Badania pompy gerotorowej z kołami zębatymi wykonanymi z PPS

Transkrypt

1 Badania pompy gerotorowej z kołami zębatymi wykonanymi z PPS Justyna Krawczyk, Jarosław Stryczek Hydraulika i Pneumatyka. 14, R. 34, nr 1, s Wprowadzenie Nowym kierunkiem w rozwoju maszyn i urządzeń hydraulicznych jest stosowanie do ich budowy tworzyw sztucznych. Tworzywa stosuje się do budowy: - korpusów pomp, bloków zaworowych i filtrów [1] - rur cylindrów hydraulicznych [2] - kół zębatych [3] Stosowanie tworzyw sztucznych jest korzystne ze względów konstrukcyjnych bowiem prowadzi to: zmniejszenia masy, zwiększenia zdolności do tłumienia drgań i ograniczenia hałasu, polepszenia własności tribologicznych współpracujących elementów oraz zwiększenia odporności na zanieczyszczenia. Korzystne jest też z punktu widzenia technologicznego oraz ekonomicznego gdyż istnieje możliwość wykonania elementów hydraulicznych o skomplikowanych kształtach prosta metodą wtrysku przez co zmniejsza się koszty materiałowe i koszty wytwarzania. Jednakże stosowanie tworzyw sztucznych wiąże się z koniecznością akceptowania cech niekorzystnych: zmniejszeniem wytrzymałości elementów i obniżeniem zakresu ciśnień roboczych, pojawieniem się niestabilności wymiarowych wynikających ze zmiany temperatury oraz pochłanianiem wody znajdującej się w czynniku roboczym. Mimo występowania tych cech niekorzystnych widoczne są wyraźne tendencje do stosowania tworzyw w budowie maszyn hydraulicznych. W tej sytuacji zespół badawczy Fluid Power Research Group ( z Instytutu Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Politechniki Wrocławskie podjął systematyczną pracę projektową i badawcza mająca na celu opracowanie kompletnego układu hydraulicznego złożonego z pompy gerotorowej, rozdzielacza 2/2, zaworu maksymalnego oraz cylindra, w których co najmniej kluczowe części wykonane będą z tworzy sztucznych. [4] W artykule zaprezentowano rozwiązanie konstrukcyjne oraz wyniki badań pompy gerotorowej z zespołem kół zębatych z tworzywa sztucznego PPS, która jest przeznaczona do projektowanego układu hydraulicznego z elementami z tworzy sztucznych. 1

2 2. Budowa i zasada działania pompy gerotorowej z kołami z PPS Budowę i zasadę działania pompy o wydajności q = 1 cm3/obr przedstawiono na rys.1. Korpus pompy składa się z trzech części: korpusu przedniego (1), środkowego (2) i tylnego (3), które połączone są złączami śrubowymi (4). Wewnątrz korpusu środkowego (2) umieszczony jest zespół kół zębatych (6, 7) o zazębieniu wewnętrznym i zarysie epicykloidalnym oraz różnicy zębów z 2 z 1 = 7 6 = 1. Zespół ten napędzany jest wałem (5) i obraca się w łożysku (8) umiejscowionym w korpusie środkowym (2). Wał łożyskowany jest w łożyskach ślizgowych (9). Czynnik roboczy wpływa do pompy otworem wejściowym (I) do komory wejściowej (CR I ). Następnie dostaje się do wirujących międzyzębnych komór wyporowych (T) utworzonych pomiędzy uzębieniem kół epicykloidalnych. Kolejno jest on transportowany do komory wyjściowej (CR o ) a z niej wypływa do otworu wyjściowego (O) i dalej do układu hydraulicznego. a) b) I O CR I T CR o Rys. 1. Budowa i zasada działania pompy gerotorowej 1, 2, 3 elementy korpusu, 4 złącza śrubowe, 5 wał, 6, 7 koła zębate epicykloidalne, 8 - pierścień łożyskowy I wejście, O wyjście, CR I komora wejściowa, CR O komora wyjściowa, T międzyzębna komora wyporowa Korpus, wał i łożyska pompy wykonane są z metali, natomiast kluczowy zespół pompy jakim jest zespół kół epicykloidalnych wykonano z tworzywa. W dotychczas projektowanych i badanych przez FPRG pompach gerotorowych, stosowano tworzywo POM, które jest ogólnie dostępne, tanie i łatwe w przeróbce plastycznej [3, 5]. Obecnie zastosowano tworzywo PPS, charakteryzujące się w stosunku do POM wyższymi własnościami 2

3 wytrzymałościowymi (Re, E) większą stabilnością wymiarową (S, W), wyższą odpornością na temperaturę (T) oraz działanie wody (A) patrz Tab.1. Przyjęto, że zastosowanie PPS powinno umożliwić uzyskanie wyższych parametrów hydraulicznych pompy oraz większej trwałości i niezawodności pracy pompy. Tab. 1. Własności polioksymetylenu (POM)i polifenylenosulfenu (PPS) Lp Nazwa parametru Granica plastyczności Moduł Younga Maksymalna temperatura pracy Skurcz Współczynnik wydłużenia liniowego Współczynnik absorpcji wody Symbol Re E T S W A Jednostka MPa MPa o C cm/cm cm/ok % POM 6 3 1,285,1,7 PPS ,5,5,2 Zespół kół wykonano metodą wtrysku wykorzystując formę wtryskową własnej konstrukcji. Koła wykonano w laboratorium Zakładu Technologii Maszyn i Automatyzacji hr 3 ha Rys. 2. Widok zespołu kół zębatych epicykloidalnych wykonanych z tworzywa PPS 1 zęby kół o małej wysokości, 2, 3 pierścienie pod uzębieniami kół, 4 rowek wpustowy o zaokrąglonych narożach, ha płaszczyzny czołowe kół tworzą z korpusem luz osiowy, hr luz promieniowy Widok zespołu kół epicykloidalnych wykonanych z tworzywa PPS przedstawiono na rys.2. Analizując rys.2 zauważa się że w kołach zastosowano szereg szczególnych rozwiązań konstrukcyjnych zalecanych w [5]. Koła te charakteryzują się tym, że: 3

4 posiadają stosunkowo mała wysokość i opływowe kształty zębów co ma zapewnić ich dużą sztywność, równocześnie posiadają zaokrąglone naroża u podstawy zębów wewnętrznych co ma ograniczyć działanie karbu patrz poz. 1 pierścienie znajdujące się pod uzębieniami kół mają stosunkowo dużą grubość co ma zapewnić zwiększoną wytrzymałość kół patrz poz. 2 i 3 koło napędzające o uzębieniu zewnętrznym posiada 3 wpusty umożliwiające równomierne przenoszenie momentu obrotowego z wału napędowego, a wpusty umieszczono pod głowami zębów aby nie osłabiać przekroju pierścienia koła; rowki wpustowe mają zaokrąglone naroża co ma ograniczyć oddziaływanie karbu patrz poz. 4 Powierzchnie uzębień kół wykonanych metoda wtrysku są gładkie. Wszystkie zęby w zespole kół stykają się ze sobą a międzyzębne luzy promieniowe h r są równe zero (patrz poz. 3). Powierzchnie boczne kół są również gładkie a odpowiednie parowanie z korpusem środkowym pompy (patrz rys. 1) zapewnia uzyskanie żądanego luzu osiowego h a (patrz rys.2). 3. Stanowisko badawcze, program badań Badania pompy gerotorowej przeprowadzono w laboratorium Fluid Power Research Group w Instytucie Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Politechniki Wrocławskiej. Widok stanowiska badawczego pokazano na rys. 3. Silnik elektryczny (1) napędza badana pompę gerotorową (2) która połączona jest z układem hydraulicznym przewodami elastycznymi (3). Do obciążania pompy służy zawór dławiący (8). Moment napędowy pompy mierzono momentomierzem (5), zaś obroty obrotomierzem (4). Natężenie przepływu mierzono przepływomierzem (6), a ciśnienia w linii wejściowej i wyjściowej czujnikami (7). Program badan obejmował: badania wpływu luzu osiowego h a na sprawność objętościową η v i całkowitą η badania wpływu temperatury oleju T na sprawność objętościowa η v i całkowitą η badania możliwości pracy z dużymi prędkościami obrotowymi n badania długotrwałe 4

5 Rys. 3. Stanowisko badawcze w Laboratorium FPRG 1 silnik napędowy, 2 badana pompa, 3 przewód wejściowy i wyjściowy, 4 obrotomierz, 5 momentomierz, 6 przepływomierz, 7 czujniki ciśnienia, 8 zawór dławiący 4. Wyniki badań, dyskusja wyników badań Na rys 4. przedstawiono wyniki badań wpływu luzu osiowego h a na sprawność objętościową η v i całkowitą η pompy. Na rysunku widać, że zmniejszenie luzu osiowego z wartości h a =,14 mm do wartości h a =,4 mm spowodowało poszerzenie zakresu ciśnień roboczych pompy z p o = 15 bar do p o = 4 bar przy zachowaniu sprawności objętościowej η v = 4% oraz zwiększenie sprawności całkowitej z η = % do η = 3%. 1 Sprawność objętościowa η v, η [%] luz osiowy,14 [mm] Olej hydrauliczny T = 25 C n = 15 obr/min η η V Ciśnienie wyjściowe p o [bar] luz osiowy,4 [mm] Rys. 4. Charakterystyki sprawności w zależności od ciśnienia wyjściowego η v = f(p o ), η = f(p o ) dla różnych wartości luzu osiowego w pompie h a =,14;,4 mm 5

6 Jak podaje się w [6] zmniejszenie luzu osiowego h a powoduje zmniejszenie przecieków wewnętrznych i tym samym podwyższenie sprawności objętościowej η v. Jednocześnie przyjęty luz osiowy h a =,4 mm jest wystarczający dla swobodnego obrotu zespołu kół względem unieruchomionych płaszczyzn korpusów bocznych (patrz rys. 1) przez co nie powstają straty mechaniczne wynikające z tarcia. Potwierdza to widok powierzchni bocznych kół, które po przeprowadzeniu badań eksperymentalnych pozostały czyste, niezarysowane i nie zauważono śladów współpracy mechanicznej z korpusami bocznymi. Na rys. 5 przedstawiono wyniki badań wpływu temperatury T czynnika roboczego na charakterystyki sprawności objętościowej η v i całkowitej η pompy. Na rysunku widać, że zwiększenie temperatury czynnika roboczego z wartości T = 25 o C do wartości T = 5 o C powoduje zawężenie zakresu ciśnień roboczych pompy z p o = 4 bar do p o = 3 bar oraz spadek sprawności objętościowej η v i całkowitej η. Tłumaczy się to tym, że wraz ze wzrostem temperatury spada lepkość oleju, maleją opory przepływu przez szczeliny wewnętrzne w pompie i rosną przecieki wewnętrzne, które z kolei obniżają sprawność pompy. Sprawność objętościowa η v, η [%] T=5 C T=25 C Olej hydrauliczny n = 15 obr/min η η V Ciśnienie wyjściowe p o [bar] Rys. 5. Charakterystyki sprawności w zależności od ciśnienia wyjściowego η v = f(p o ), η = f(p o ) dla różnych wartości temperatury oleju hydraulicznego T = 25, 5 o C Na rys. 6 pokazano wyniki badań wpływu prędkości obrotowej n na charakterystyki sprawności objętościowej η v pompy. Na rysunku widać, że pompa pracowała poprawnie w zakresie prędkości obrotowej n = 15 4 obr/min, przy czym wraz ze wzrostem prędkości zmniejszano ciśnienie na wyjściu z pompy w zakresie p o = 4 17 bar. Czyniono to w sposób zamierzony tak aby w przybliżeniu zadawać stałą wartość mocy napędowej. Na rys. 6 widać, że sprawność objętościowa rośnie wraz ze wzrostem prędkości obrotowej n 6

7 wału pompy. Jednocześnie w trakcie trwania całej próby, a szczególnie w trakcie próby z wyższymi prędkościami obrotowymi nie wystąpiła kawitacja na wejściu do pompy. 1 Sprawność objętościowa η v [%] n=4 obr/min Olej hydrauliczny Temperatura oleju T=25 C n=35 obr/min n=3 obr/min n=25 obr/min n= obr/min n=15 obr/min Ciśnienie wyjściowe p o [bar] Rys. 6. Charakterystyki sprawności objętościowej w zależności od ciśnienia wyjściowego η v = f(p o ), dla różnych prędkości obrotowych wału pompy n = 15 4 obr/min Na rys. 7 przedstawiono wyniki badań długotrwałych pompy, w ramach których wykonano dwie próby: pierwszą 4 sto godzinną przy niskich ciśnieniach wyjściowych p o = 8 bar drugą 8-mio godzinną przy wysokim ciśnieniu wyjściowym p o = 3 bar Na rysunku widać, że w trakcie obu prób pompa pracowała poprawnie zachowując stałe ciśnienie na wyjściu. Jednocześnie stwierdzono stałą temperaturę korpusu pompy, która wyniosła ok. T = 3 35 o C co jest sygnałem że bilans energetyczny pomp był zachowany. 35 Ciśnienie wyjściowe p o [bar] próba 1 próba Olej hydrauliczny Temperatura oleju T=25 C n = 15 obr/min Czas próby długotrwałej t [h] Rys. 7. Wykres zależności ciśnienia na wyjściu z pompy w trakcie prób długotrwałych p o = f(t) 7

8 Na rys. 8 przedstawiono wykres przebiegu sprawności objętościowej η v w trakcie trwania pierwszej czterdziesto godzinnej próby długotrwałej przy ciśnieniu p o = 8 bar. Na rysunku widać, że sprawność objętościowa utrzymywała się na niezmiennym poziomie w trakcie trwania całej próby i wynosiła η v = 8%. Po zakończonej próbie pompę zdemontowano. Oględziny zespołu kół nie wykazały widocznych śladów zużycia. Utrzymywanie stałej sprawności oraz brak oznak zużycia świadczą o prawidłowej pracy pompy w trakcie prób długotrwałych obejmujących łącznie okres 48 godzin. Sprawność objętościowa η v [%] Olej hydrauliczny Temperatura oleju T=25 C n = 15 obr/min p o = 8 [bar] Czas próby długotrwałej t [h] Rys. 8. Wykres zależności sprawności objętościowej w trakcie próby długotrwałej η v = f(t) 5. Podsumowanie W tabeli 2 zestawiono uzyskane w trakcie badań parametry techniczne pompy gerotorowej z kołami wykonanymi z tworzywa sztucznego. Tab. 2 Parametry techniczne pompy gerotorowej z kołami epicykloidalnym wykonanymi z PPS Lp. Parametr techniczny Symbol Jednostka Wartość 1. Wydajność Q cm3/obr 1 2. Ciśnienie maksymalne p max bar 4 3. Sprawność objętościowa η v % 4 4. Sprawność całkowita η % 3 5. Zakres prędkości obrotowych n min obr/min 15 n max T min T max 4 6. Temperatura oleju o C Łączny czas pracy pompy t h 48 8

9 Na podstawie wartości tych parametrów, pompę można określić jako niskociśnieniową (p max = 4 bar) o stosunkowo niskiej sprawności (η v = 4%, η = 3% ). Jednocześnie wykazano, że może ona pracować stabilnie z wyższymi prędkościami obrotowymi (n = 15 4 obr/min) i w dłuższych cyklach roboczych, do 48 h. Kluczową rolę w pracy pompy odgrywa zespół kół o zazębieniu wewnętrznym epicykloidalnym wykonany z tworzywa sztucznego PPS. W związku z tym ocenia się, że tworzywo PPS jest przydatne do budowy zespołu kół pompy. Nie wyklucza to poszukiwania innych tworzyw sztucznych o wyższej wytrzymałości i większej stabilności wymiarowej, z których wykonano by i przebadano nowe zespoły kół. Nie tylko materiał istotny jest dla uzyskania kół o wysokiej wytrzymałości. Bardzo istotne jest właściwa ich konstrukcja, zapewnienie precyzyjnej formy wtryskowej, właściwe dobranie parametrów wtrysku a wreszcie prawidłowy montaż w pompie. Przewiduje się, że w wyniku dalszego udoskonalenia całego procesu konstrukcyjnego i technologicznego będzie można uzyskać pompę o wyższych parametrach technicznych. Jednocześnie planuje się jej rozwój konstrukcyjny polegający na budowie jej korpusu z tworzywa sztucznego. LITERATURA [1] Bonanno A., Matarialli plastici, caratte ristiche a limitti. Oleodynamica Pneumatica, apricle 8, p-p [2] Bełzowski, A., Stróżyk P., Assessment of repair reinforcement of polyester-glass fibre pipe. KOMPOZYTY Nr 2/8, pages [3] Biernacki K., Stryczek J., Analysis of stress and deformation in plastic gears used in gerotor pumps. The Journal of Strain Analysis for Engineering Design, October 1, vol. 45, Issue 7, pages [4] Krawczyk J., Stryczek J., Układ hydrauliczny z elementami wykonanymi z tworzyw sztucznych, Górnictwo Odkrywkowe. 13, R. 54, nr 3/4, s [5] Bednarczyk S., Biernacki K., Stryczek, J., Application of plastics in manufacture of the gerotor pump.the Twelfth Scandinavian International Conference on Fluid Power SICFP 11. May 18-, 11, Tampere Finland. Vol. 3(4), pages [6] Stryczek J., Koła zębate maszyn hydraulicznych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej. Wrocław