Bơm bánh răng ngoài: Cách thức hoạt động, Ứng dụng & Hướng dẫn lựa chọn

Bơm bánh răng ngoài là gì

Bơm bánh răng ngoài là loại bơm chuyển động dương bơm thủy lực di chuyển chất lỏng bằng cách giữ nó giữa các răng của hai bánh răng ăn khớp bên ngoài và thành trong của vỏ máy bơm. Đây là một trong những thiết kế máy bơm lâu đời nhất và được sử dụng rộng rãi nhất trong kỹ thuật thủy lực, được đánh giá cao nhờ tính đơn giản về mặt cơ học, phạm vi hoạt động rộng và hiệu suất đáng tin cậy trong các môi trường công nghiệp đòi hỏi khắt khe.

Máy bơm bao gồm bốn bộ phận chính: a thiết bị truyền động được nối trực tiếp với nguồn điện, một thiết bị dẫn động quay theo hướng ngược lại thông qua tiếp xúc với lưới, khả năng chịu đựng gần nhà ở bao quanh cả hai bánh răng, và khối chịu lực hoặc các tấm bên bịt kín các mặt bánh răng và duy trì độ hở chính xác cần thiết để truyền chất lỏng hiệu quả. Không có van, không có phần tử hình học thay đổi và không có cơ chế bên trong phức tạp - hình dạng của răng và vỏ bánh răng thực hiện tất cả công việc.

Sự đơn giản về cấu trúc này là một trong những lợi thế thương mại rõ ràng của bơm bánh răng bên ngoài. Với ít bộ phận hơn hầu hết các loại máy bơm thủy lực khác, nó ít tốn kém hơn khi sản xuất, dễ bảo trì hơn tại hiện trường và có khả năng chịu được chất lỏng bị ô nhiễm hoặc có độ nhớt cao hơn, có thể làm hỏng các thiết kế máy bơm phức tạp hơn.

Bơm bánh răng ngoài hoạt động như thế nào

Nguyên lý hoạt động của bơm bánh răng ngoài tuân theo chu trình ba pha liên tục lặp lại với mỗi vòng quay của trục truyền động.

Giai đoạn 1 - Lượng tiêu thụ: Khi hai bánh răng quay xa nhau ở phía đầu vào của máy bơm, các răng không ăn khớp tạo ra một thể tích giãn nở giữa các biên dạng răng bánh răng, thành vỏ và bề mặt khối chịu lực. Thể tích giãn nở này tạo ra một phần chân không tại cổng vào. Áp suất khí quyển tác dụng lên chất lỏng trong bình chứa đẩy chất lỏng vào vùng áp suất thấp này, lấp đầy khoảng trống giữa các răng bánh răng trên cả hai bánh răng.

Giai đoạn 2 - Chuyển giao: Chất lỏng bị mắc kẹt trong các khoảng răng được truyền xung quanh bên ngoài của cả hai bánh răng - giữa răng bánh răng và thành vỏ - từ phía đầu vào đến phía đầu ra. Điều quan trọng là chất lỏng không đi qua điểm ăn khớp giữa hai bánh răng. Dung sai chặt chẽ giữa đầu bánh răng và lỗ khoan vỏ giúp ngăn chất lỏng rò rỉ trở lại, đảm bảo rằng hầu như toàn bộ thể tích thu được sẽ được vận chuyển về phía trước sau mỗi vòng quay.

Giai đoạn 3 - Xả: Khi các răng bánh răng bắt đầu ăn khớp lại với nhau ở phía đầu ra, chúng sẽ giảm dần thể tích có sẵn giữa chúng, ép chất lỏng bị mắc kẹt ra ngoài qua cổng xả ở áp suất cao. Hoạt động chia lưới diễn ra liên tục và trơn tru, tạo ra dòng chảy tương đối ổn định so với máy bơm chuyển động dựa trên piston.

Vì thể tích dịch chuyển trên mỗi vòng quay được cố định bởi hình dạng bánh răng nên lưu lượng đầu ra là tỉ lệ thuận với tốc độ quay . Tăng gấp đôi tốc độ trục tăng gấp đôi tốc độ dòng chảy. Mối quan hệ tuyến tính, có thể dự đoán được này giúp cho việc xác định và điều khiển bơm bánh răng ngoài trở nên dễ dàng trong thiết kế hệ thống.

Đặc điểm hiệu suất chính

Hiểu được phạm vi hoạt động của bơm bánh răng ngoài là điều cần thiết để kết hợp nó một cách chính xác với hệ thống thủy lực. Các thông số sau đây xác định nơi bơm bánh răng ngoài hoạt động tốt nhất — và nơi xuất hiện các hạn chế của chúng.

Phạm vi áp suất: Bơm bánh răng tiêu chuẩn bên ngoài hoạt động thoải mái trong phạm vi 150 đến 250 bar (2.200 đến 3.600 psi). Kiểu dáng công nghiệp có thông số kỹ thuật cao có thể đạt tới 300 bar (4.350 psi) khi hoạt động liên tục. Trên các ngưỡng này, sự rò rỉ bên trong qua các khe hở từ bánh răng đến vỏ tăng lên đáng kể, làm giảm hiệu suất thể tích và sinh nhiệt. Đối với các nhiệm vụ áp suất rất cao được duy trì trên 350 bar, bơm piston thường là lựa chọn thích hợp hơn.

Tốc độ dòng chảy và chuyển vị: Chuyển vị được xác định bởi chiều rộng bánh răng, đường kính vòng tròn và biên dạng răng. Các đơn vị thương mại có phạm vi từ dưới 1 cc/vòng dành cho các ứng dụng đo lường chính xác đến trên 200 cc/vòng dành cho hệ thống thủy lực di động dòng chảy cao. Tốc độ dòng chảy từ một bộ phận bơm thường dao động từ 2 đến 250 lít mỗi phút ở tốc độ định mức, với các cụm bơm song song hoặc nhiều bơm có khả năng kết hợp các dòng chảy từ các phần riêng biệt trên một trục truyền động chung.

Phạm vi độ nhớt: Bơm bánh răng ngoài có phạm vi độ nhớt rất rộng — thường là từ 10 đến 300 centistokes (cSt) — khiến chúng phù hợp với các loại dầu thủy lực tiêu chuẩn, dầu hộp số, dầu nhiên liệu và các chất lỏng xử lý công nghiệp khác nhau. Khả năng bơm chất lỏng có độ nhớt cao mà không có nguy cơ tạo bọt ảnh hưởng đến thiết kế máy bơm cánh gạt là một lợi thế vận hành đáng kể trong điều kiện khởi động nguội hoặc khi sử dụng loại chất lỏng dày hơn.

Tiếng ồn và nhịp đập: Bơm bánh răng bên ngoài tạo ra tiếng ồn dễ nghe hơn so với bơm cánh gạt có độ dịch chuyển tương đương, chủ yếu là do tần số chia lưới bánh răng và các xung áp suất riêng biệt được tạo ra khi mỗi cặp răng ăn vào và nhả ra. Tối ưu hóa biên dạng răng bánh răng, thiết kế bánh răng xoắn ốc và vỏ cách âm có thể làm giảm mức ồn, nhưng tiếng ồn vốn có của lưới bánh răng vẫn là đặc điểm của thiết kế mà các kỹ sư hệ thống nên tính đến khi lắp đặt nhạy cảm với tiếng ồn.

Khả năng tự mồi: Bơm bánh răng ngoài có khả năng tự mồi và có thể hút chất lỏng từ bên dưới đường tâm bơm, miễn là đường hút có kích thước chính xác và độ nhớt của chất lỏng nằm trong phạm vi. Đặc tính này giúp đơn giản hóa việc bố trí bể chứa và giảm các hạn chế lắp đặt trong thiết bị di động nơi việc định vị bể chứa thường được quyết định bởi hình dạng phương tiện.

Ứng dụng phổ biến

Sự kết hợp giữa tính đơn giản, hiệu quả về mặt chi phí và công suất dịch chuyển dương đáng tin cậy đã khiến bơm bánh răng ngoài trở thành lựa chọn mặc định trong nhiều ứng dụng thủy lực công nghiệp và di động.

Thiết bị xây dựng và thủy lực di động: Máy xúc, máy xúc lật, xe nâng và máy kéo nông nghiệp dựa vào bơm bánh răng bên ngoài để trợ lực cho mạch lái, thực hiện các chức năng thủy lực và phụ trợ. Độ bền của chúng trong môi trường có độ rung, chất lỏng bị ô nhiễm và sự dao động nhiệt độ rộng khiến chúng trở nên phù hợp tự nhiên cho các thiết bị hoạt động xa cơ sở bảo trì.

Hệ thống bôi trơn: Máy công cụ, hộp số, máy nén và động cơ sử dụng bơm bánh răng ngoài làm bơm dầu bôi trơn. Việc phân phối liên tục, không có xung ở áp suất thấp hơn cần thiết cho mạch bôi trơn phù hợp chính xác với đặc tính đầu ra của máy bơm và tính chất dịch chuyển tích cực đảm bảo phân phối dầu ngay cả ở tốc độ thấp trong quá trình khởi động - giai đoạn quan trọng khi việc bảo vệ vòng bi là quan trọng nhất.

Bộ nguồn thủy lực (HPU): Trong các bộ nguồn công nghiệp cố định, bơm bánh răng ngoài cung cấp nguồn dòng chính cho hệ thống kẹp, tạo hình và dẫn động trong máy ép, thiết bị ép phun và hệ thống xử lý vật liệu. Kích thước nhỏ gọn so với sản lượng và hồ sơ bảo trì đơn giản giúp giảm tổng chi phí sở hữu trong thời gian sử dụng kéo dài.

Đo sáng và truyền chất lỏng: Do lưu lượng đầu ra tỷ lệ thuận với tốc độ và có độ lặp lại cao nên bơm bánh răng ngoài được sử dụng rộng rãi trong hệ thống định lượng hóa chất, dụng cụ phun sơn và chất phủ cũng như hệ thống truyền chất lỏng cấp thực phẩm, nơi cần phân phối chính xác, liên tục thể tích đo được trên một đơn vị thời gian.

Máy móc nông nghiệp: Máy kéo phụ thuộc vào bơm bánh răng bên ngoài được điều khiển bằng động cơ để cung cấp dòng chảy cho hệ thống thủy lực liên kết phía sau, mạch xi lanh từ xa và trợ lực lái. Khả năng tự mồi và vận hành của máy bơm trong phạm vi tốc độ rộng — từ tốc độ không tải thấp đến tốc độ động cơ tối đa — phù hợp với các điều kiện vận hành thay đổi vốn có trong chu trình làm việc nông nghiệp.

Bơm bánh răng ngoài so với các loại bơm thủy lực khác

Việc chọn loại máy bơm phù hợp cho hệ thống thủy lực đòi hỏi phải hiểu cách so sánh bơm bánh răng bên ngoài với các lựa chọn thay thế trên các khía cạnh hiệu suất chính như áp suất, hiệu suất, tiếng ồn và chi phí.

Bơm bánh răng ngoài và bơm cánh gạt: Máy bơm cánh gạt hoạt động theo nguyên lý dịch chuyển khác - các cánh gạt chịu tải bằng lò xo hoặc chịu áp suất trượt vào và ra khỏi các khe trong rôto, tạo ra các khoang có thể thay đổi giữa rôto, cánh gạt và vòng cam. Máy bơm cánh gạt thường tạo ra độ ồn thấp hơn so với máy bơm bánh răng ngoài có dung tích tương tự, khiến chúng được ưa chuộng trong các máy công cụ nhạy cảm với tiếng ồn và các ứng dụng máy ép công nghiệp. Tuy nhiên, máy bơm cánh gạt nhạy cảm hơn với sự nhiễm bẩn chất lỏng và yêu cầu độ nhớt đầu vào tối thiểu để duy trì đủ khả năng bôi trơn cho cánh gạt. Bơm bánh răng ngoài có phạm vi độ nhớt rộng hơn và ít nhạy cảm hơn với độ sạch của chất lỏng, mang lại lợi thế cho chúng trong các thiết bị di động và ứng dụng nơi tình trạng chất lỏng khó kiểm soát hơn. Đối với các nhiệm vụ áp suất thấp đến trung bình trong đó tiếng ồn là ưu tiên hàng đầu, máy bơm cánh gạt thường là lựa chọn tốt hơn; trong đó độ bền và tính linh hoạt của độ nhớt quan trọng hơn thì bơm bánh răng bên ngoài chiếm ưu thế.

Bơm bánh răng ngoài và bơm piston: Máy bơm pít-tông là giải pháp thay thế hiệu suất cao cho các ứng dụng yêu cầu hoạt động liên tục ở áp suất trên 250 bar, hiệu suất thể tích cao trên phạm vi tốc độ rộng hoặc chuyển vị thay đổi để phù hợp với nhu cầu của hệ thống. Chúng đạt được hiệu suất từ ​​90 đến 95% trong điều kiện tối ưu, so với 80 đến 90% của bơm bánh răng ngoài và có thể duy trì hoạt động ở áp suất 350 đến 450 bar cho các chu trình công nghiệp đòi hỏi khắt khe. Sự đánh đổi là chi phí đơn vị cao hơn đáng kể, độ nhạy cao hơn đối với độ sạch của chất lỏng và các yêu cầu bảo trì phức tạp hơn. Bơm bánh răng ngoài vẫn là sự lựa chọn hợp lý về mặt kinh tế cho các ứng dụng chuyển động cố định ở áp suất vừa phải trong đó chi phí mua và bảo trì cao hơn của bơm piston không được chứng minh bằng các yêu cầu về hiệu suất.

Cách chọn bơm bánh răng ngoài phù hợp

Việc chỉ định chính xác bơm bánh răng ngoài đòi hỏi phải làm việc thông qua một số tham số phụ thuộc lẫn nhau theo trình tự. Việc bắt đầu với một máy bơm có kích thước quá nhỏ hoặc quá lớn sẽ tạo ra các vấn đề về hiệu quả và độ tin cậy, khó khắc phục nếu không thay thế thiết bị.

Bước 1 - Xác định tốc độ dòng chảy yêu cầu. Tính toán tổng nhu cầu lưu lượng của tất cả các bộ truyền động trong hệ thống, tính đến hoạt động đồng thời nếu có. Biểu thị giá trị này dưới dạng lít trên phút (L/min) ở tốc độ vận hành dự kiến. Vì lưu lượng tỷ lệ thuận với tốc độ và độ dịch chuyển, hãy chọn độ dịch chuyển (cc/vòng) để cung cấp lưu lượng yêu cầu ở tốc độ trục thiết kế với biên độ từ 10 đến 15% để cho phép tổn thất thể tích.

Bước 2 - Xác nhận yêu cầu về áp suất của hệ thống. Xác định áp suất làm việc tối đa mà máy bơm phải duy trì, bao gồm cả áp suất tăng vọt nhất thời do tác động của tải hoặc chuyển mạch van. Đảm bảo áp suất liên tục định mức của máy bơm đã chọn vượt quá áp suất làm việc tối đa của hệ thống và định mức áp suất cao nhất của nó có thể đáp ứng được mức tăng đột biến dự kiến. Hoạt động liên tục gần áp suất định mức tối đa của máy bơm sẽ làm tăng tốc độ mài mòn của bánh răng và ổ trục.

Bước 3 - Xác minh khả năng tương thích độ nhớt của chất lỏng. Kiểm tra độ nhớt vận hành của dầu thủy lực ở cả nhiệt độ vận hành tối thiểu (nóng, tải thấp) và tối đa (khởi động nguội). Độ nhớt của chất lỏng phải duy trì trong phạm vi chỉ định của máy bơm trong suốt chu kỳ vận hành. Nếu độ nhớt khởi động nguội dự kiến ​​sẽ vượt quá 300 cSt, nên xem xét chiến lược gia nhiệt trước hoặc máy bơm được thiết kế cho độ nhớt đầu vào cao hơn.

Bước 4 - Kiểm tra tốc độ trục và cấu hình truyền động. Bơm bánh răng ngoài có cả tốc độ tối thiểu và tốc độ tối đa. Vận hành dưới tốc độ tối thiểu có nguy cơ tự mồi không đủ và bôi trơn bên trong kém. Vận hành trên tốc độ tối đa gây ra hiện tượng xâm thực và mài mòn vòng bi nhanh hơn. Xác nhận rằng tốc độ truyền động — dù từ động cơ điện, PTO động cơ hay đầu ra hộp số — đều nằm trong phạm vi tốc độ định mức của máy bơm trong mọi điều kiện vận hành.

Bước 5 — Xem xét việc lắp đặt và cấu hình cổng. Bơm bánh răng có sẵn ở các mẫu mặt bích SAE, ISO và dành riêng cho nhà sản xuất cũng như với các cấu hình trục khác nhau (có khóa, có rãnh hoặc côn). Xác nhận rằng giao diện lắp đặt của máy bơm đã chọn tương thích với cấu hình ổ đĩa có sẵn và kích thước cổng phù hợp với kích thước đường dây của hệ thống để tránh hạn chế đầu vào quá mức.

Chế độ bảo trì và lỗi thường gặp

Bơm bánh răng ngoài là một trong những thành phần đáng tin cậy nhất trong hệ thống thủy lực, nhưng chúng không cần phải bảo trì. Hiểu được các cơ chế hư hỏng phổ biến nhất giúp các kỹ sư thiết lập khoảng thời gian bảo trì phù hợp và xác định các vấn đề trước khi chúng trở nên tốn kém.

Mòn dính trên bề mặt bánh răng và lỗ vỏ là cơ chế mài mòn phổ biến nhất trong máy bơm bánh răng ngoài hoạt động trong phạm vi thiết kế của chúng. Theo thời gian, các bề mặt có dung sai chặt chẽ giữa đầu bánh răng và vỏ bị mài mòn ở mức độ vi mô làm tăng độ hở bên trong, làm giảm hiệu suất thể tích. Một máy bơm đang mang lại hiệu suất 95% khi mới có thể giảm xuống 80% hoặc thấp hơn sau thời gian sử dụng kéo dài, dẫn đến nhiệt độ chất lỏng cao hơn và giảm hiệu suất của bộ truyền động. Việc giám sát thường xuyên lưu lượng đầu ra của hệ thống và xu hướng nhiệt độ chất lỏng sẽ đưa ra cảnh báo sớm về sự suy giảm hiệu suất trước khi máy bơm bị hỏng hoàn toàn.

Cavitation xảy ra khi áp suất chất lỏng ở đầu vào máy bơm giảm xuống dưới áp suất hơi của chất lỏng, làm cho bong bóng hơi hình thành ở vùng áp suất thấp và sau đó xẹp xuống dữ dội khi chúng đi vào vùng áp suất cao hơn. Năng lượng nổ làm xói mòn bề mặt răng bánh răng và thành vỏ, tạo ra vết rỗ đặc trưng có thể nhìn thấy khi kiểm tra. Hiện tượng xâm thực thường do đường hút quá nhỏ hoặc bị hạn chế, độ nhớt của chất lỏng quá cao khi khởi động nguội, bộ lọc hút bị tắc hoặc vận hành máy bơm ở tốc độ cao hơn định mức thiết kế của nó. Ngăn chặn hiện tượng xâm thực đòi hỏi phải xác định kích thước đường hút chính xác, bảo trì bộ lọc thường xuyên và quy trình khởi động nguội thích hợp.

Mài mòn do ô nhiễm ảnh hưởng đến biên dạng răng bánh răng, bề mặt ổ trục và lỗ khoan vỏ khi các hạt cứng vượt quá ngưỡng lọc của hệ thống xâm nhập vào máy bơm. Không giống như bơm piston, bơm bánh răng ngoài có khả năng chịu ô nhiễm vừa phải tương đối, nhưng hoạt động liên tục với chất lỏng bị ô nhiễm nặng sẽ gây ra sự mài mòn nhanh chóng trên tất cả các bề mặt bên trong. Duy trì chất lỏng thủy lực ở mã độ sạch ISO 16/14/11 hoặc tốt hơn sẽ kéo dài đáng kể tuổi thọ của máy bơm và giảm thời gian ngừng hoạt động ngoài dự kiến.

Lỗi phốt trục là hạng mục bảo trì thông thường, đặc biệt là trên các máy bơm có áp suất vỏ tăng cao hoặc chu trình nhiệt. Phốt trục bị rỉ nước thường là dấu hiệu đầu tiên của sự xuống cấp của phốt và cần được giải quyết trước khi rò rỉ tiến triển thành mất chất lỏng bên ngoài hoặc lọt khí qua mép phốt bị hỏng trong hành trình quay trở lại. Phốt trục là bộ phận có chi phí thấp và việc thay thế chúng khi có dấu hiệu rỉ sét đầu tiên sẽ tiết kiệm hơn nhiều so với việc để vấn đề phát triển thành hư hỏng vòng bi hoặc ô nhiễm vỏ.

Theo hướng dẫn bảo trì chung, hãy kiểm tra bộ lọc hút sau mỗi 500 đến 1.000 giờ hoạt động, thay bộ lọc chất lỏng thủy lực và đường hồi lưu theo lịch trình của nhà sản xuất hệ thống, đồng thời theo dõi áp suất và nhiệt độ đầu ra của máy bơm tại mỗi khoảng thời gian bảo dưỡng theo lịch trình để xác định xu hướng hiệu quả theo thời gian.