیقی که برای پلانچر خود نیاز دارید را محاسبه کنید.

درصد افت حجمی یا نشتی در پمپ:

درصد افت حجمی؛ SL، افت دبی در سیستم است که به عنوان درصدی از دبی مکش معرفی می‌شود و شامل افت بازده حجمی؛ VEL، افت انباشتگی محفظه پمپ پیستونی هیدرولیک، SBL و افت شیر VL است.

بازده حجمی یا که نسبت دبی تخلیه به دبی مکش و به صورت درصدی است با r و فشار هیدرولیک توزیع یافته یا فشار تخلیه متناسب است. r نسبت حجم داخلی سیال محبوس در فضای پمپ پیستونی هیدرولیک و بین شیرهای ورودی و خروجی، هنگامی که پلانجر در نقطه حداکثر کورس برگشتی خود قرار دارد (C+D)، به مقدار جابه‌جایی پیستون یا پلانجر (D) است.

چون حجم تخلیه (دبی) را در فشار تخلیه نمی‌توان اندازه‌گیری کرد، بنابراین در فشار مکش این کار انجام می‌شود. حجم تخلیه در فشار مکش، بازده حجمی بالاتری از حجم تخلیه محاسبه شده در فشار تخلیه دارد و این به علت تراکم‌پذیری تقریبی سیال است. هنگامی که فشار سیال تخلیه شده از psi 6000 بیشتر می‌شود، تراکم‌پذیری عامل بسیار مهمی است و باید این ملاحظات برای محاسبه دبی تخلیه واقعی کاملاً در نظر گرفته شود.

محدوده سرعت در پمپ‌های هیدرولیک قدرت:

سرعت طراحی شده یا در پمپ‌های هیدرولیک قدرت از 300 تا rpm 800 است که به ظرفیت، اندازه، و توان هیدرولیک پیستونی پمپ (به عنوان مثال پمپ پیستونی محوری avo رکسروت پمپ) بستگی دارد. در بعضی موارد، برای نگهداری و افزایش عمر مفید کاسه نمدها، سرعت پلانجر بین 140 تا ft/min 150 محدود می‌شود. علاوه بر این، سرعت پمپ با توجه به شرایط مجاز مکش، عدم ایجاد کاویتاسیون، و عمر مفید شیر، محدود می‌شود.

سرعت، مهم‌ترین عامل محدودکننده جدایی سیال از پلانجر است. در سرعت‌های پایین و با وجود یاتاقان‌های اِسلیو باید مواظب افت فیلم روغن باشید.

بار پلانچری:

علاوه بر لزوم وجود محدوده مشخص توان در پمپ‌ پیستونی هیدرولیک، هر کدام باید برای بار پلانجری (PL) محدود و مشخصی طراحی شود. این بار بر پلانجر یا پیستون و سیستم یاتاقان‌ها وارد می‌شود.

در پیستون‌های دوکاره، در کورس رفت، مساحت مقطع عرضی دسته پیستون یعنی a، از A کم می‌شود. سیستم یاتاقان‌ها برای بار مشخص و در سرعت طراحی محاسبه و معین می‌شود. بارهای پلانجریِ زیاد عمر یاتاقان‌ها را کاهش می‌دهد. بارهای پلانجری زیاد در یاتاقان‌های اِسلیو و در سرعت‌های کم، باعث خرابی فیلم روغنکاری می‌شوند.

بار یاتاقانی ناشی از اینرسی حرکتی اجزای رفت و برگشتی و اجزای چرخشی نامتعادل، باید در انتخاب یاتاقان‌ها در نظر گرفته شود. این بار یاتاقانی در حدود 10 تا 25٪ از بار پلانجری محاسبه شده است.

پمپ پیستونی هیدرولیک و یا پمپ هیدرولیک پیستونی شعاع محوری