با توجه به نفوذ روز افزون سيستم هاي هيدروليكي در صنايع مختلف وجود پمپ هايي با توان و فشار هاي مختلف بيش از پيش مورد نياز است . پمپ به عنوان قلب سيستم هيدروليك انرژي مكانيكي را كه توسط موتورهاي الكتريكي، احتراق داخلي و ... تامين مي گردد به انرژي هيدروليكي تبديل مي كند. در واقع پمپ در يك سيكل هيدروليكي يا نيوماتيكي انرژي سيال را افزايش مي دهد تا در مكان مورد نياز اين انرژي افزوده به كار مطلوب تبديل گردد.
فشار اتمسفر در اثر خلا نسبي بوجود آمده به خاطر عملكرد اجزاي مكانيكي پمپ ، سيال را مجبور به حركت به سمت مجراي ورودي آن نموده تا توسط پمپ به ساير قسمت هاي مدار هيدروليك رانده شود.
با توجه به نفوذ روز افزون سيستم هاي هيدروليكي در صنايع مختلف وجود پمپ هايي با توان و فشار هاي مختلف بيش از پيش مورد نياز است . پمپ به عنوان قلب سيستم هيدروليك انرژي مكانيكي را كه توسط موتورهاي الكتريكي، احتراق داخلي و ... تامين مي گردد به انرژي هيدروليكي تبديل مي كند. در واقع پمپ در يك سيكل هيدروليكي يا نيوماتيكي انرژي سيال را افزايش مي دهد تا در مكان مورد نياز اين انرژي افزوده به كار مطلوب تبديل گردد.
حجم روغن پر فشار تحويل داده شده به مدار هيدروليكي بستگي به ظرفيت پمپ و در نتيجه به حجم جابه جا شده سيال در هر دور و تعداد دور پمپ دارد. ظرفيت پمپ با واحد گالن در دقيقه يا ليتر بر دقيقه بيان مي شود.
نكته قابل توجه در در مكش سيال ارتفاع عمودي مجاز پمپ نسبت به سطح آزاد سيال مي باشد ، در مورد روغن اين ارتفاع نبايد بيش از 10 متر باشد زيرا بر اثر بوجود آمدن خلا نسبي اگر ارتفاع بيش از 10 متر باشد روغن جوش آمده و بجاي روغن مايع ، بخار روغن وارد پمپ شده و در كار سيكل اختلال بوجود خواهد آورد . اما در مورد ارتفاع خروجي پمپ هيچ محدوديتي وجود ندارد و تنها توان پمپ است كه مي تواند آن رامعين كند.
پمپ ها در صنعت هيدروليك به دو دسته كلي تقسيم مي شوند :
1- پمپ ها با جا به جايي غير مثبت ( پمپ هاي ديناميكي)
2- پمپ هاي با جابه جايي مثبت
پمپ ها با جا به جايي غير مثبت : توانايي مقاومت در فشار هاي بالا را ندارند و به ندرت در صنعت هيدروليك مورد استفاده قرار مي گيرند و معمولا به عنوان انتقال اوليه سيال از نقطه اي به نقطه ديگر بكار گرفته مي شوند. بطور كلي اين پمپ ها براي سيستم هاي فشار پايين و جريان بالا كه حداكثر ظرفيت فشاري آنها به 250psi تا3000si محدود مي گردد مناسب است. پمپ هاي گريز از مركز (سانتريفوژ) و محوري نمونه كاربردي پمپ هاي با جابجايي غير مثت مي باشد.
پمپ هاي با جابجايي مثبت : در اين پمپ ها به ازاي هر دور چرخش محور مقدار معيني از سيال به سمت خروجي فرستاده مي شود و توانايي غلبه بر فشار خروجي و اصطكاك را دارد . اين پمپ ها مزيت هاي بسياري نسبت به پمپ هاي با جابه جايي غير مثبت دارند مانند مانند ابعاد كوچكتر ، بازده حجمي بالا ، انعطاف پذيري مناسب و توانايي كار در فشار هاي بالا ( حتي بيشتر از psi)
پمپ ها با جابه جايي مثبت از نظر ساختمان :
1- پمپ هاي دنده اي
2 - پمپ هاي پره اي
3- پمپ هاي پيستوني
پمپ ها با جابه جايي مثبت از نظر ميزان جابه جايي :
1- پمپ ها با جا به جايي ثابت
2- پمپ هاي با جابه جايي متغيير
در يك پمپ با جابه جايي ثابت (Fixed Displacement) ميزان سيال پمپ شده به ازاي هر يك دور چرخش محور ثابت است در صورتيكه در پمپ هاي با جابه جايي متغير (Variable Displacement) مقدار فوق بواسطه تغيير در ارتباط بين اجزاء پمپ قابل كم يا زياد كردن است. به اين پمپ ها ، پمپ ها ي دبي متغير نيز مي گويند.
بايد بدانيم كه پمپ ها ايجاد فشار نمي كنند بلكه توليد جريان مي نمايند. در واقع در يك سيستم هيدروليك فشار بيانگر ميزان مقامت در مقابل خروجي پمپ است اگر خروجي در فشار يك اتمسفر باشد به هيچ وجه فشار خروجي پمپ بيش از يك اتمسفر نخواهد شد .همچنين اگر خروجي در فشار 100 اتمسفر باشد براي به جريان افتادن سيال فشاري معادل 100 اتمسفر در سيال بوجود مي آيد.
پمپ هاي دنده اي Gear Pump
اين پمپ ها به دليل طراحي آسان ، هزينه ساخت پايين و جثه كوچك و جمع و جور در صنعت كاربرد زيادي پيدا كرده اند . ولي از معايب اين پمپ ها مي توان به كاهش بازده آنها در اثر فرسايش قطعات به دليل اصطكاك و خوردگي و در نتيجه نشت روغن در قسمت هاي داخلي آن اشاره كرد. اين افت فشار بيشتر در نواحي بين دنده ها و پوسته و بين دنده ها قابل مشاهده است.
پمپ ها ي دنده اي :
1- دنده خارجي External Gear Pumps
2– دنده داخلي Internal Gear Pumps
3- گوشواره اي Lobe Pumps
4- پيچي Screw Pumps
5- ژيروتور Gerotor Pumps
1- دنده خارجي External Gear Pumps
در اين پمپ ها يكي از چرخ دنده ها به محرك متصل بوده و چرخ دنده ديگر هرزگرد مي باشد. با چرخش محور محرك و دور شدن دنده هاي چرخ دنده ها از هم با ايجاد خلاء نسبي روغن به فضاي بين چرخ دنده ها و پوسته كشيده شده و به سمت خروجي رانده مي شود.
لقي بين پوسته و دنده ها در اينگونه پمپ ها حدود 0.025 mm مي باشد.
افت داخلي جريان به خاطر نشست روغن در فضاي موجود بين پوسته و چرخ دنده است كه لغزش پمپ (Volumetric efficiency ) نام دارد.
با توجه به دور هاي بالاي پمپ كه تا rpm 2700 مي رسد پمپاژ بسيار سريع انجام مي شود، اين مقدار در پمپ ها ي دنده اي با جابه جايي متغيير مي تواند از 750 rpm تا 1750 rpm متغيير باشد. پمپ ها ي دنده اي براي فشارهاي تا (كيلوگرم بر سانتي متر مربع200 ) 3000 psi طراحي شده اند كه البته اندازه متداول آن 1000 psi است.
2– دنده داخلي Internal Gear Pumps
اين پمپ ها بيشتر به منظور روغنكاري و تغذيه در فشار هاي كمتر از 1000 psi استفاده مي شود ولي در انواع چند مرحله اي دسترسي به محدوده ي فشاري در حدود 4000 psi نيز امكان پذير است. كاهش بازدهي در اثر سايش در پمپ هاي دنده اي داخلي بيشتر از پمپ هاي دنده اي خارجي است.
3- پمپ هاي گوشواره اي Lobe Pumps
اين پمپ ها از خانواده پمپ هاي دنده اي هستند كه آرامتر و بي صداتر از ديگر پمپ هاي اين خانواده عمل مي نمايد زيرا هر دو دنده آن داراي محرك خارجي بوده و دنده ها با يكديگر درگير نمي شوند. اما به خاطر داشتن دندانه هاي كمتر خروجي ضربان بيشتري دارد ولي جابه جايي حجمي بيشتري نسبت به ساير پمپ هاي دنده اي خواهد داشت.
4- پمپ هاي پيچي Screw Pumps
پمپ پيچي يك پمپ دنده اي با جابه جايي مثبت و جريان محوري بوده كه در اثر درگيري سه پيچ دقيق (سنگ خورده) درون محفظه آب بندي شده جرياني كاملا آرام ، بدون ضربان و با بازده بالا توليد مي كند. دو روتور هرزگرد به عنوان آب بندهاي دوار عمل نموده و باعث رانده شدن سيال در جهت مناسب مي شوند.حركت آرام بدون صدا و ارتعاش ، قابليت كا با انواع سيال ، حداقل نياز به روغنكاري ، قابليت پمپاژ امولسيون آب ، روغن و عدم ايجاد اغتشاش زياد در خروجي از مزاياي جالب اين پمپ مي باشد.
5- پمپ هاي ژيروتور Gerotor Pumps
عملكرد اين پمپها شبيه پمپ هاي چرخ دنده داخلي است. در اين پمپ ها عضو ژيروتور توسط محرك خارجي به حركت در مي آيد و موجب چرخيدن روتور چرخ دندهاي درگير با خود مي شود.
در نتيجه اين مكانيزم درگيري ، آب بندي بين نواحي پمپاژ تامين مي گردد. عضو ژيروتور داراي يك چرخ دندانه كمتر از روتور چرخ دنده داخلي مي باشد.
حجم دندانه كاسته شده ضرب در تعداد چرخ دندانه چرخ دنده محرك ، حجم سيال پمپ شده به ازاي هر دور چرخش محور را مشخص مي نمايد.
پمپ هاي پره اي :
به طور كلي پمپ هاي پره اي به عنوان پمپ هاي فشار متوسط در صنايع مورد استفاده قرار مي گيرند. سرعت آنها معمولا از 1200 rpm تا 1750 rpm بوده و در مواقع خاص تا 2400 rpm نيز ميرسد. بازده حجمي اين پمپ ها 85% تا 90% است اما بازده كلي آنها به دليل نشت هاي موجود در اطراف روتور پايين است ( حدود 75% تا 80% ). عمدتا اين پمپها آرام و بي سر و صدا كار مي كنند ، از مزاياي جالب اين پمپ ها اين است كه در صورت بروز اشكال در ساختمان پمپ بدون جدا كردن لوله هاي ورودي و خروجي قابل تعمير است.
فضاي بين روتور و رينگ بادامكي در در نيم دور اول چرخش محور ، افزيش يافته و انبساط حجمي حاصله باعث كاهش فشار و ايجاد مكش مي گردد، در نتيجه سيال به طرف مجراي ورودي پمپ جريان مي يابد. در نيم دور دوم با كم شدن فضاي بين پره ها سيال كه در اين فضاها قرار دارد با فشار به سمت خروجي رانده مي شود. همانطور كه در شكل مي بينيد جريان بوجود آمده به ميزان خروج از مركز(فاصله دو مركز) محور نسبت به روتور پمپ بستگي دارد و اگر اين فاصله به صفر برسد ديگر در خروجي جرياني نخواهيم داشت.
پمپ هاي پره اي كه قابليت تنظيم خروج از مركز را دارند مي توانند دبي هاي حجمي متفاوتي را به سيستم تزريق كنند به اين پمپ ها ، جابه جايي متغيير مي گويند. به خاطر وجود خروج از مركز محور از روتور(عدم تقارن) بار جانبي وارد بر ياتاقان ها افزايش مي يابد و در فشار هاي بالا ايجاد مشكل مي كند.
براي رفع اين مشكل از پمپ هاي پره اي متقارن (بالانس) استفاده مي كنند. شكل بيضوي پوسته در اين پمپ ها باعث مي شود كه مجاري ورودي و خروجي نظير به نظير رو به روي هم قرار گيرند و تعادل هيدروليكي برقرار گردد. با اين ترفند بار جانبي وارد بر ياتاقان ها كاهش يافته اما عدم قابليت تغيير در جابه جايي از معايب اين پمپ ها به شمار مي آيد .( چون خروج از مركز وجود نخواهد داشت)
حداكثر فشار قابل دستيابي در پمپ هاي پره اي حدود 3000 psi است.
پمپ هاي پيستوني
پمپ هاي پيستوني با دارا بودن بيشترين نسبت توان به وزن، از گرانترين پمپ ها هستند و در صورت آب بندي دقيق پيستون ها مي تواند بالا ترين بازدهي را داشته باشند. معمولا جريان در اين پمپ ها بدون ضربان بوده و به دليل عدم وارد آمدن بار جانبي به پيستونها داراي عمر طولاني مي باشند، اما به خاطر ساختار پيچيده تعمير آن مشكل است.
از نظر طراحي پمپ هاي پيستوني به دو دسته شعاعي و محوري تقسيم مي شوند.
پمپ هاي پيستوني محوري با محور خميده (Axial piston pumps(bent-axis type)) :
در اين پمپ ها خط مركزي بلوك سيلندر نسبت به خط مركزي محور محرك در موقعيت زاويه اي مشخصي قرار دارد ميله پيستون توسط اتصالات كروي (Ball & socket joints)به فلنج محور محرك متصل هستند به طوري كه تغيير فاصله بين فلنج محرك و بلوك سيلندر باعث حركت رفت و برگشت پيستون ها در سيلندر مي شود. يك اتصال يونيورسال ( Universal link) بلوك سيلندر را به محور محرك متصل مي كند.
ميزان خروجي پمپ با تغيير زاويه بين دو محور پمپ قابل تغيير است.در زاويه صفر خروجي وجود ندارد و بيشينه خروجي در زاويه 30 درجه بدست خواهد آمد.
پمپ هاي پيستوني محوري با صفحه زاويه گير (Axial piston pumps(Swash plate)) :
در اين نوع پمپ ها محوربلوك سيلندر و محور محرك در يك راستا قرار مي گيرند و در حين حركت دوراني به خاطر پيروي از وضعيت صفحه زاويه گير پيستون ها حركت رفت و برگشتي انجام خواهند داد ، با اين حركت سيال را از ورودي مكيده و در خروجي پمپ مي كنند. اين پمپ ها را مي توان با خاصيت جابه جايي متغير نيز طراحي نمود . در پمپ هاي با جابه جايي متغيير وضعيت صفحه زاويه گير توسط مكانيزم هاي دستي ، سرو كنترل و يا از طريق سيستم جبران كننده تنظيم مي شود. حداكثر زاويه صفحه زاويه گير حدود 17.5 درجه مي باشد.
پمپ هاي پيستوني شعاعي (Radial piston pumps)
در اين نوع پمپ ها ، پيستون ها در امتداد شعاع قرار ميگيرند.پيستون ها در نتيجه نيروي گريز از مركز و فشار سيال پشت آنها همواره با سطح رينگ عكس العمل در تماسند.
براي پمپ نمودن سيال رينگ عكس العمل بايد نسبت به محور محرك خروج از مركز داشته باشد ( مانند شكل ) در ناحيه اي كه پيستون ها از محور روتور فاصله دارند خلا نسبي بوجود آمده در نتيجه مكش انجام ميگيرد ، در ادامه دوران روتور، پيستون ها به محور نزديك شده و سيال موجود در روتور را به خروجي پمپ مي كند. در انواع جابه جايي متغيير اين پمپ ها با تغيير ميزان خروج از مركز رينگ عكس العمل نسبت به محور محرك مي توان مقدار خروجي سيستم را تغيير داد.
پمپ هاي پلانچر (Plunger pumps)
پمپ هاي پلانچر يا پمپ هاي پيستوني رفت و برگشتي با ظرفيت بالا در هيدروليك صنعتي كاربرد دارند. ظرفيت برخي از اين پمپ ها به حدود چند صد گالن بر دقيقه مي رسد.
پيستون ها در فضاي بالاي يك محور بادامكي (شامل تعدادي رولر برينگ خارج از مركز) در آرايش خطي قرار گرفته اند. ورود و خروج سيال به سيلندر ها از طريق سوپاپ ها(شير هاي يك ترفه) انجام مي گيرد.
راندمان پمپ ها (Pump performance):
بازده يك پمپ بطور كلي به ميزان تلرانسها و دقت بكار رفته در ساخت ، وضعيت مكانيكي اجزاء و بالانس فشار بستگي دارد. در مورد پمپ ها سه نوع بازده محاسبه مي شود:
1- بازده حجمي كه مشخص كننده ميزان نشتي در پمپ است و از رابطه زير بدست مي آيد
( دبي تئوري كه پمپ بايد توليد كند /ميزان دبي حقيقي پمپ )=بازده حجمي
2- بازده مكانيكي كه مشخص كننده ميزان اتلاف انرژي در اثر عواملي مانند اصطكاك در ياتاقان ها و اجزاي درگير و همچنين اغتشاش در سيال مي باشد.
= بازده مكانيكي
(قدرت حقيقي داده شده به پمپ /قدرت تئوري مورد نياز جهت كار پمپ )
3- بازده كلي كه مشخص كننده كل اتلاف انرژي در يك پمپ بوده و برابر حاصضرب بازده مكانيكي در بازده حجمي مي باشد.
منابع :
هيدروليك صنعتي(مكانيك خودرو شناسايي و كاربرد)2 جلد ترجمه وتاليف :مهندس احمد رضا مدينه – مهندس حسين دلايلي
هيدروليك و پنوماتيك تاليف : هري ل.استوارت ترجمه :تيمور اشتري نخعي