Pompa gerotorowa z tworzyw sztucznych

Napędy i sterowania hydrauliczne i pneumatyczne 2015 : międzynarodowa konferencja naukowo-techniczna = Hydraulics and pneumatics 2015 : international scientific-technical conference, Szklarska Poręba-Jakuszyce, 18-20 marca 2015. Wrocław : Ośrodek Doskonalenia Kadr SIMP, 2015. s. 164-170. Justyna Krawczyk Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn i Tribologii, Politechnika Wrocławska Jarosław Stryczek Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn i Tribologii, Politechnika Wrocławska Pompa gerotorowa z tworzyw sztucznych 1. Wprowadzenie Pompy zębate są podstawowym generatorem energii w układach hydraulicznych. Wyróżniamy trzy rodzaje pomp zębatych: pompy zębate o zazębieniu zewnętrznym, pompy zębate o zazębieniu wewnętrznym pompy gerotorowe. Zasadniczym elementem wpływający na pracę pompy zębatej jest zespół kół zębatych. Dzięki temu elementowi pompy gerotorowe zyskują przewagę nad pompami o zazębieniu zewnętrznym i wewnętrznym. Charakteryzują się one bowiem bardzo zwartą konstrukcją, mniejszymi rozmiarami i mniejszą masą. Międzyzębne komory wyporowe mają dużą objętość, która pozwala na uzyskanie wysokich sprawności, przy małych i lekkich jednostkach. Pompy te są niezawodne i trwałe. Aby wykonać kolejny krok w rozwoju pomp gerotorowych, należy podążać za trendami obecnie panującymi na rynku. W budowie maszyn i urządzeń hydraulicznych, podobnie jak w innych dziedzinach, coraz częściej dąży się do zmniejszenia masy i wymiarów wytwarzanych elementów oraz obniżenia kosztów ich wytwarzania. Jednak aby było to możliwe konieczne jest poszukiwanie nowych materiałów konstrukcyjnych i nowych metod wytwórczych. Nowym kierunkiem rozwoju w dziedzinie budowy elementów i układów hydraulicznych jest stosowanie tworzyw sztucznych jako materiału konstrukcyjnego. Stosowanie tworzyw sztucznych jest korzystne ze względów konstrukcyjnych, technologicznych i ekonomicznych. W związku z panującymi trendami zespół badawczy Fluid Power Research Group (www.fprg.pwr.wroc.pl) z Katedry Podstaw Konstrukcji Maszyn i Tribologii Politechniki Wrocławskiej, rozpoczął prace mające na celu stworzenie kompletnego układu hydraulicznego, w którym podstawowe elementy

takie jak pompa, cylinder czy zawory, bądź co najmniej ich główne części, będą wykonane z tworzyw sztucznych. Artykuł prezentuje rozwiązanie konstrukcyjne oraz wyniki badań pompy gerotorowej, z zespołem kół zębatych wykonanych z POM i PPS oraz korpusem pompy wykonanym z tworzywa sztucznego, przeznaczonej do tego układu hydraulicznego. 2. Założenia konstrukcyjne budowa pompy gerotorowej, zasada działania Przyjęto, iż w projektowanym przez Zespół FPRG układzie hydraulicznym zostanie zastosowana pompa gerotorowa. Tworzywa sztuczne zostaną użyte do wykonania zespołu kół zębatych, a w dalszej perspektywie do wykonania korpusu pompy. Wał oraz łożyska wykonane zostaną z metali. Na rys. 1 przedstawiona została budowa i zasada działania pompy gerotorowej o wydajności q = 10 cm3/obr. Korpus pompy składa się z trzech części: korpusu przedniego (1), korpusu środkowego (2) i korpusu tylnego (3). Wszystkie części korpusu połączone są złączami śrubowymi (4). Wewnątrz korpusu środkowego znajduje się zespół kół zębatych (6,7) cykloidalnych o zazębieniu wewnętrznym i różnicy zębów z 2 z 1 = 7 6 = 1. Zespół kół napędzany jest wałem (5) i obraca się w łożysku ślizgowym (8). Czynnik roboczy doprowadzany jest do pompy przez otwór wejściowy (I), a następnie trafia do komory wejściowej (CR I ). Z komory wejściowej (CR I ) czynnik roboczy trafia do wirujących komór międzyzębnych (T) utworzonych między uzębieniem kół epicykloidalnych. Z komór międzyzębnych czynnik roboczy przetłaczany jest do komory wyjściowej (CR O ), a następnie do otworu wyjściowego (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 Fig. 1. Construction and operation principle of gerotor pump 1,2,3 - part of the body, 4 screw joints, 5- shaft, 6, 7 - gears, 8 - bearing I - input, O - output, CR I input chamber, CR O output chamber, T - internal tooth chamber 3. Tworzywa sztuczne jako materiał konstrukcyjny Tworzywa sztuczne jako materiał konstrukcyjny są coraz częściej stosowane w budowie urządzeń i elementów hydraulicznych. Wykonuje się z nich między innymi takie elementy jak korpusy pomp, rury cylindrów czy koła zębate. [1, 3, 4] Stosowanie tworzyw sztucznych jest korzystne pod wieloma względami. Pod względem konstrukcyjnym możliwe jest znaczne zmniejszenie masy wytwarzanych elementów, zwiększenie zdolności do tłumienia drgań, poprawa własności tribologicznych współpracujących elementów oraz ograniczenie hałasu. Pod względem technologicznym dzięki zastosowaniu metody wtrysku, jako głównej metody przetwórczej, możliwe jest uzyskanie bardzo skomplikowanych i złożonych kształtów. Zastosowanie tej metody jest również korzystne pod względem ekonomicznym, pozwala ona na znaczne obniżenie kosztów materiałowych i kosztów wytwarzania. Należy jednak pamiętać, iż tworzywa sztuczne jako materiał konstrukcyjny mają pewne wady. Wytworzone elementy posiadają mniejszą wytrzymałość oraz niższy zakres obciążalności. W trakcie pracy może pojawić się niestabilność wymiarowa wynikająca z wpływu wysokiej temperatury bądź też absorpcji wody.

Analiza i dobór tworzywa sztucznego jest istotnym i pierwszym etapem projektowania pompy gerotorowej. Wybrane tworzywo powinno być stosunkowo tanie, ogólnie dostępne na rynku i łatwe w przeróbce plastycznej. Powinno charakteryzować się wysokimi własnościami wytrzymałościowymi (Re, E), stabilnością wymiarową (S, W), odpornością na działanie wysokich temperatur (T) oraz niskim współczynnikiem absorpcji wody (A). Do pierwszej fazy badań postanowiono wybrać materiał ogólnie dostępny na rynku, tani i łatwy w obróbce plastycznej metodą wtrysku. Ważne również było aby dane tworzywo miało stosunkowo dobre własności wytrzymałościowe oraz niski współczynnik absorpcji wody. Na podstawie przyjętych kryteriów do wytworzenia pierwszej partii kół zębatych wybrany został POM. Do drugiej fazy badań postanowiono wybrać materiał o wyższych własnościach wytrzymałościowych niż wcześniej zastosowany POM. Materiał ten powinien charakteryzować się w porównaniu do POM większą stabilnością wymiarową, mniejszym skurczem, niższym współczynnikiem wydłużenia liniowego, wyższą odpornością na działanie wysokiej temperatury oraz niższym współczynnikiem absorpcji wody. Materiał ten podobnie jak POM, powinien być łatwo dostępny na rynku oraz łatwy w obróbce plastycznej metodą wtrysku. Biorąc pod uwagę wszystkie te kryteria, jako tworzywo sztuczne do drugiej fazy badań wybrany został PPS z dodatkami ulepszającymi. W tabeli 1 zestawiono podstawowe własności obu wykorzystanych materiałów. Tab. 1. Własności polioksymetylenu (POM)i polifenylenosulfenu (PPS) Tab. 1. Properties of polyoxymethylene (POM) and polyphenylensulfide (PPS). Lp. Nazwa parametru Symbol Jednostka POM PPS 1. Granica plastyczności Re MPa 60 180 2. Moduł Younga E MPa 3000 16000 3. Maksymalna temperatura pracy T o C 100 160 4. Skurcz S cm/cm 0,0285 0,005 5. Współczynnik wydłużenia liniowego W cm/ o K 0,0001 0,00005 6. Współczynnik absorpcji wody A % 0,7 0,02 4. Technologia produkcji Za główną technologie produkcji przyjęto metodę wtrysku. Jest to bardzo prosta i ekonomiczna metoda wytwarzania. Pozwala na znaczne obniżenie kosztów wytwarzania i

kosztów materiałowych, oraz na uzyskanie skomplikowanych kształtów wytwarzanych elementów. Widok zespołów kół wykonanych z POM i PPS pokazano na rysunku 2. Koła te zostały wykonane metodą wtrysku w laboratorium Zakładu Technologii Maszyn i Automatyzacji, z wykorzystaniem formy wtryskowej własnej konstrukcji. [5] Rys. 2. Koła zębate wykonane z a) POM i b) PPS Fig. 2. Gears made of a) POM and b) PPS. Analizując rys. 2 zauważa się w obu przypadkach, że w kołach zastosowano szereg rozwiązań konstrukcyjnych zalecanych w [5]. Koła te charakteryzują się małą wysokością i opływowym kształtem zębów (1), stosunkowo dużą grubością pierścieni znajdujących się pod uzębieniami kół (2, 3), 3 wpustami w kole napędzającym o uzębieniu zewnętrznym (4). Wykonane metodą wtrysku powierzchnie uzębień kół są gładkie. Wszystkie zęby w zespole kół stykają się ze sobą, a międzyzębne luzy promieniowe h r są równe zero (patrz rys. 2). 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). 5. Badania teoretyczne Kolejnym etapem projektowania pompy gerotorowej z tworzyw sztucznych było przeprowadzenie badań teoretycznych metoda MES. Modele numeryczne elementów pompy zostały opracowane w programie Abaqus, wersja 6.11-2. Licencja programu

05UWROCLAW została udzielona przez Wrocławskie Centrum Sieciowo- Superkomputerowe w Politechnice Wrocławskiej. 1 Program badań obejmowała analizę wytrzymałościową modeli kół zębatych oraz korpusów pompy gerotorowej. Na podstawie tych analiz należy ustalić charakter i wartości naprężeń i odkształceń poszczególnych elementów, co będzie miało istotny wpływ na dalsze etapy projektowania. W pracy [1, 2] zbadano naprężenia i odkształcenia w kołach zębatych z tworzywa sztucznego wykorzystując metodę MES [10]. Wykazano, że koła zębate można obciążać ciśnieniem roboczym p = 4 6 [MPa], przy którym ani naprężenia (rys. 3a) ani odkształcenia (rys. 3b) nie przekraczają wartości dopuszczalnych. Dodatkowo na rys. 3b widać, że odkształcenia kół powiększają luz promieniowy h rp, który rośnie wraz ze wzrostem ciśnienia obciążającego pompę. W pracy [1] ustalono, że luz ten dla zakładanego ciśnienia roboczego p= 4 6 [MPa] nie powinien przekraczać wartości h rp = 0,10 [mm]. Rys.3. Rozłożenie (a) naprężeń i (b) deformacji w kołach [2] Fig. 3. The distribution of (a) stress and (b) deformation in the gears [2] Biorąc pod uwagę podstawowy kształt pompy patrz rys. 1, opracowano jej nowy skorygowany kształt patrz rys. 4. Przyjęto, iż korpus pompy gerotorowej wykonany z tworzyw sztucznych powinien być znacznie mniejszy niż podstawowy korpus pokazany na rys. 1. Opracowany model, w porównaniu do kształtu podstawowego, ścianki oraz zmniejszone wymiary gabarytowe. posiada chudsze 1 The license of the program number 05UWROCLAW has been made available to the FPRG [4] by Wroclawskie Centrum Sieciowo-Superkomputerowe of Wrocław University of Technology

Rys.4. Skorygowany model pompy gerotorowej Fig.4. Adjusted model of gerotor pump Podczas badań modele pompy obciążano: obciążeniami mechanicznymi, pochodzącymi od momentu obrotowego T= 4, 8, 10 Nm obciążeniami hydraulicznymi, pochodzącymi od ciśnienia roboczego p = 2, 4, 6 MPa Na rys. 5 przedstawiono charakterystyczne wyniki badań naprężeń i odkształceń skorygowanego korpusu pompy, obciążonego momentem 10 Nm oraz ciśnieniem roboczym p = 6 MPa. Korpus pompy przedstawiono w widoku ogólnym (rys. 5 a) oraz przekroju (rys. 5 b). Na widokach zaznaczono miejsca maksymalnych naprężeń i odkształceń. Analizując stan naprężeń zauważa się, że największe wartości naprężeń σ występują po stronie wyjściowej pompy, w okolicach otworu wyjściowego (O). Spowodowane jest to nałożeniem się na siebie obciążań hydraulicznych działających w komorze, kanale i otworze wyjściowym. Rys. 5. Rozkład naprężeń i odkształceń w skorygowanym korpusie pompy gerotorowej. Fig. 5. The distribution of (a) stress and (b) deformation in the adjusted model of gerotor pump

Analizując stan odkształceń pokazanych na rys. 5 zauważa się, że skorygowany korpus odkształca się zarówno w kierunku osiowym A jak i promieniowym R. W wyniku czego pojawiają się deformacje osiowe d a i deformacje promieniowe d r korpusu. Największe deformacje osiowe d a pojawiają się na płaszczyznach kontaktu pomiędzy korpusami środkowym i przednim oraz środkowym i tylnym, dochodzące do d amax = 0,191 mm. Przyczyną tych odkształceń, jest działanie wysokiego ciśnienia na powierzchnie czołowe korpusów przedniego i tylnego. Natomiast największe deformacje promieniowe d r widoczne są w korpusie środkowym po stronie wyjściowej (O), dochodzące do d rmax = 0,047 mm. Przyczyną tej deformacji jest oddziaływanie wysokiego ciśnienia na powierzchnię wewnętrzną korpusu środkowego. Analizując rys. 5 a, b, zauważa się, że deformacje osiowe d a spowodowane działaniem ciśnienia na powierzchnie czołowe korpusu przedniego i tylnego są większe niż deformacje promieniowe d r spowodowane oddziaływaniem ciśnienia na powierzchnię wewnętrzną korpusu środkowego. Wartości deformacji osiowych mają znaczący wpływ na funkcjonowanie pompy. Decydują one o wewnętrznej szczelności pompy, a co za tym idzie o osiągnięciu wysokiego ciśnienia pracy p pompy i wysokiej sprawności objętościowej η v i całkowitej η pompy. Zbyt duże wartości luzów osiowych d a prowadzą do utraty szczelności wewnętrznej pompy, zwiększenia przecieków i uniemożliwiają osiągnięcie wysokich ciśnień i sprawności. W dalszych etapach badań należy tak projektować korpus aby wprowadzone korekty korpusu w stosunku do kształtu skorygowanego (rys. 4) przeciwdziałały występowaniu powiększonych luzów osiowych d a. Do proponowanych korekt można zaliczyć: zmniejszenie otworu wyjściowego, przesunięcie korpusu w kierunku otworu wejściowego, zmiana kształtu korpusu z kwadratowego na owalny, zwiększenie liczby śrub mocujących.

6. Badania eksperymentalne Badania pompy gerotorowej z kołami zębatymi z tworzyw sztucznych przeprowadzono w laboratorium Fluid Power Research Group w Katedrze Podstaw Konstrukcji Maszyn i Tribologii Politechniki Wrocławskiej. Program badan obejmował: badania wpływu temperatury oleju T na sprawność objętościowa η v i całkowitą η badania możliwości pracy z dużymi prędkościami obrotowymi n badania długotrwałe. Na rys. 6 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 = 50 o C powoduje zawężenie zakresu ciśnień roboczych pompy z p o = 40 bar do p o = 30 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 [%] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 T=50 C T=25 C Olej hydrauliczny n = 1500 obr/min - - - - - η η V 0 10 20 30 40 50 Ciśnienie wyjściowe p o [bar] Rys. 6. Charakterystyki sprawności w zależności od ciśnienia wyjściowego η v = f(p o ), η = f(p o ) dla różnych wartości temperatury oleju hydraulicznego T = 25, 50 o C Fig. 6. Efficiency characteristics, depending on the output pressure η v = f(p o ), η = f(p o ) for different values of the hydraulic oil temperature t = 25, 50 o c. Na rys. 7 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 = 1500 4000 obr/min, przy czym wraz ze wzrostem prędkości zmniejszano ciśnienie na wyjściu z pompy w zakresie p o = 40 17 bar. Czyniono

to w sposób zamierzony tak aby w przybliżeniu zadawać stałą wartość mocy napędowej. Na rys. 7 widać, że sprawność objętościowa rośnie wraz ze wzrostem prędkości obrotowej n wału pompy. Rys. 7. Charakterystyki sprawności objętościowej w zależności od ciśnienia wyjściowego η v = f(p o ), dla różnych prędkości obrotowych wału pompy n = 1500 4000 obr/min Fig. 7. Volumetric efficiency characteristics, depending on the output pressure η v = f(p o ), for different rotational speeds of the pump shaft n = 1500 4000 rpm. 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 = 80%. 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. Rys. 8. Wykres zależności sprawności objętościowej w trakcie próby długotrwałej η v = f(t) Fig. 8. Volumetric efficiency during long-term trials η v = f(t)

7. Podsumowanie Badania teoretyczne i eksperymentalne pompy gerotorowej z tworzyw sztucznych potwierdzają możliwość stosowania tworzyw sztucznych jako materiału konstrukcyjnego w hydraulice. Pompa z kołami zębatymi z powodzeniem pracowała przy wysokich prędkościach obrotowych dochodzących do n = 4000 obr/min i w dłuższych cyklach roboczych, do 48 h. Kluczową rolę w pracy pompy odgrywa zespół kół zębatych. Badania eksperymentalne potwierdziły, że zarówno POM jak i PPS sprawdziły się jako materiał konstrukcyjny. Pompa z powodzeniem pracowała w zakresie ciśnień roboczych p = 4 5 MPa i różnych wartościach temperatury czynnika roboczego (T = 25 o C - 50 o C). Wyniki badań nie wykluczają, poszukiwania innych tworzyw sztucznych o wyższej wytrzymałości i większej stabilności wymiarowej, z których wykonano by i przebadano nowe zespoły kół. Analiza wytrzymałościowa skorygowanego korpusu pompy gerotorowej z tworzyw sztucznych, pozwoliła na określenie podstawowych wartości naprężeń i odkształceń oraz miejsca ich występowania. Badania pokazały iż korpus odkształca się zarówno w kierunku osiowym jak i promieniowym. W wyniku czego powstają deformacje osiowe d a i promieniowe d r, pojawiają się zwiększone luzy osiowe i promieniowe. Luzy te prowadzą do powiększonych przecieków wewnętrznych w pompach, spadku sprawności i niemożności osiągnięcia wyższych ciśnień roboczych. W dalszych etapach badań, planowana jest korekcja kształtu korpusu tak aby występujące deformacje - luzy były jak najmniejsze i nie wpływały na poprawną pracę pompy. Przewiduje się, że w wyniku dalszego udoskonalenia całego procesu konstrukcyjnego i technologicznego będzie można uzyskać pompę o wyższych parametrach technicznych, pracującej na wyższych ciśnieniach roboczych rzędu p o = 6MPa, ze sprawnością objętościową η v = 70% i sprawnością całkowitą η = 60%.

Literatura: [1] 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 2010, vol. 45, Issue 7, pages 465-479. [2] Stryczek J., Bednarczyk S., Biernacki K., Application of plastics in manufacture of the gerotor pump, The Twelfth Scandinavian International Conference on Fluid Power, May 18-20.2011, Tampere, Finland [3] Bonanno A., Matarialli plastici, caratte ristiche a limitti., Oleodynamica Pneumatica, apricle 2008, p-p 68-73. [4] Bełzowski, A. ; Stróżyk, P., Assessment of repair reinforcement of polyester-glass fibre pipe. KOMPOZYTY Nr 2/2008, pages. 179-184. [5] Stryczek J., Bednarczyk S., Biernacki K., Gerotor pump with POM gears: Design, production technology, research, Archives of Civil and Mechanical Engineering, vol. 14, no. 3, 2014, pages 391 397 [6] Krawczyk J., Stryczek J., Układ hydrauliczny z elementami wykonanymi z tworzyw sztucznych, Górnictwo Odkrywkowe. 2013, R. 54, nr 3/4, s. 52-57. [7] Krawczyk J., Stryczek J., Badania pompy gerotorowej z kołami zębatymi wykonanymi z PPS, Hydraulika i Pneumatyka, 1/2014, s. 15-18 [8] Stryczek J., Bednarczyk S., Biernacki K., Wołodźko J., Koncepcja układu hydraulicznego z elementami wykonanymi z tworzyw sztucznych, Międzynarodowa konferencja naukowo-techniczna Napędy i Sterowania Hydrauliczne i Pneumatyczne 2012, SIMP, Maj 16-18.2012, Wrocław [9] Krawczyk J., Stryczek J., Construction and experimental research on plastic cycloidal gears used in gerotor pumps, 8th FPNI Ph.D Symposium on Fluid Power [Dokument elektroniczny], Lappeenranta, Finland, June 11-13, 2014. [New York] : ASME, cop. 2014. s. 1-6. [10] Rusiński E., Czmochowski J., Smolnicki T., Advanced finite element method in the load bearing structures, Publishing House of Wrocław University of Technology, Wrocław 2000.