| Кинематическая вязкость, сСт (мм²/с) | Коэффициент подачи Kq | Объемный КПД, % | Рекомендуемая частота вращения, об/мин | Примечания |
|---|---|---|---|---|
| 1 – 20 | 0,75 – 0,82 | 75 – 82 | 1000 – 1450 | Повышенные утечки через зазоры, требуется уменьшение зазоров |
| 20 – 100 | 0,85 – 0,92 | 85 – 92 | 750 – 1000 | Оптимальный диапазон работы |
| 100 – 500 | 0,90 – 0,95 | 90 – 95 | 500 – 750 | Высокая эффективность, минимальные утечки |
| 500 – 2000 | 0,88 – 0,93 | 88 – 93 | 250 – 500 | Снижение частоты вращения, рост мощности привода |
| 2000 – 10 000 | 0,82 – 0,90 | 82 – 90 | 100 – 250 | Требуется подогрев или снижение частоты вращения |
| 10 000 – 100 000 | 0,75 – 0,85 | 75 – 85 | 50 – 100 | Специальное исполнение, увеличенные входные патрубки |
| > 100 000 | < 0,75 | < 75 | < 50 | Предельный режим, рекомендуются винтовые насосы |
Примечание: для насосов с внешним зацеплением стандартного исполнения предельная вязкость составляет около 60 000 сСт. Насосы с внутренним зацеплением способны работать с вязкостями до 100 000 сСт и выше.
| Перекачиваемая среда | Материал шестерен | Материал корпуса | Материал уплотнений | Максимальная температура, °C |
|---|---|---|---|---|
| Нефтепродукты (масла, мазут, нефть) | Сталь 40Х, 45, закаленная | Чугун СЧ20, СЧ25 | NBR, FKM | +80 / +200* |
| Лаки, краски на органической основе | Бронза БрАЖ9-4, БрОЦС5-5-5 | Чугун СЧ20, бронза | PTFE, FFKM | +50 |
| Растворители (толуол, ксилол) | Нержавеющая сталь AISI 316 | Нержавеющая сталь | PTFE, FFKM | +60 |
| Водоэмульсионные краски | Нержавеющая сталь AISI 304 | Нержавеющая сталь, чугун | EPDM, NBR | +60 |
| Клеи на основе ПВА | Нержавеющая сталь AISI 304 | Нержавеющая сталь | EPDM | +40 |
| Смолы эпоксидные, полиэфирные | Сталь 40Х с покрытием | Чугун СЧ25 | PTFE, FKM | +120 |
| Битум, пек (с обогревом) | Сталь 45, 40Х закаленная | Чугун СЧ25 с рубашкой обогрева | Графит, PTFE | +220 |
| Разбавленные кислоты (до 10%) | Нержавеющая сталь AISI 316L | Нержавеющая сталь 316L | PTFE, FFKM | +80 |
| Щелочные растворы | Нержавеющая сталь AISI 316 | Нержавеющая сталь | EPDM, PTFE | +80 |
| Жидкое стекло | Нержавеющая сталь, твердые сплавы | Нержавеющая сталь | PTFE | +60 |
* Для насосов с обогревом корпуса (тип НМШГ)
| Тип зазора | Монтажный зазор, мм | Предельно допустимый при эксплуатации, мм | Критический (требуется замена), мм | Влияние на работу |
|---|---|---|---|---|
| Радиальный (головка зуба – корпус) | 0,03 – 0,085 | 0,15 – 0,20 | > 0,25 | Рост внутренних перетечек, снижение давления |
| Торцевой (шестерня – крышка) | 0,025 – 0,05 | 0,10 – 0,15 | > 0,20 | Основной источник утечек (до 75–80% потерь) |
| Межцентровое расстояние шестерен | ±0,02 | ±0,05 | > ±0,08 | Нарушение зацепления, повышенный шум |
| Зазор в подшипниках скольжения | 0,04 – 0,08 | 0,12 – 0,15 | > 0,20 | Биение вала, неравномерный износ |
| Зазор между зубьями в зацеплении | 0,05 – 0,10 | 0,15 – 0,20 | > 0,25 | Пульсация подачи, обратные перетечки |
| Осевой люфт вала | 0,05 – 0,10 | 0,15 | > 0,20 | Неравномерный торцевой износ |
Примечание: приведены типовые значения для насосов серии НМШ. Для конкретных моделей следует руководствоваться документацией производителя.
| Признак неисправности | Вероятная причина | Метод диагностики | Корректирующие действия |
|---|---|---|---|
| Снижение производительности на 15–25% | Увеличение торцевых и радиальных зазоров | Измерение подачи при номинальном давлении, замер зазоров | Регулировка торцевого зазора прокладками, замена шестерен |
| Падение развиваемого давления | Износ зубьев, увеличение зазоров в зацеплении | Манометрический контроль, визуальный осмотр шестерен | Замена шестерен, проверка предохранительного клапана |
| Повышенный шум при работе | Кавитация, износ подшипников, увеличение зазоров | Виброакустический анализ, проверка высоты всасывания | Снижение высоты всасывания, замена подшипников |
| Вибрация насосного агрегата | Дисбаланс ротора, износ муфты, расцентровка | Измерение вибрации, проверка центровки | Балансировка, проверка и замена муфты, центровка |
| Перегрев корпуса (>80°C) | Малые зазоры, высокая вязкость, недостаток смазки | Термометрический контроль, проверка вязкости среды | Увеличение зазоров, подогрев среды, проверка смазки |
| Утечка через уплотнения | Износ сальника/торцевого уплотнения, повреждение вала | Визуальный осмотр, проверка биения вала | Замена уплотнений, восстановление или замена вала |
| Пульсация потока | Подсос воздуха, износ зубьев, кавитация | Проверка герметичности всасывания, осмотр зубьев | Устранение подсоса воздуха, замена шестерен |
| Задиры на зубьях и корпусе | Загрязнение рабочей жидкости, масляное голодание | Визуальный осмотр при разборке | Замена поврежденных деталей, очистка системы, замена фильтров |
| Оплавление уплотнений | Перегрев из-за работы без жидкости или перегрузки | Визуальный осмотр уплотнений | Замена уплотнений, устранение причины перегрева |
| Нестабильность давления | Неисправность предохранительного клапана | Проверка настройки и работы клапана | Регулировка или замена клапана |
Принцип действия и конструктивные особенности шестеренных насосов
Шестеренные насосы относятся к классу объемных роторных гидравлических машин, предназначенных для перемещения жидкостей посредством вращающихся зубчатых колес. Рабочий процесс основан на принципе вытеснения жидкости из межзубного пространства при входе зубьев в зацепление. В отличие от центробежных насосов, объемные машины обеспечивают практически постоянную подачу независимо от противодавления в системе, что делает их оптимальным выбором для работы с вязкими средами.
Основное преимущество шестеренных насосов при перекачивании вязких жидкостей заключается в положительном влиянии вязкости на объемный КПД: вязкая среда заполняет зазоры между рабочими органами и корпусом, снижая внутренние утечки. При увеличении вязкости от 20 до 500 сСт объемный КПД возрастает с 85% до 95%, тогда как у центробежных насосов в этом диапазоне эффективность падает на 30–50%.
Насосы с внешним зацеплением
Конструкция насоса с внешним зацеплением включает две шестерни, размещенные в корпусе с минимальными радиальными и торцевыми зазорами. Ведущая шестерня соединена с приводным валом и передает вращение ведомой через зубчатое зацепление. При вращении шестерен жидкость захватывается во впадины между зубьями в зоне всасывания, переносится вдоль стенок корпуса и вытесняется в зону нагнетания при входе зубьев в зацепление.
Насосы данного типа выпускаются с прямозубыми, косозубыми и шевронными шестернями. Прямозубые шестерни отличаются простотой изготовления, однако создают большую пульсацию подачи. Косозубые и шевронные варианты обеспечивают более плавную работу за счет постепенного входа зубьев в зацепление, но требуют компенсации осевых усилий.
Насосы с внутренним зацеплением
В насосах с внутренним зацеплением внутренняя шестерня (ротор) располагается эксцентрично относительно внешней шестерни (статора). Серповидный разделительный элемент между зубьями обеспечивает герметизацию зон всасывания и нагнетания. Данная конструкция отличается компактностью, минимальной пульсацией подачи и способностью работать с жидкостями, имеющими неравномерную вязкость.
Героторные насосы
Героторные насосы представляют собой модификацию конструкции с внутренним зацеплением, в которой внутренний ротор имеет на один зуб меньше, чем внешний статор. Особенность профиля зубьев обеспечивает непрерывный линейный контакт между рабочими элементами без необходимости применения серповидного разделителя. Максимальное рабочее давление героторных насосов достигает 15 МПа, что делает их востребованными в системах гидроприводов.
Влияние вязкости на характеристики шестеренного насоса
Вязкость перекачиваемой среды является определяющим параметром при подборе шестеренного насоса. В отличие от центробежных насосов, где увеличение вязкости приводит к падению напора и производительности, шестеренные насосы демонстрируют обратную зависимость: с ростом вязкости объемный КПД увеличивается за счет улучшения уплотнения рабочих зазоров.
Объемный КПД и коэффициент подачи
Объемный КПД шестеренного насоса определяется отношением фактической подачи к теоретической и зависит от величины внутренних перетечек через зазоры. При работе с маловязкими жидкостями (вязкость менее 20 сСт) утечки через радиальные и торцевые зазоры достигают 15–25% от теоретической подачи. При вязкости 100–500 сСт утечки снижаются до 5–10%, что обеспечивает максимальную эффективность насоса.
Следует учитывать, что при вязкости свыше 2000 сСт возникает обратный эффект: резко возрастают гидравлические потери на входе в насос, ухудшается заполнение межзубных впадин, повышается потребляемая мощность. Для компенсации этих явлений применяют снижение частоты вращения, увеличение диаметра всасывающего патрубка и подогрев перекачиваемой среды.
Расчетные зависимости
где: Dн — начальный диаметр шестерни, м;
m — модуль шестерни, м;
b — ширина шестерни, м;
n — частота вращения, с−1
где: ηv — объемный КПД (0,75–0,95 в зависимости от вязкости и состояния насоса)
где: Q — подача, м³/с;
P — давление нагнетания, Па;
ηобщ — общий КПД насоса (0,6–0,85)
Критерии подбора шестеренного насоса по вязкости среды
Правильный подбор шестеренного насоса требует комплексного анализа свойств перекачиваемой среды и условий эксплуатации. Основными параметрами, определяющими выбор типоразмера и конструктивного исполнения, являются вязкость, температура, химическая активность и наличие механических включений.
Шестеренные насосы с внешним зацеплением эффективно работают с жидкостями вязкостью от 1 до 60 000 сСт, однако оптимальный диапазон составляет 20–500 сСт. При вязкости менее 20 сСт рекомендуется применять насосы с уменьшенными зазорами или рассмотреть альтернативные типы оборудования. Насосы с внутренним зацеплением способны перекачивать жидкости вязкостью до 100 000 сСт и выше. Для сред вязкостью свыше 100 000 сСт предпочтительны винтовые насосы, обеспечивающие работу с нетекучими средами.
Алгоритм подбора насоса:
- Определение диапазона вязкости перекачиваемой среды при рабочей температуре
- Расчет требуемой подачи и давления нагнетания
- Выбор материального исполнения по химической совместимости
- Определение типа уплотнения вала (сальниковое, торцевое, магнитная муфта)
- Расчет потребляемой мощности с учетом пусковых режимов
- Проверка кавитационного запаса на стороне всасывания
При подборе насоса для сред с переменной вязкостью (например, при колебаниях температуры) необходимо рассчитывать параметры для наиболее неблагоприятных условий: максимальная вязкость определяет пусковой момент и мощность привода, минимальная вязкость — требования к зазорам и объемному КПД.
Материалы проточной части для химических производств
Выбор материалов проточной части определяется химической активностью перекачиваемой среды, температурным режимом и требованиями к чистоте продукта. В производстве лакокрасочных материалов и бытовой химии применяются насосы из различных конструкционных материалов, каждый из которых имеет свою область применения.
Чугунное исполнение (СЧ20, СЧ25)
Стандартное исполнение для нефтепродуктов, минеральных масел и неагрессивных сред. Чугун обеспечивает хорошую износостойкость и экономичность, однако не рекомендуется для кислот, щелочей и пищевых продуктов. Температурный диапазон работы составляет от −40 до +200 °C.
Бронзовое исполнение (БрАЖ9-4, БрОЦС5-5-5)
Применяется для легковоспламеняющихся жидкостей (растворители, лаки), где недопустимо искрообразование. Бронзовые шестерни обеспечивают антифрикционные свойства и стойкость к морской воде. Ограничение — не допускается работа с аммиаком и кислотами.
Нержавеющее исполнение (AISI 304, AISI 316, 316L)
Универсальное решение для химической, фармацевтической и пищевой промышленности. Сталь 316L с пониженным содержанием углерода применяется для разбавленных кислот и хлоридсодержащих сред. Обеспечивает соответствие гигиеническим требованиям при производстве косметических средств и бытовой химии.
Специальные материалы
Для высокоагрессивных сред применяются насосы с проточной частью из сплавов Hastelloy, титана или с покрытием из PTFE. Керамические шестерни используются при работе с абразивными суспензиями, твердосплавные элементы (карбид вольфрама) — для сред с механическими включениями.
Зазоры в шестеренных насосах и их влияние на КПД
Величина зазоров между рабочими элементами шестеренного насоса является критическим параметром, определяющим объемный КПД, надежность и ресурс оборудования. Различают радиальные зазоры (между головками зубьев и корпусом) и торцевые зазоры (между торцами шестерен и крышками корпуса).
Торцевые зазоры оказывают наибольшее влияние на потери — утечки через них составляют 75–80% от всех внутренних утечек. При увеличении торцевого зазора на 0,1 мм объемный КПД снижается примерно на 20%. Это объясняется меньшим гидравлическим сопротивлением плоских щелей по сравнению с кольцевыми зазорами вокруг головок зубьев.
Методы компенсации зазоров
В насосах высокого давления (свыше 10 МПа) применяется гидравлическая компенсация торцевых зазоров. Плавающие втулки или подпятники поджимаются к торцам шестерен давлением нагнетаемой жидкости, обеспечивая минимальный зазор при любом рабочем давлении. Правильный расчет площади поджатия критически важен: при недостаточном усилии возрастают утечки, при избыточном — происходит полусухое трение и ускоренный износ.
Диагностика износа и техническое обслуживание
Своевременная диагностика состояния шестеренного насоса позволяет предотвратить аварийные отказы и оптимизировать затраты на техническое обслуживание. Основными диагностическими параметрами являются: фактическая подача при номинальном давлении, уровень вибрации, температура корпуса и подшипниковых узлов, состояние уплотнений.
Периодичность технического обслуживания
Ежесменное обслуживание:
- Визуальный контроль герметичности уплотнений и фланцевых соединений
- Проверка показаний манометров на всасывании и нагнетании
- Контроль температуры корпуса и подшипников (не более +80 °C)
- Оценка уровня шума и вибрации органолептически
Периодическое обслуживание (каждые 700–750 часов работы):
- Замена смазки в подшипниковых узлах
- Промывка маслопроводящих каналов
- Проверка центровки насоса и электродвигателя
- Контроль состояния соединительной муфты
- Измерение параметров вибрации инструментальным методом
Расширенное обслуживание (каждые 4000–5000 часов):
- Дополнение или замена смазки подшипников качения
- Проверка и регулировка предохранительного клапана
- Измерение торцевых и радиальных зазоров
- Ревизия торцевых уплотнений или замена сальниковой набивки
- Проверка состояния зубьев шестерен визуально
Методы диагностики состояния
Инструментальная диагностика включает измерение вибрации в характерных точках корпуса насоса и подшипниковых опор. Согласно ГОСТ Р 55265.7-2012 (ИСО 10816-7:2009) для промышленных насосов предельно допустимым значением обычно принимают границу между зонами A и B вибрационного состояния. Превышение базового уровня вибрации в 1,5–2 раза относительно исходного значения свидетельствует о развивающемся дефекте. Спектральный анализ вибрации позволяет идентифицировать конкретную неисправность: дисбаланс ротора, износ подшипников, дефекты зацепления.
Термографический контроль выявляет локальные перегревы, связанные с повышенным трением в подшипниках или уплотнениях. Разница температур более 15 °C между симметричными точками корпуса указывает на неравномерный износ.
Применение в производстве ЛКМ и бытовой химии
Шестеренные насосы широко применяются в лакокрасочной промышленности благодаря способности перекачивать вязкие среды с сохранением их структуры. При производстве красок, лаков, эмалей и грунтовок насосы обеспечивают транспортирование готового продукта от смесителей к фильтрам и фасовочному оборудованию, циркуляцию в системах терморегулирования, дозирование компонентов.
Особенности применения в ЛКМ-производстве:
- Применение бронзового исполнения для растворителей и органических лаков (искробезопасность)
- Взрывозащищенные электродвигатели с маркировкой Ex для зон класса 1 и 2 по ГОСТ Р 51330
- Необходимость промывки растворителем после каждого цикла работы с красками
- Использование торцевых уплотнений двойного типа для токсичных сред
- Применение магнитных муфт для полной герметизации
В производстве бытовой химии (шампуни, моющие средства, кремы) предпочтительны насосы из нержавеющей стали с полированной проточной частью, соответствующие гигиеническим требованиям. Конструкция должна обеспечивать полное дренирование и легкую разборку для санитарной обработки.
Для перекачивания абразивных суспензий (пигментные пасты, наполнители) применяются насосы с шестернями из закаленной стали или твердых сплавов, увеличенными зазорами и износостойкими втулками подшипников. Срок службы таких насосов в 2–3 раза превышает ресурс стандартного исполнения.
FAQ: часто задаваемые вопросы
Шестеренные насосы с внешним зацеплением эффективно работают с жидкостями вязкостью до 60 000 сСт при соответствующем снижении частоты вращения (до 50 об/мин) и увеличении мощности привода. Насосы с внутренним зацеплением способны перекачивать жидкости вязкостью до 100 000 сСт и выше. Для более вязких сред (до 1 000 000 сСт) применяются специализированные насосы с увеличенными входными патрубками или рекомендуется рассмотреть винтовые насосы.
При перекачивании жидкостей с вязкостью менее 20 сСт возрастают внутренние утечки через радиальные и торцевые зазоры. Маловязкая среда не обеспечивает достаточного уплотнения щелей, и часть жидкости перетекает из зоны нагнетания обратно во всасывание. Для таких применений следует использовать насосы с уменьшенными зазорами или рассмотреть альтернативные типы (центробежные, вихревые).
Основные косвенные признаки износа: снижение производительности более чем на 15% при номинальном давлении, увеличение потребляемого тока электродвигателя, повышенный уровень шума и вибрации, рост температуры корпуса. Инструментально износ оценивается по результатам виброанализа (появление характерных частот дефектов зацепления) и сравнению фактической подачи с паспортной при фиксированном противодавлении.
Для органических растворителей рекомендуются торцевые уплотнения с парой трения из карбида кремния или карбида вольфрама с эластомерами из PTFE или FFKM. При работе с токсичными или особо летучими растворителями применяют двойные торцевые уплотнения с затворной жидкостью или насосы с магнитной муфтой, полностью исключающие утечки в атмосферу.
Да, для перекачивания битума и других легкозастывающих продуктов применяются насосы типа НМШГ с рубашкой обогрева на корпусе и крышках. Теплоноситель (пар, термомасло) поддерживает температуру 150–220 °C, обеспечивая текучесть битума. Без обогрева застывший продукт может заблокировать рабочие органы и вызвать поломку привода при пуске.
Ресурс шестерен зависит от условий эксплуатации и составляет от 8 000 до 25 000 часов работы. При перекачивании чистых масел и смазывающих жидкостей ресурс максимален. Наличие абразивных частиц, работа с недостаточной смазкой или при повышенных давлениях сокращают срок службы. Критерий замены — увеличение зазора между головкой зуба и корпусом более 0,25 мм или снижение производительности на 20–25%.
Отказ от ответственности
Данная статья носит исключительно информационный и образовательный характер. Приведенные технические данные, рекомендации и расчетные зависимости являются обобщенными и могут отличаться для конкретных моделей оборудования различных производителей.
Автор и издатель не несут ответственности за любые последствия применения информации из данной статьи без надлежащей проверки и согласования с технической документацией производителя оборудования. Перед принятием технических решений необходимо консультироваться с квалифицированными специалистами и руководствоваться актуальной нормативной документацией.
Информация актуальна на момент публикации (2025 г.). Технические стандарты и нормативные документы периодически обновляются — проверяйте актуальность ГОСТов через официальные базы данных (docs.cntd.ru, protect.gost.ru).
Источники и нормативные документы
- ГОСТ 19027-89 Насосы шестеренные. Основные параметры (с изменением № 1)
- ГОСТ 31839-2012 (EN 809:1998) Насосы и агрегаты насосные для перекачки жидкостей. Общие требования безопасности
- ГОСТ 32600-2013 (ISO 21049:2004) Насосы. Уплотнительные системы вала для центробежных и роторных насосов
- ГОСТ 17335-79 Насосы объемные. Правила приемки и методы испытаний (с изменениями № 1–3)
- ГОСТ Р 55265.7-2012 (ИСО 10816-7:2009) Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации. Часть 7. Насосы динамические промышленные
- ГОСТ 12.1.007-76 Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности
- ТР ТС 010/2011 О безопасности машин и оборудования
- ТР ТС 012/2011 О безопасности оборудования для работы во взрывоопасных средах
- Юдин Е.М. Шестеренные насосы. Основные параметры и их расчет. — М.: Машиностроение, 1964. — 238 с.
- Машины и аппараты химических производств: Учебное пособие для вузов / Под ред. А.С. Тимонина. — Калуга: Изд-во Н.Ф. Бочкаревой, 2008. — 872 с.
- Техническая документация производителей: ГМС Ливгидромаш, Viking Pump, Tuthill, Varisco
