Zupčaste i lamelaste crpke

Načelo volumetrijske crpke

Hidrauličke crpke u hidrostatici su gotovo uvijek volumetrijske (istisne) crpke. Njihov rad temelji se na komorama koje se tijekom vrtnje vratila periodički povećavaju i smanjuju. Dok se komora povećava, spojena je s usisnim priključkom i puni se uljem koje u nju potiskuje atmosferski tlak iznad razine ulja u spremniku. Kada komora dosegne najveći volumen, odvaja se od usisa, spaja se s tlačnim priključkom i, smanjujući se, istiskuje ulje u tlačni vod. Usisna i tlačna strana pritom su trajno i pouzdano odvojene brtvljenjem zazora.

Iz tog načela slijede tri važne osobine. Prvo, protok volumetrijske crpke u idealnom slučaju ne ovisi o tlaku: svaki okretaj istisne isti volumen, bez obzira na otpor u krugu. Drugo, tlak ne stvara crpka nego opterećenje; crpka će tlak povećavati sve dok ga nešto ne ograniči. Zato svaka volumetrijska crpka mora imati sigurnosni ventil odmah iza tlačnog priključka. Treće, stvarni protok je nešto manji od teorijskog, jer dio ulja kroz zazore procuri natrag s tlačne na usisnu stranu, i to to više što je tlak veći, a viskoznost manja.

Za razliku od njih, strujne (centrifugalne) crpke daju protok koji jako ovisi o tlaku i ne mogu stvoriti visoke tlakove; u hidrauličkim sustavima koriste se samo kao pomoćne crpke, npr. u krugu hlađenja.

Radni volumen, protok i stupnjevi djelovanja

Radni volumen V (geometrijski ili specifični volumen) je volumen ulja koji crpka teorijski istisne pri jednom okretaju vratila. Izražava se u cm³ po okretaju (cm³/okr). Teorijski protok jednak je umnošku radnog volumena i brzine vrtnje, a stvarni protok dobiva se množenjem volumetrijskim stupnjem djelovanja:

Q_t = V · n     Q = V · n · η_v

Volumetrijski stupanj djelovanja η_v = Q / Q_t obuhvaća unutarnja curenja; kod dobrih crpki pri nazivnom tlaku iznosi 0,90 do 0,98. Hidrauličko-mehanički stupanj djelovanja η_hm obuhvaća trenje u ležajevima, brtvama i zazorima te gubitke strujanja unutar crpke; zbog njih je potreban moment na vratilu veći od teorijskog. Ukupni stupanj djelovanja umnožak je obaju:

η_uk = η_v · η_hm

Hidraulička snaga na izlazu iz crpke je P_h = p · Q, a snaga koju crpka uzima od pogonskog motora je P_pog = p · Q / η_uk. Potreban moment na vratilu iznosi M = V · p / (2π · η_hm). Moment dakle ovisi samo o radnom volumenu i tlaku, a ne o brzini vrtnje.

Za prešu HP-1 zupčasta crpka radnog volumena 16 cm³ pri 1 450 min⁻¹ teorijski daje 23,2 l/min. Uz η_v = 0,95 stvarni protok je 22,0 l/min. Brzina vrtnje 1 450 min⁻¹ odgovara četveropolnom asinkronom motoru na mreži od 50 Hz, što je najčešći pogon industrijskih agregata.

Zupčasta crpka s vanjskim ozubljenjem

Zupčasta crpka s vanjskim ozubljenjem najjednostavnija je, najjeftinija i najraširenija hidraulička crpka. Sastoji se od dvaju jednakih zupčanika s ravnim zubima u zahvatu, smještenih u kućištu s malim zazorom po obodu i s bočnih strana. Jedan zupčanik pokreće pogonsko vratilo, a drugi se vrti u suprotnom smjeru.

Na usisnoj strani zubi izlaze iz zahvata, međuzublja se otvaraju i volumen raste — ulje ulazi u crpku. Ulje zatim putuje u međuzubljima uz stijenku kućišta, po vanjskoj strani zupčanika, a ne kroz sredinu. Na tlačnoj strani zubi ponovno ulaze u zahvat, zub jednog zupčanika ulazi u međuzublje drugoga i istiskuje ulje u tlačni priključak. Zahvat zubi u sredini sprječava povrat ulja s tlačne na usisnu stranu. Radni volumen može se približno odrediti iz modula m, broja zubi z i širine zupčanika b: V ≈ 2π · m² · z · b. Zupčanici modula 3 mm s 12 zubi i širinom oko 23,6 mm daju tako upravo 16 cm³, koliko ima crpka preše HP-1.

Zatvorena komora. Da bi prijenos bio neprekinut, stupanj prekrivanja zupčanika mora biti veći od 1: kratko vrijeme u zahvatu su istodobno dva para zubi. Između njih ostaje zatvoren mali volumen ulja koji se tijekom vrtnje najprije smanjuje, a zatim povećava. Budući da je ulje gotovo nestlačivo, smanjenje tog volumena izazvalo bi vrlo visoke vršne tlakove, udarno opterećenje ležajeva i jaku buku, a povećanje podtlak i kavitaciju. Problem se rješava rasteretnim utorima u bočnim pločama: kroz njih se zatvoreni volumen tijekom smanjivanja spaja s tlačnom, a tijekom povećavanja s usisnom stranom.

Aksijalna kompenzacija. Najveći dio unutarnjih curenja kod zupčaste crpke odvija se preko čeonih strana zupčanika. Kod crpki za više tlakove bočne ploče (ili ležajna tijela) izvedene su pomične i s vanjske strane opterećene tlakom iz tlačnog priključka. Što je tlak veći, to jače pritišću zupčanike, pa se zazor sam smanjuje i η_v ostaje visok i pri visokom tlaku. Crpka s vanjskim ozubljenjem ima i radijalno neuravnoteženo opterećenje: tlak djeluje na zupčanike samo s tlačne strane, pa ležajevi nose veliku jednostranu silu.

Zupčasta crpka s unutarnjim ozubljenjem

Kod crpke s unutarnjim ozubljenjem mali zupčanik s vanjskim zubima nalazi se ekscentrično unutar većeg zupčanika s unutarnjim zubima, pa se oba vrte u istom smjeru. Na strani gdje se razmak među zubima povećava je usis, a na suprotnoj strani, gdje se smanjuje, tlak. U prostoru gdje zubi nisu u zahvatu ugrađen je srpasti umetak koji odvaja usisnu i tlačnu stranu.

Zbog duljeg zahvata i blažeg mijenjanja volumena komora te crpke rade s vrlo malom pulsacijom protoka i znatno tiše od crpki s vanjskim ozubljenjem. Često se izvode s radijalnom i aksijalnom kompenzacijom zazora i dostižu visoke tlakove. Zato se biraju za strojeve u blizini radnika, za strojeve za brizganje plastike, preše i sustave s promjenjivom brzinom vrtnje elektromotora. Nedostatak im je viša cijena.

Posebna izvedba bez srpastog umetka je gerotorska crpka (orbitalni zupčanik): vanjski rotor ima jedan zub više od unutarnjeg, a profil zubi je takav da svaki zub trajno dodiruje suprotni rotor. Gerotorske crpke su kompaktne i jeftine, a koriste se za niže tlakove, npr. kao crpke za podmazivanje ili pomoćne crpke u mobilnim strojevima.

Lamelaste crpke

Lamelasta (krilna) crpka ima rotor s radijalnim utorima u kojima klize tanke lamele (krilca). Rotor se vrti u statorskom prstenu, a lamele se centrifugalnom silom i tlakom ulja s donje strane pritišću na unutarnju površinu prstena. Između dviju susjednih lamela, rotora, prstena i bočnih ploča nastaju komore čiji se volumen tijekom okretaja mijenja.

Jednostruko djelujuća lamelasta crpka ima rotor postavljen ekscentrično u kružnom statorskom prstenu. Pri jednom okretaju svaka se komora jednom poveća (usis) i jednom smanji (tlak). Radni volumen približno je razmjeran ekscentricitetu e, širini rotora b i promjeru statora D: V ≈ 2π · D · e · b. Jednostrano djelovanje tlaka opterećuje ležajeve radijalnom silom, ali omogućuje nešto izuzetno korisno: pomicanjem prstena mijenja se ekscentricitet, a time i radni volumen, tijekom rada.

Dvostruko djelujuća lamelasta crpka ima stator eliptičnog oblika: svaka se komora pri jednom okretaju dva puta puni i dva puta prazni, a dva usisna i dva tlačna priključka nalaze se jedan nasuprot drugome. Radijalne sile se poništavaju, pa su ležajevi rasterećeni, a crpka je pogodna za veće tlakove. Radni volumen joj je stalan.

Tlačno regulirana crpka s promjenjivim radnim volumenom. Na slici 5.9 opruga regulatora drži prsten na najvećem ekscentricitetu, a tlak u tlačnoj zoni djeluje na prsten silom suprotnom sili opruge. Dok je tlak u sustavu niži od namještenog tlaka regulatora, crpka daje puni protok. Kada tlak dosegne namještenu vrijednost, sila tlaka svlada oprugu, prsten se pomiče prema središtu, ekscentricitet i protok se smanjuju — toliko koliko je potrebno da se tlak održi. Kada potrošači stoje (npr. cilindar drži silu), crpka daje samo onoliko ulja koliko procuri, a iz motora uzima vrlo malu snagu. Za razliku od crpke sa stalnim radnim volumenom, višak ulja ne prolazi kroz sigurnosni ventil i ne pretvara se u toplinu. Sigurnosni ventil se i tada ugrađuje, ali samo kao zaštita.

Lamelaste crpke rade tiho i s malom pulsacijom protoka, ali su osjetljive na onečišćenje ulja (lamele se mogu zaglaviti u utorima) i na previsoku ili prenisku viskoznost. Uobičajene su u alatnim strojevima i u industrijskoj hidraulici srednjih tlakova.

Karakteristika crpke

Karakteristika crpke prikazuje ovisnost protoka o tlaku pri stalnoj brzini vrtnje. Idealna volumetrijska crpka imala bi vodoravnu karakteristiku Q = Q_t. Stvarna karakteristika blago pada s porastom tlaka jer rastu unutarnja curenja; nagib je to veći što je crpka istrošenija i što je ulje toplije (rjeđe). Snimanje karakteristike zato je dobra metoda dijagnostike: istrošena crpka pri nazivnom tlaku daje osjetno manje ulja od nove.

Kod tlačno regulirane crpke karakteristika ima dva dijela: do tlaka regulacije gotovo je vodoravna, a iznad njega strmo pada prema nultom protoku, pri kojem crpka samo održava tlak i nadoknađuje curenja. Nagib strmog dijela određuje krutost opruge regulatora. Kod crpki s dodatnim regulatorima protok se može prilagođavati i potrebi potrošača (regulacija s osjetom opterećenja, engl. load sensing) ili ograničavati tako da umnožak p · Q ne prijeđe snagu motora (regulacija snage).

Buka, izbor i usporedba crpki

Buka crpke nastaje ponajviše zbog pulsacije protoka: protok se ne isporučuje posve jednoliko, nego u malim valovima čija frekvencija ovisi o broju zubi ili lamela i brzini vrtnje. Pulsacije protoka izazivaju pulsacije tlaka koje pobuđuju cijevi, spremnik i konstrukciju stroja. Buku dodatno povećavaju kavitacija na usisu, zrak u ulju i zatvorene komore. Za smanjenje buke koriste se tiše vrste crpki, elastični spojevi crpke i motora, crijeva umjesto krutih cijevi na izlazu iz crpke, prigušni elementi na nosačima agregata i niža brzina vrtnje.

Vrijednosti u tablici služe za usporedbu vrsta, a ne za izbor konkretne crpke; stvarne granice uzimaju se iz kataloga proizvođača. Klipne crpke, koje dosežu najviše tlakove i najbolje stupnjeve djelovanja, obrađuju se u jedinici 5.5.

Pri izboru crpke polazi se od potrebnog protoka i najvećeg radnog tlaka. Iz protoka i brzine vrtnje pogonskog motora određuje se radni volumen, uzimajući u obzir η_v. Zatim se provjerava je li vrsta crpke prikladna za traženi tlak, razinu buke i čistoću ulja, treba li promjenjivi radni volumen (štedi energiju kod dugih faza držanja tlaka) te koju viskoznost i temperaturu ulja crpka dopušta. Na kraju se iz tlaka, protoka i ukupnog stupnja djelovanja određuje snaga motora, koja se zaokružuje na prvu veću standardnu snagu.

Računski prikaz: protok i snaga pogona crpke

Prikaz računa stvarni protok crpke iz radnog volumena, brzine vrtnje i volumetrijskog stupnja djelovanja, zatim hidrauličku snagu pri zadanom tlaku, snagu potrebnu na vratilu crpke i moment na vratilu. Hidrauličko-mehanički stupanj djelovanja dobiva se kao η_hm = η_uk / η_v.

Za crpku preše HP-1 (16 cm³, 1 450 min⁻¹, η_v = 0,95) stvarni protok iznosi 22,0 l/min. Pri tlaku od 160 bar hidraulička snaga je 5,88 kW, a uz ukupni stupanj djelovanja 0,8 crpka iz motora uzima 7,35 kW. Prvi veći standardni elektromotor ima snagu od 7,5 kW. Moment na vratilu iznosi oko 48,4 N·m, uz η_hm ≈ 0,84. Ako se crpka istroši pa η_v padne na 0,85, protok pada na 19,7 l/min, a preša se giba oko 10 % sporije. Pri istom tlaku i nižem protoku crpka treba manje snage, ali se isti rad obavlja sporije — i uz jače zagrijavanje ulja zbog curenja.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.

Vježbe uz jedinicu

Gradivo ove jedinice priprema za sljedeće vježbe:

• V29 Karakteristika hidrauličke crpke · 2 sata