Из каких материалов состоит лопастной насос?

Лопастные насосы являются распространенным типом объемных насосов, используемых во многих приложениях: от систем рулевого управления с усилителем в автомобилях до гидравлических систем в промышленном оборудовании и операций по перекачке топлива. Их работа основана на простом, но эффективном принципе: ротор с прорезями вращается внутри большей полости, а лопасти, которые входят в эти прорези, выталкиваются наружу против корпуса насоса под действием центробежной силы, а во многих конструкциях - под давлением жидкости. Это создает расширяющиеся и сжимающиеся камеры, которые втягивают жидкость и выталкивают ее. Эффективность, долговечность и химическая совместимость лопастного насоса во многом зависят от материалов, из которых изготовлены его компоненты. Выбор этих материалов предполагает баланс требований к прочности, износостойкости, характеристикам трения и устойчивости к перекачиваемой жидкости.

Корпус насоса: сдерживание давления

Корпус образует внешний корпус насоса, содержащий внутренние компоненты и выдерживающий рабочее давление. Выбор материала корпуса в первую очередь определяется требованиями к давлению и типом перекачиваемой жидкости.

Чугун: это распространенный материал для корпусов лопастных насосов во многих промышленных и мобильных гидравлических системах. Чугун, например серый или ковкий чугун, обладает прочностью и жесткостью, позволяющими выдерживать высокие рабочие давления. Он также обеспечивает хорошие характеристики гашения вибрации и относительно экономичен для изделий сложной формы, получаемых методом литья. Его износостойкость также полезна в местах, где лопасти или ротор могут соприкасаться.

Алюминиевые сплавы: в тех случаях, когда снижение веса является приоритетом, например, в автомобильных насосах гидроусилителя рулевого управления или в аэрокосмической отрасли, часто используются алюминиевые сплавы. Алюминиевые корпуса значительно легче чугунных. Обычно их производят методом литья под давлением, что обеспечивает точную и сложную геометрию. Алюминий также обеспечивает хорошую коррозионную стойкость, что является преимуществом при перекачивании жидкостей, которые могут содержать воду, или когда насос подвергается воздействию непогоды. Однако алюминиевые корпуса обычно используются в диапазонах давления от более низкого до среднего по сравнению с чугунными.

Нержавеющая сталь и другие сплавы. Для специализированных применений, связанных с высокоагрессивными жидкостями, например, в химической обработке или морской среде, корпуса насосов могут быть изготовлены из нержавеющей стали или других коррозионностойких сплавов, таких как бронза. Эти материалы обеспечивают необходимую химическую инертность для предотвращения деградации насоса и загрязнения жидкости. Однако они дороже и их сложнее обрабатывать.

Ротор: движущая сила

Ротор — это центральный вращающийся компонент, приводящий в движение лопасти. Он подвергается скручивающим нагрузкам со стороны приводного вала и должен иметь точные пазы, чтобы лопасти могли плавно входить и выходить.

Порошковая металлическая сталь. Очень распространенным материалом для роторов крупносерийных лопастных насосов является порошковая металлическая сталь. Этот производственный процесс включает прессование металлического порошка в штампе и последующее его спекание с образованием твердой детали. Это позволяет создавать роторы сложной формы, включая точные пазы для лопастей, с минимальной механической обработкой. Материал может быть спроектирован так, чтобы иметь хорошую прочность и износостойкость.

Науглероженная и закаленная сталь. В условиях более высокого давления или в более сложных условиях роторы часто изготавливаются из цельных прутков или поковок стали, такой как 8620 или аналогичных сплавов. Эти роторы затем подвергаются цементации посредством процесса цементации. Это создает твердую, износостойкую внешнюю поверхность на пазах лопастей и опорных поверхностях, сохраняя при этом более прочный и пластичный сердечник, способный выдерживать скручивающие нагрузки.

Чугун. В некоторых конструкциях роторов, особенно в более крупных насосах, может использоваться высокопрочный чугун. Он обладает хорошими износостойкими свойствами и может иметь форму, близкую к заданной, что снижает требования к механической обработке.

Лопасти: сердце насоса

Лопасти, возможно, являются критически важными компонентами, поскольку они должны плотно прилегать к корпусу (кулачковому кольцу), скользя в пазах ротора и из них тысячи раз в минуту. Их материал должен обладать низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью и достаточной прочностью, чтобы выдерживать перепад давления на них.

Углеродный графит: В приложениях, связанных с несмазочными жидкостями, такими как бензин, растворители или вода, угольный графит является распространенным материалом лопастей. Он обладает самосмазывающимися свойствами, что означает, что он может сталкиваться с металлическим корпусом без смазки, обеспечивающей смазку. Он также химически инертен и легок. Углеродные лопасти предназначены для жертвования; со временем они слегка изнашиваются, сохраняя плотное прилегание к корпусу, но их относительно легко и недорого заменить.

Ковкий чугун. В гидравлических системах, использующих масло, обеспечивающее смазку, лопасти часто изготавливаются из ковкого (с шаровидным графитом) чугуна. Этот материал обеспечивает высокую прочность и хорошую износостойкость при работе с кулачковым кольцом из закаленной стали или чугуна в условиях смазки. Микроструктура ковкого чугуна обеспечивает присущую ему смазывающую способность.

Стальные сплавы. Для изготовления лопастей также используются различные стальные сплавы, часто с поверхностной обработкой. В некоторых конструкциях для лопастей используется цементированная сталь. Другие могут использовать быстрорежущие инструментальные стали из-за их исключительной износостойкости и твердости в жарких условиях в сложных условиях эксплуатации. В некоторых насосах лопасти изготовлены из более мягкого материала, чем кулачковое кольцо, чтобы обеспечить износ более легко заменяемых лопастей, а не более дорогого корпуса.

Кулачковое кольцо (или вкладыш): определение камеры насоса

Кулачковое кольцо, также известное как вкладыш или кольцо, представляет собой внутреннюю поверхность, по которой движутся лопатки. Его внутренний профиль определяет характеристики перекачки.

Закаленная сталь: В гидравлических насосах высокого давления кулачковое кольцо всегда изготавливается из износостойкого стального сплава, прошедшего сквозную или цементируемую закалку. Поверхность должна быть твердой и гладкой, чтобы противостоять скольжению и истиранию лопастей. Обычные материалы включают инструментальные стали или науглероженные марки, такие как 4620 или 5120.

Износостойкий чугун. В некоторых конструкциях для среднего давления в качестве кулачкового кольца может использоваться высоколегированный износостойкий чугун. Он обладает хорошими несущими свойствами и может быть отлит до необходимой внутренней формы.

Материалы с покрытием. В некоторых современных кулачковых кольцах могут использоваться специальные покрытия, наносимые с помощью таких процессов, как физическое осаждение из паровой фазы (PVD), для дальнейшего повышения износостойкости и снижения трения. Такие покрытия, как нитрид титана (TiN) или алмазоподобный углерод (DLC), можно найти в высокопроизводительных насосах.

Другие компоненты: уплотнения, втулки и валы.

Остальные компоненты лопастного насоса также зависят от выбора конкретного материала.

Приводные валы: обычно изготавливаются из высокопрочных стальных сплавов, часто со шлифованными и полированными поверхностями подшипников. Они должны передавать крутящий момент от первичного двигателя к ротору без чрезмерного отклонения.

Втулки и подшипники. Для поддержки вала ротора во многих лопастных насосах используются втулки из спеченной бронзы, которые являются пористыми и могут удерживать масло для смазки. В некоторых конструкциях используются игольчатые или шарикоподшипники из закаленной стали.

Уплотнения: Уплотнения предотвращают утечку жидкости из насоса вдоль вала. Обычно они изготавливаются из эластомерных материалов, таких как нитриловый каучук (Buna-N), витон (фторуглерод) или ПТФЭ (тефлон), выбранных с учетом их совместимости с жидкостью и диапазона рабочих температур. Уплотнительные кольца, используемые для герметизации соединений корпуса, изготовлены из аналогичных материалов.