Przegląd rozwiązań konstrukcyjnych

Znaczny rozwój maszyn zębatych, podobnie jak napędów hydraulicznych rozpoczął się przeszło sprzed 400 lat. Interesujący jest przegląd ważniejszych typów tych maszyn biorąc pod uwagę wprowadzone w nich zazębienia oraz wpływ zastosowanych rozwiązań konstrukcyjnych na realizowane przez maszyny funkcje oraz spełniane parametry techniczne.

Pierwszym znanym hydraulicznym urządzeniem zębatym, była pompa zębata opracowana przez Johanesa Keplera (1571-1630). Zbudowanie tej maszyny spowodowane było brakiem pompy samozasysającej, której brakowało górnikom. Jej zadaniem było usuwanie wody ze studzienek szybowych. Zbudowana była z dwóch sześciozębnych wirników umieszczonych w szczelnym kadłubie. Do napędu pompy służyła korba zamontowana na jednym z wirników. Była to pierwsza pompa bezzaworowa, znacznie mniej kłopotliwa niż ówczesne pompy tłokowe. Wynalazca podkreślał zalety tej maszyny mającej różnorodne zastosowanie, do m.in. odwadniania szybów i studzienek, a także do usuwania wody ze statków oraz tłoczenia wody w fontannach parkowych.

Obecnie produkowane pompy na całym świecie pracują według tej niezmienionej do dziś zasady.

Następnie wykonywano kolejne ulepszenia tego urządzenia. Chcąc odnaleźć pierwszy szkic pompy

zębatej natknąć się można na pracę D. Schwentera pt.: Deliciae mathematicae oder mathematische und philosophische Erquickstunden z roku 1636 (Stryczek 2007). Poniżej przedstawiono jej szkic.

Rys. 2. Pompa zębata J. Leurechona z 1624 r. (Stryczek 2007).

Następna pompę zębatą zobrazował na początku XVIII wieku Jacob Leupold (1674-1727) przedstawioną poniżej. Na podstawie rysunku, widać że zęby kół są ukształtowane wedle łuków kół, posiadających środki znajdujące się na obwodzie kół podziałowych. Koła zębate osadzone są na wałach z dokładnie obrobionymi czopami po obu stronach. Łożyska pod czopy wałów znajdują się w pokrywach owalnej obudowy. Wał jednego wirnika został wydłużony, aby założyć na nim korbę.

Koła i obudowa były wykonane najprawdopodobniej z drewna, a wały z żelaza.

Rys. 3. Machina Pappenheima według J. Leupolda z 1724 r. ( Stryczek 2007).

W tamtym czasie pompy tego typu nie znalazły jeszcze wszechstronnego zastosowania.

Wynikało to głównie z faktu, że uzyskanie wyższych ciśnień ograniczały względy technologiczne.

Przy ówczesnych możliwościach technologicznych prościej było uszczelnić tłok w cylindrze za pomocą skórzanego pierścienia samouszczelniającego. Z tego względu chętniej korzystano z tłokowych pomp tłoczących.

Rys. 4. Pompa Eve’a z 1827 r. (Stryczek 2007).

Na początku XIX wieku Amerykanin Eve opatentował pompę przedstawioną powyżej.

Pompa tego typu instalowana była na przewodzie ssawnym o długości około 7m. Dodatkowe przełożenie powodowało wzrost obrotów wirnika napędowego pompy o 3 razy. Dzięki temu pompa osiągała wydajność ok. 10m³/h. Ówcześnie zwracano uwagę na jej zalety: niezawodność i trwałość.

Wynikało to z wykonania wszystkich elementów w całości z metalu.

Pompy o zazębieniu wewnętrznym pojawiły się dopiero w drugiej połowie XIX wieku.

Podobnie jak dla pompy o zazębieniu zewnętrznym, jedno koło pełni rolę koła napędzającego. Do osi tego koła podłączony jest zewnętrzny napęd. W wirniku obrotu koła napędzającego, obraca się również koło napędzane o uzębieniu wewnętrznym, zwane nieraz też wieńcem zębatym. Ciecz przenoszona jest wrębami międzyzębnymi, a szczelnie rozdzielenie przestrzeni ssawnej od przestrzeni tłocznej uzyskuje się za pomocą dodatkowego elementu, zwanego wkładką sierpową.

Swoja nazwę zawdzięcza charakterystycznemu wyglądowi. Powierzchnia tej wkładki ściśle współpracuje z powierzchnia wierzchołków kół zębatych. Pompy tego typu przeznaczone są do transportowania wszelkiego typu cieczy. Poniżej przedstawiono ówcześnie oferowane pompy tego typu.

Rys. 5. Pompy zębate o zazębieniu wewnętrznym firmy Selwig U. Lange z 1888 r. (Stryczek 2007).

Z czasem oraz rozwinięciem się systemów wytwórczych maszyn, rozwijały się konstrukcje zębatych pomp wyporowych. Ciągle dążono do zwiększenia ciśnienia tłoczenia, a także do wzrostu trwałości oraz sprawności hydraulicznych pomp zębatych. Pod koniec XIX wieku osiągano ciśnienia robocze sięgające 0,2 MPa. W pierwszej połowie XX wieku opracowano zazębienie ewolwentowe, które również wprowadzono do produkcji pomp zębatych. Szczegółowe opisanie zazębienia ewolwentowego i jego właściwości, posłużyło do opracowania wzorów do projektowania pomp zębatych wedle zakładanych wymagań. Ciągłe prace związane z możliwością wzrostu ciśnienia roboczego, sprawności objętościowej oraz trwałości pomp przyczyniły się do zastosowania kompensacji luzów osiowych. Również w Polsce podjęto działania w celu ulepszania konstrukcji pomp zębatych, a początki sięgają lat pięćdziesiątych XX wieku. Najpierw w Wytwórni Sprzętu Komunikacyjnego we Wrocławiu, która potem została przekształcona na Kombinat PZL Hydral, gdzie powstały kolejne typoszeregi pomp typu PZ, PZ2 i PZ3. Poniżej przedstawiono pompę PZ3.

Rys. 6. Pompa zębata typu PZ3 (Kollek 1996).

Pompa posiada budowę trójelementową: płytę przednią 5, korpus środkowy 4 oraz pokrywę 3. Powyższe elementy skręcone są za pomocą śrub 8. Należy do kategorii zębatych pomp o zazębieniu zewnętrznym ewolwentowym. Jej cechą charakterystyczną jest zastosowanie kompensacji luzów czołowych. Została zaprojektowana na początku lat dziewięćdziesiątych XX wieku. Dalszym rozwojem tego typoszeregu zajęła się Wytwórnia pomp Hydraulicznych z Wrocławia, dzięki temu już w 2001 roku powstała pompa PZ4. Charakteryzująca się wprowadzona korekcją typu P, co spowodowało zmniejszeniem gabarytów pompy w stosunku do jej wydajności. Jej ciśnienie robocze sięga 28 MPa, zachowując sprawność całkowita 90%.

Jedną z głównych wad pomp zębatych jest ich wysoka hałaśliwość. Spowodowane jest to głównie znaczą nierównomiernością wydajności. Obecny rozwój generatorów ciśnienia związany jest z obniżeniem pulsacji wydajności, która może powodować: wadliwą pracę elementów sterujących oraz wzbudzanie się drgań elementów maszyn i urządzeń posiadających napęd hydrostatyczny.

W budowie pomp zębatych przeważają żeby proste. Jednakże w ostatniej dekadzie, konstruktorzy pomp podjęli się wprowadzania konstrukcji o uzębieniu śrubowym. Takie rozwiązanie powoduje znaczne obniżenie emitowanego hałasu do otoczenia. Poniżej przedstawiono zespół pompujący z zębami skośnymi.

Największe skutki obniżenia hałasu uzyskuje się w wyniku obniżenia pulsacji poprzez stosowanie metody czynnej, czyli inaczej mówiąc korygując przebieg funkcji wydajności chwilowej i redukując amplitudę pulsacji wydajności kierowanej do układu hydraulicznego.

Rys. 7. Pompa zębata typu PZ4 ( Stryczek 2007).

Rys. 8. Pompa zębata o zazębieniu śrubowym firmy Settima z 2001 r. (Osiński 2017).

4. Podsumowanie

W powyższym opisie zostały przedstawione zmiany konstrukcyjne w pompach zębatych. Na początku, nie były szeroko stosowane, lecz z biegiem lat skutkującymi zwiększeniem możliwości technologicznych oraz zmianami konstrukcyjnymi, zyskały na popularności. Znaczny wzrost ciśnienie tłoczenia w zębatych pompach wyporowych, spowodował powstanie napędów hydraulicznych, gdyż pompa generuje energię ciśnienia zgromadzoną w transportowanej cieczy.

Dotychczas stosowane napędy mechaniczne, zostały w wielu dziedzinach zastąpione układami hydraulicznymi, mogącymi przenosić wysokie obciążenia. Hydrauliczne układy napędowe pozwalają na łatwość automatyzacji i regulacji, co pozwala na pracę maszyn i urządzeń w technologicznych liniach produkcyjnych. Ciągła produkcja wymusza odpowiedni sposób zabezpieczenia współpracujących elementów maszyn przed ich zbyt szybkim zużywaniem się. Z tego względu wprowadza się centralne smarowanie, które zapewnia automatyzację procesu smarowania olejem lub smarem. Znacząco podnosi komfort operatora maszyny, który musiał dotychczas wykorzystywać do tego ręczne urządzenia pomocnicze. Centralne smarowanie pozwala na precyzyjne dozowanie substancji smarujących, zachowując przy tym dokładność i regularną częstotliwość dawkowania.

Głównym elementem układu smarowania jest pompa która powoduje przepływ cieczy smarującej.

Kolejnym elementem układu sterowania są zawory oraz rozdzielacze, dzięki którym uzyskuje się

równomierne wraz z regularną częstotliwością smarowanie. Następnym ważnym elementem są przewody elastyczne lub sztywne. Ostatnimi elementami układu smarowania są końcówki, które są dedykowane do konkretnego zużywającego się elementu. W ostatnich latach w układach hydraulicznych zaczęto stosować olej biodegradowalny (Poprawski 2014; Sacha 2013), którego składnikiem bazowym jest olej roślinny. Ze względu na coraz większy stopień automatyzacji produkcji, przewiduje się wzrost wprowadzania centralnych układów smarowania w urządzeniach związanych z produkcją spożywczą. Niewątpliwą zaletą zębatych pomp wyporowych jest wysokoodporność na zanieczyszczenia, dzięki temu może pełnić różne funkcje: generowania ciśnienia, transportowania cieczy oraz smarowania. Również w innych dziedzinach przemysłu zostały wprowadzone układy hydrauliczne, spełniające funkcje systemu sterującego oraz sieci smarowania.

W ciągu ostatnich kilkunastu lat zaobserwowano rozwój mikrohydrauliki, która szeroko opisana jest w lit (Kollek i in. 2014). Ich wprowadzenie znacznie przyczyniło się do stosowania centralnych układów smarowania, ze względu na transportowanie małych objętości cieczy. Bardzo często olej hydrauliczny spełnia role nośnika energii ciśnienia w strumieniu cieczy oraz smarowania. Dzięki temu urządzenie posiada jeden zbiornik. Podobne rozwiązanie stosowane jest w ciągnikach rolniczych, w których olej stosowany do układu hydraulicznego znajduje się w komorze skrzyni biegów, pełniąc również funkcję smarującą. Dalszy rozwój związany z budowaniem pomp zębatych związany będzie z redukcją masy w stosunku do wydajności pompy oraz obniżenia generowanego hałasu.

5. Literatura

De Camp L S (1970) Wielcy i mali twórcy cywilizacji: od Imhotepa do Leonarda da Vinci, Wiedza Powszechna Warszawa.

Kersten A (1971) Historia powszechna 1648-1789, Państwowe Zakłady Wydawnictw Szkolnych Warszawa.

Kollek W (1996) Pompy zębate, konstrukcja i eksploatacja, Ossolineum, s. 10-13.

Kollek W., Osiński P., Stosiak M. i in. (2014) Problems relating to high-pressure gear micropumps, Archives of Civil and Mechanical Engineering (14) 2014: 88-95.

Nowy Słownik języka polskiego PWN (2002) Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa.

Osiński P (2017) Pompy zebate o obniżonym poziomie emisji hałasu, OWPW Wrocław, s. 23-25.

Poprawski W (2014) Biodegradowalne smary w zastosowaniu do węzłów łożyskowych elementów wykonawczych maszyn roboczych, Inżynieria Maszyn (2)2014, 99-107.

Roberts J M (1990) Od wieków średnich po wiek oświecenia, WŁ Łódź.

Russo L (2005) Zapomniana rewolucja: grecka myśl naukowa a nauka nowoczesna, Universitas Kraków.

Sacha D (2013) Nowe metody oceny właściwości olejów hydraulicznych i turbinowych

wprowadzone w specyfikacjach produktowych według PN-ISO, NAFTA-GAZ (3)2013, 263-270.

Stryczek J (2007) Koła zębate maszyn hydraulicznych, OWPW Wrocław, s. 8-19.

Towarnicki K (2018) Mimośrodowa pompa łopatkowa do transportowania zakwasu chlebowego, Wiedza Kluczem do Sukcesu 2018, s. 71-78.

Witruwiusz (1999) O architekturze ksiąg dziesięć, przekł. K. Kumaniecki, Prószyński i S-ka Warszawa.

Wolski J (1971) Historia powszechna: starożytność, PWN Warszawa.

Wójcik Z (2004) Historia powszechna: wiek XVI-XVII, PWN Warszawa.

Żywczyńki M (1964) Historia powszechna 1789-1870, PWN Warszawa.