Osiowa pompa tłokowa

Pompa tłokowa osiowa to pompa wyporowa stosowana w hydraulice, w której kilka tłoków jest rozmieszczonych równolegle do wału napędowego i wykonuje ruch osiowy w wyniku obrotu, aby zasysać i tłoczyć płyn hydrauliczny. Charakteryzuje się wysokimi ciśnieniami roboczymi do 500 barów, kompaktową budową i płynną regulacją natężenia przepływu i należy do najczęściej stosowanych typów pomp w przemysłowych i mobilnych układach hydraulicznych.

Podstawowa zasada działania i sposób funkcjonowania pompy tłokowej osiowej

Pompy tłokowe osiowe przekształcają mechaniczną energię obrotową w hydrauliczną energię ciśnieniową. Główna zasada działania opiera się na wyporowości: tłoki poruszają się osiowo tam i z powrotem w otworach cylindrycznych, zmieniając przy tym objętość w komorach tłokowych i wytwarzając w ten sposób na przemian podciśnienie do zasysania oraz nadciśnienie do tłoczenia płynu hydraulicznego.

Budowa pompy tłokowej osiowej

Blok cylindrów, zwany również blokiem tłoków obrotowych, stanowi serce pompy. Zawiera on zazwyczaj od siedmiu do jedenastu otworów tłokowych, które przebiegają równolegle do osi obrotu. Same tłoki są połączone za pomocą korbowodów lub przegubów kulowych z tarczą skośną lub kołnierzem sterującym. Wał napędowy obraca blok cylindrów, a kąt nachylenia tarczy skośnej wymusza ruch tłoków. Na czołowej stronie bloku cylindrów tarcza sterująca z kanałami w kształcie nerek zapewnia, że każdy tłok podczas jednego obrotu przechodzi dokładnie jedną fazę ssania i jedną fazę tłoczenia.

Wytwarzanie ciśnienia i przepływ objętościowy

Skok każdego tłoka wynika z kąta nachylenia tarczy skośnej względem osi obrotu. Im większy ten kąt, tym dłuższy skok tłoka i tym większa objętość wyporowa na obrót. Przepływ objętościowy pompy zależy zatem bezpośrednio od dwóch wielkości: prędkości obrotowej wału napędowego oraz kąta nachylenia tarczy skośnej. Przy kącie nachylenia wynoszącym zero stopni tłoki nie poruszają się, a pompa nie wytwarza przepływu objętościowego. Wraz ze wzrostem kąta nachylenia przepływ wzrasta płynnie. Nowoczesne pompy tłokowe osiowe osiągają przepływy objętościowe do około 800 litrów na minutę.

Typy pomp osiowych tłokowych

Pompy osiowo-tłokowe można klasyfikować według różnych kryteriów. Najważniejsze rozróżnienie dotyczy sposobu wytwarzania ciśnienia: pompa z tarczą ukośną (tarcza obrotowa) i pompa z osią ukośną. Ponadto rozróżnia się pompy o stałej i zmiennej objętości wyporowej.

Pompa z tarczą ukośną i tarczą obrotową

W tej konstrukcji blok cylindrów i wał napędowy obracają się razem. Tarcza ukośna jest zamocowana na stałe w obudowie lub można ją przechylać wokół punktu obrotu. Tłoki ślizgają się punktami oparcia po tarczy ukośnej i wykonują ruch posuwisto-zwrotny dzięki kątowi nachylenia tarczy. W większości wersji maksymalny kąt obrotu wynosi około 18 stopni. Regulowane pompy z tarczą ukośną umożliwiają płynną regulację przepływu objętościowego podczas pracy. W tej konstrukcji możliwe jest mechaniczne przeniesienie napędu, co pozwala na budowę pomp tandemowych na wspólnym wale napędowym.

Pompa z osią ukośną

W pompie z osią ukośną oś bloku cylindrów jest ustawiona ukośnie względem wału napędowego. Kołnierz napędowy przenosi ruch obrotowy z wału napędowego na blok cylindrów. Tłoki są połączone przegubami kulowymi ze stałą tarczą ślizgową. Skos osi powoduje skok tłoka. Regulacja przepływu objętościowego odbywa się poprzez zmianę kąta nachylenia między osią bloku cylindrów a wałem napędowym. Pompy o skośnej osi charakteryzują się dobrą zdolnością samozasysania i większą odpornością na zanieczyszczenia w oleju hydraulicznym.

Pompy stałe i regulacyjne

Pompy stałe mają stały kąt nachylenia i przy danej prędkości obrotowej zapewniają stały przepływ objętościowy. Pompy regulacyjne bezstopniowo dostosowują objętość wyporową do zapotrzebowania. W przemysłowych układach hydraulicznych stosuje się głównie pompy regulacyjne, ponieważ oszczędzają one energię, utrzymują ciśnienie zgodnie z zapotrzebowaniem i ograniczają wytwarzanie ciepła.

Pompa tłokowa osiowa w obiegu otwartym i zamkniętym

Wybór typu konstrukcji zależy w dużej mierze od obiegu, w którym pracuje pompa.

Obieg otwarty

W obiegu otwartym pompa zasysa płyn hydrauliczny ze zbiornika i tłoczy go do odbiornika. Powrót płynnie wraca do zbiornika. Pompy o osi ukośnej nadają się szczególnie do obiegów otwartych, ponieważ mają dobrą zdolność samozasysania i dobrze radzą sobie ze zmiennymi obciążeniami. Obiegi otwarte można znaleźć w prasach, wtryskarkach i obrabiarkach.

Obieg zamknięty

W obiegu zamkniętym płyn hydrauliczny krąży bezpośrednio między pompą a silnikiem hydraulicznym, bez konieczności przepływu przez zbiornik. Pompa zasilająca kompensuje wycieki. Pompy z tarczami ukośnymi są tu często stosowane, na przykład w przekładniach hydrostatycznych maszyn budowlanych, ładowarek kołowych i pojazdów rolniczych. Obieg zamknięty pozwala na kompaktową budowę instalacji i szybką zmianę kierunku jazdy.

Parametry techniczne pompy tłokowej osiowej

Pompy tłokowe osiowe działają w szerokim zakresie roboczym. Poniższe parametry stanowią wskazówki przy doborze:

Rzeczywiste wartości różnią się w zależności od producenta, wielkości i warunków pracy. Przy ciśnieniach powyżej 400 bar coraz częściej jako alternatywę stosuje się pompy tłokowe promieniowe, ponieważ ta konstrukcja wytrzymuje wyższe ciśnienia przy mniejszych pulsacjach.

Pompa tłokowa osiowa a pompa tłokowa promieniowa

Oba typy należą do pomp tłokowych, różnią się jednak konstrukcją i głównymi zastosowaniami. Konstruktorzy wybierają pompę tłokową osiową, gdy priorytetem są kompaktowe wymiary, wysokie prędkości obrotowe i płynna regulacja. Pompy tłokowe promieniowe znajdują zastosowanie przy ekstremalnych ciśnieniach, pracy ciągłej i wysokich wymaganiach dotyczących płynności pracy.

Regulacja i sterowanie pompami osiowymi

Regulacja wydajności odbywa się za pomocą różnych koncepcji regulacyjnych, które sprawdziły się w praktyce.

Regulacja ciśnienia

Regulacja ciśnienia utrzymuje ciśnienie w układzie na ustawionej wartości zadanej, niezależnie od zapotrzebowania odbiorników na przepływ objętościowy. Gdy tylko ciśnienie osiągnie wartość zadaną, tarcza odchyla się do tyłu i zmniejsza przepływ objętościowy do poziomu niezbędnego do utrzymania ciśnienia. Nadwyżka mocy nie jest tracona w postaci ciepła przez zawór ograniczający ciśnienie, co znacznie poprawia bilans energetyczny.

Regulacja przepływu

W tym przypadku pompa reguluje przepływ objętościowy do stałej wartości, niezależnie od wahań ciśnienia w systemie. Kąt ustawienia tarczy skośnej jest przy tym regulowany przez regulator. Regulacja ta nadaje się do zastosowań ze stałym przepływem odbiorników.

Regulacja z czujnikiem obciążenia

Regulacja Load-Sensing wykrywa najwyższe zapotrzebowanie na ciśnienie podłączonych odbiorników i ustawia pompę dokładnie na to ciśnienie plus niewielką różnicę ciśnienia sterującego. Dzięki temu pompa dostarcza tylko taki przepływ, jakiego faktycznie potrzebują odbiorniki, i pracuje przy minimalnym wymaganym ciśnieniu w układzie. Obniża to zużycie energii i ogranicza nagrzewanie się oleju hydraulicznego.

Regulacja elektroniczna

Nowoczesne pompy tłokowe osiowe coraz częściej wykorzystują regulatory elektrohydrauliczne, które sterują zaworami proporcjonalnymi lub serwo. Regulator elektroniczny przetwarza sygnały z czujników ciśnienia i prędkości obrotowej oraz wysyła sygnały sterujące do zaworów regulacyjnych. Umożliwia to precyzyjne, dynamiczne obwody regulacyjne oraz integrację z nadrzędnymi układami sterowania maszyn. Typowe sygnały sterujące mieszczą się w zakresie od 4 do 20 mA.

Normy i wymagania bezpieczeństwa

Norma EN ISO 4413: 2010 reguluje wymagania bezpieczeństwa dotyczące instalacji hydraulicznych i ich komponentów, w tym pomp tłokowych osiowych. Definiuje ona zagrożenia, takie jak nadciśnienie, wycieki i hałas, oraz określa zasady ich unikania. Norma wymaga między innymi, aby obciążenia osiowe i promieniowe na wale pompy mieściły się w granicach podanych przez producenta, drgania skrętne były redukowane przez sprzęgła tłumiące, a temperatury powierzchni były bezpiecznie ograniczone zgodnie z normą ISO 13732-1. Ponadto norma ISO 4406 reguluje klasę czystości oleju hydraulicznego, która ma decydujące znaczenie dla niezawodnej pracy pomp tłokowych osiowych.

Konserwacja i utrzymanie

Pompy tłokowe osiowe pracują pod wysokim ciśnieniem i z dużą prędkością obrotową, co wymaga regularnej konserwacji. Około 70 procent awarii w instalacjach hydraulicznych wynika z zanieczyszczenia oleju hydraulicznego. Skuteczne filtrowanie i regularna wymiana oleju zgodnie z zaleceniami producenta należą do najważniejszych środków zapobiegawczych.

Typowe oznaki zużycia

• Powierzchnie ślizgowe tłoków i otwory cylindrów: rysy i wżery spowodowane zużyciem cząsteczkowym lub kawitacją
• Powierzchnie ślizgowe tarczy skośnej: zużycie spowodowane ciągłym tarciem podstawy tłoka, rozpoznawalne po zwiększonym przepływie wycieku
• Uszczelki i pierścienie uszczelniające wału: kruchość i pękanie spowodowane obciążeniami termicznymi i mechanicznymi
• Łożyska: zwiększony luz, odgłosy pracy i wzrost temperatury jako wskaźniki uszkodzeń łożysk

Środki mające na celu wydłużenie żywotności

Regularne kontrole wzrokowe pod kątem wycieków, nietypowych odgłosów i wibracji powinny odbywać się przy każdej zmianie zmiany. Analizy płynów dostarczają informacji na temat zawartości cząstek stałych, zawartości wody oraz starzenia chemicznego oleju. Uszczelki powinny być sprawdzane co trzy do sześciu miesięcy i w razie potrzeby wymieniane. Przestrzeganie zalecanych przez producenta okresów wymiany oleju i cykli wymiany filtrów zapewnia czystość oleju hydraulicznego, a tym samym sprawność pompy. Firma HK Hydraulik zaleca stosowanie podczas napraw i konserwacji pomp hydraulicznych oryginalnych części zamiennych, aby zapewnić dokładne dopasowanie i wytrzymałość części zużywających się.

Zakres zastosowań pomp tłokowych osiowych

Pompy tłokowe osiowe znajdują zastosowanie w niemal wszystkich obszarach hydrauliki przemysłowej i mobilnej. W mobilnych maszynach roboczych, takich jak koparki, ładowarki kołowe, dźwigi i ciągniki, stanowią one główne źródło zasilania napędów jezdnych i funkcji roboczych. W stacjonarnych instalacjach przemysłowych zasilają one prasy, wtryskarki i obrabiarki w energię hydrauliczną. Znajdują również zastosowanie w hydraulice okrętowej, elektrowniach wiatrowych i stanowiskach badawczych. Połączenie wysokiego ciśnienia, kompaktowej konstrukcji i płynnej regulacji sprawia, że pompa tłokowa osiowa jest najlepszym wyborem, jeśli chodzi o wydajne i efektywne napędy hydrauliczne.