Axiale zuigerpomp

Een axiale zuigerpomp is een verdringerpomp in de hydraulica, waarbij meerdere zuigers parallel aan de aandrijfas zijn geplaatst en door rotatie een axiale slag maken om hydraulische vloeistof aan te zuigen en te verpompen. Deze pomp kenmerkt zich door hoge werkdrukken tot 500 bar, een compacte constructie en traploze regeling van het debiet en behoort tot de meest gebruikte pomptypes in industriële en mobiele hydraulische systemen.

Basisprincipe en werking van de axiale zuigerpomp

Axiale zuigerpompen zetten mechanische rotatie-energie om in hydraulische drukenergie. Het centrale werkingsprincipe is gebaseerd op volumeverplaatsing: zuigers bewegen axiaal heen en weer in cilinderboringen, waardoor het volume in de zuigerkamers verandert en zo afwisselend onderdruk voor het aanzuigen en overdruk voor het verpompen van de hydraulische vloeistof wordt gegenereerd.

Opbouw van een axiale zuigerpomp

Het cilinderblok, ook wel rotatiezuigerblok genoemd, vormt het hart van de pomp. Het bevat doorgaans zeven tot elf zuigerboringen die parallel aan de draaias lopen. De zuigers zelf zijn via drijfstangen of kogelgewrichten verbonden met een schuine schijf of een stuurflens. Een aandrijfas draait het cilinderblok en de hellingshoek van de schuine schijf dwingt de zuigers tot een heen-en-weerbeweging. Aan de voorkant van het cilinderblok zorgt een stuurschijf met niervormige kanalen ervoor dat elke zuiger tijdens een omwenteling precies één zuig- en één drukfase doorloopt.

Vermogensopbrengst en volumestroom

De slag van elke zuiger is het resultaat van de hellingshoek van de schuine schijf ten opzichte van de rotatieas. Hoe groter deze hoek, hoe langer de zuigerslag en hoe groter het verplaatste volume per omwenteling. Het debiet van de pomp hangt dus rechtstreeks af van twee grootheden: het toerental van de aandrijfas en de instelhoek van de schuine schijf. Bij een instelhoek van nul graden bewegen de zuigers niet en levert de pomp geen debiet. Naarmate de hoek toeneemt, stijgt het debiet traploos. Moderne axiaalzuigerpompen bereiken debieten tot ongeveer 800 liter per minuut.

Typen axiale zuigerpompen

Axiale zuigerpompen kunnen op basis van verschillende criteria worden ingedeeld. Het belangrijkste onderscheid betreft de wijze van opbrengstgeneratie: schuine-schijfpomp (zwenkschijf) en schuine-as-pomp. Daarnaast wordt er onderscheid gemaakt tussen pompen met een constant en een variabel verplaatsingsvolume.

Schuine-schijfpomp met zwenkschijf

Bij dit type draaien het cilinderblok en de aandrijfas samen. De schuine schijf staat vast in de behuizing of kan rond een zwenkpunt worden gekanteld. De zuigers glijden met hun voetpunten over de schuine schijf en voeren door de hoek van de schijf een hefbeweging uit. De maximale zwenkhoek ligt bij de meeste uitvoeringen bij ongeveer 18 graden. Verstelbare schuine-schijfpompen maken een traploze aanpassing van het debiet tijdens het bedrijf mogelijk. Een mechanische dooraandrijving is bij dit type mogelijk, wat de opbouw van tandempompen op een gemeenschappelijke aandrijfas toelaat.

Schuine-as-pomp

Bij de schuine-as-pomp staat de as van het cilinderblok schuin ten opzichte van de aandrijfas. Een aandrijfflens brengt de draaiende beweging van de aandrijfas over op het cilinderblok. De zuigers zijn via kogelgewrichten verbonden met de vaste glijschijf. Door de schuine stand van de as ontstaat de zuigerslag. De instelling van het debiet gebeurt door de schuine hoek tussen de cilinderblokas en de aandrijfas te veranderen. Schuine-as-pompen onderscheiden zich door een goed zelfaanzuigend vermogen en een grotere ongevoeligheid voor vervuiling in de hydraulische olie.

Constante en verstelbare pompen

Constante pompen hebben een vaste instelhoek en leveren bij een bepaald toerental een constant debiet. Verstelbare pompen passen het verdringingsvolume traploos aan de behoefte aan. In industriële hydraulische systemen worden voornamelijk verstelbare pompen gebruikt, omdat ze energie besparen, de druk op peil houden en warmteontwikkeling verminderen.

Axiale zuigerpomp in open en gesloten circuit

De keuze van het type hangt in belangrijke mate af van het circuit waarin de pomp werkt.

Open circuit

In een open circuit zuigt de pomp hydraulische vloeistof uit een tank aan en voert deze naar de verbruiker. De retourstroom stroomt terug naar de tank. Schuine-as-pompen zijn bijzonder geschikt voor open circuits, omdat ze een goed zelfaanzuigend vermogen hebben en wisselende belastingen goed opvangen. Open circuits zijn te vinden in persen, spuitgietmachines en werktuigmachines.

Gesloten circuit

In het gesloten circuit circuleert de hydraulische vloeistof rechtstreeks tussen de pomp en de hydromotor, zonder omweg via een tank. Een toevoerpomp compenseert lekkages. Schuine-schijfpompen worden hier vaak gebruikt, bijvoorbeeld in hydrostatische transmissies van bouwmachines, wielladers en landbouwvoertuigen. Het gesloten circuit maakt een compacte opstelling en een snelle omkering van de rijrichting mogelijk.

Technische kenmerken van de axiale zuigerpomp

Axiale zuigerpompen werken in een breed werkingsbereik. De volgende kenmerken geven een indicatie voor het ontwerp:

De werkelijke waarden variëren afhankelijk van de fabrikant, de bouwgrootte en de bedrijfsomstandigheden. Bij drukken boven 400 bar komen radiale zuigerpompen steeds vaker in beeld als alternatief, omdat dit type hogere drukken met minder pulsatie aankan.

Axiale zuigerpomp versus radiale zuigerpomp

Beide typen behoren tot de zuigerpompen, maar verschillen in constructie en toepassingsgebieden. Ontwerpers kiezen voor de axiale zuigerpomp wanneer compacte afmetingen, hoge toerentallen en traploze instelbaarheid voorop staan. Radiale zuigerpompen komen aan bod bij extreme drukken, continu bedrijf en hoge eisen aan looprust.

Regeling en besturing van axiale zuigerpompen

De aanpassing van het pompvolume gebeurt via verschillende regelconcepten die zich in de praktijk hebben bewezen.

Drukregeling

De drukregeling houdt de systeemdruk op een ingestelde gewenste waarde, ongeacht de benodigde volumestroom van de verbruikers. Zodra de druk de gewenste waarde bereikt, zwenkt de schijf terug en vermindert de volumestroom tot het niveau dat nodig is om de druk te handhaven. Overtollig vermogen wordt niet als warmte via een drukbegrenzingsklep afgevoerd, wat de energiebalans aanzienlijk verbetert.

Debietregeling

Hier regelt de pomp het debiet op een constante waarde, ongeacht drukschommelingen in het systeem. De instelhoek van de schuine schijf wordt daarbij door een regelaar bijgesteld. Deze regeling is geschikt voor toepassingen met een constant verbruikersdebiet.

Load-sensing-regeling

De load-sensing-regeling registreert de hoogste drukbehoefte van de aangesloten verbruikers en stelt de pomp in op precies deze druk plus een klein stuurdrukverschil. Daardoor levert de pomp alleen het debiet dat de verbruikers daadwerkelijk nodig hebben en werkt hij met de minimaal benodigde systeemdruk. Dit verlaagt het energieverbruik en vermindert de opwarming van de hydraulische olie.

Elektronische regeling

Moderne axiale zuigerpompen maken steeds vaker gebruik van elektrohydraulische regelaars die proportionele of servokleppen aansturen. Een elektronische regelaar verwerkt signalen van druk- en toerentalsensoren en geeft stelsignalen door aan de regelkleppen. Dit maakt nauwkeurige, dynamische regelkringen en integratie in overkoepelende machinebesturingen mogelijk. Typische stelsignalen liggen in het bereik van 4 tot 20 mA.

Normen en veiligheidseisen

De norm EN ISO 4413: 2010 regelt de veiligheidseisen voor hydraulische installaties en hun componenten, inclusief axiale zuigerpompen. De norm definieert gevaren zoals overdruk, lekkages en geluid en geeft principes aan om deze te voorkomen. De norm vereist onder andere dat axiale en radiale belastingen op de pompas binnen de specificaties van de fabrikant blijven, dat torsietrillingen worden verminderd door dempende koppelingen en dat oppervlaktetemperaturen veilig worden beperkt volgens ISO 13732-1. Daarnaast regelt ISO 4406 de zuiverheidsklasse van de hydraulische olie, die cruciaal is voor de betrouwbare werking van axiale zuigerpompen.

Onderhoud en service

Axiale zuigerpompen werken onder hoge druk en toerentallen, wat regelmatig onderhoud vereist. Ongeveer 70 procent van de storingen in hydraulische installaties is toe te schrijven aan vervuilde hydraulische olie. Effectieve filtering en regelmatige olieverversingen volgens de specificaties van de fabrikant behoren tot de belangrijkste preventieve maatregelen.

Typische slijtageverschijnselen

• Loopvlakken van de zuigers en cilinderboringen: groeven en putjes door slijtage door deeltjes of cavitatie
• Glijvlakken van de schuine schijf: slijtage door voortdurende wrijving van de zuigervoet, herkenbaar aan een verhoogd lekvolume
• Afdichtingen en asafdichtringen: brosheid en scheurvorming door thermische en mechanische belasting
• Lagers: Verhoogde speling, loopgeluiden en temperatuurstijging als indicatoren voor lagerschade

Maatregelen om de levensduur te verlengen

Bij elke ploegwisseling moeten er regelmatige visuele controles op lekkages, ongewone geluiden en trillingen worden uitgevoerd. Vloeistofanalyses geven informatie over het deeltjesgehalte, het watergehalte en de chemische veroudering van de olie. Afdichtingen moeten om de drie tot zes maanden worden geïnspecteerd en indien nodig worden vervangen. Het naleven van de door de fabrikant voorgeschreven olieverversingsintervallen en filtervervangingscycli garandeert de zuiverheid van de hydraulische olie en daarmee de goede werking van de pomp. HK Hydraulik adviseert bij reparatie en onderhoud van hydraulische pompen gebruik te maken van originele reserveonderdelen om de pasnauwkeurigheid en belastbaarheid van de slijtdelen te waarborgen.

Toepassingsgebieden van de axiale zuigerpomp

Axiale zuigerpompen worden in vrijwel alle sectoren van de industriële en mobiele hydraulica ingezet. In mobiele machines zoals graafmachines, wielladers, kranen en tractoren vormen ze de centrale energievoorziening voor de aandrijving en de werkfuncties. In stationaire industriële installaties voorzien ze persen, spuitgietmachines en werktuigmachines van hydraulisch vermogen. Ook in scheepshydraulica, windturbines en testbanken worden ze toegepast. De combinatie van een hoog drukniveau, een compacte constructie en traploze instelbaarheid maakt de axiale zuigerpomp tot de eerste keuze als het gaat om krachtige en efficiënte hydraulische aandrijvingen.