Шестеренчатые насосы находят широкое применение в гидроприводах строительных, дорожных и иных гидрофицированных машин. Одним из наиболее ответственных узлов данных агрегатов являются опоры валов, в качестве которых, особенно в насосах высокого давления, часто используются подшипники скольжения. Опыт эксплуатации показывает, что наибольшему износу подвергаются именно подшипники опор роторов, причем факторами, определяющими их работоспособность, выступают зазоры в сопряжении, свойства смазочного материала и качество обработки поверхностей.
Как показывает практика, подшипник скольжения можно установить таким образом, что механическая сборка насоса будет завершена успешно и агрегат даже начнет функционировать, однако циркуляция перекачиваемой жидкости через подшипники окажется нарушена. Последствия такой ошибки носят отсроченный, но крайне разрушительный характер. Существующие руководства по эксплуатации и ремонту однозначно предписывают определенную ориентацию смазочных пазов подшипников относительно стороны нагнетания, однако физические принципы, лежащие в основе этих требований, остаются недостаточно систематизированными, что и составляет проблематику настоящего исследования [3].
Шестеренчатый насос состоит из корпуса, ведущей и ведомой шестерен, установленных на опорах скольжения. В процессе работы перекачиваемая жидкость захватывается зубьями шестерен в полости всасывания и переносится в межзубовых впадинах в полость нагнетания. Разность давлений между этими полостями является движущей силой не только для основного потока жидкости, но и для системы смазки и циркуляции внутри насоса [1, с. 568-574].
Ключевым принципом, определяющим корректную работу системы циркуляции, является следующее: жидкость всегда течет из зоны высокого давления (нагнетания) в зону низкого давления (всасывания). Соответственно, жидкость для смазки и охлаждения подшипников должна отбираться со стороны нагнетания и сбрасываться во всасывание. Этот же принцип лежит в основе циркуляции вокруг сальникового или торцевого уплотнения, а также работы циклонных сепараторов при их наличии в конструкции [2, с. 125-127].
Конструктивно опорно-упорные подшипники скольжения шестеренчатых насосов часто имеют внутреннюю проточку и тангенциальные сквозные сверления. Такая геометрия допускает две принципиальные возможности ориентации подшипника при установке: сверлениями в сторону нагнетательной полости либо в сторону всасывающей. На корпусе насоса со стороны нагнетания, как правило, предусмотрен специальный скошенный край, а со стороны всасывания – сквозные отверстия. Если установить подшипник отверстиями в сторону отверстий в корпусе, то сверления в подшипнике перекроются. При повороте подшипника отверстиями к нагнетанию они оказываются сориентированными в специально выполненный скос на стороне нагнетания [2, с. 125-127].
Гидравлическая схема правильно собранного узла функционирует следующим образом. Перекачиваемая жидкость из нагнетательной полости поступает в специально подготовленный скос корпуса, откуда через сверления попадает в полость подшипника. Далее под воздействием давления из нагнетательной полости жидкость продавливается наружу подшипника в полость под крышку. Огибая подшипник снаружи по специальным канавкам, жидкость сбрасывается во всасывающую полость. Таким образом, через подшипник обеспечивается непрерывный прокачиваемый поток, выполняющий функции смазки и отвода тепла [2, с. 125-127].
Особого внимания заслуживает влияние неправильной установки подшипников на работу сальникового уплотнения. Сальник или торцевое уплотнение располагается в приливе крышки и в нормальном режиме должен омываться прокачиваемой жидкостью. Если каналы в подшипниках перекрыты вследствие их неверной ориентации, циркуляция жидкости в этом объеме прекращается. Отсутствие омывания приводит к коксованию и зашламлению сальниковой полости, что существенно сокращает срок службы уплотнения. На практике это проявляется в виде течей сальников, у которых перестает двигаться подвижная часть, а эластомерные элементы теряют свои свойства. Даже при наличии специального циркуляционного канала в корпусе, если ответный канал в крышке закупорен неправильно ориентированным подшипником, циркуляция не возникает [2, с. 125-127].
Негативные последствия неправильной сборки не ограничиваются только выходом из строя сальника. Нарушение циркуляции приводит к неполному заполнению подшипников, образованию воздушных и паровых мешков, накоплению продуктов перегрева перекачиваемой жидкости в зазоре между валом и подшипником. Все эти факторы не способствуют продлению срока службы насоса. Однако наиболее критичным является то, что при увеличении зазора вследствие повышенного износа подшипников шестерни начинают контактировать с корпусом. Даже после капитального ремонта с заменой подшипников и валов такой насос не сможет развивать требуемое давление, что делает его дальнейшую эксплуатацию невозможной и требует приобретения нового агрегата [1, с. 568-574].
Конструкции подшипников скольжения могут существенно различаться в зависимости от типа и производителя насоса, однако фундаментальный принцип остается неизменным: через подшипник должно постоянно прокачиваться некоторое количество перекачиваемой жидкости. Это условие является обязательным для обеспечения гидродинамического режима смазки, при котором микронеровности на поверхностях цапфы и подшипника разделены гарантированным слоем смазки. Даже в насосах, использующих шарикоподшипники, этот принцип сохраняет свою силу [3].
На основании проведенного анализа можно сформулировать следующие выводы. Ориентация подшипников скольжения в шестеренчатых насосах является критически важным фактором, определяющим работоспособность всего агрегата. Неправильная установка подшипников, при которой перекрываются каналы подвода рабочей жидкости, ведет к нарушению циркуляции, перегреву, коксованию сальниковых уплотнений и ускоренному износу как самих подшипников, так и сопряженных деталей.
Установлено, что корректная сборка подшипникового узла должна обеспечивать отбор жидкости из полости нагнетания и сброс ее в полость всасывания через внутренние полости и канавки подшипников. Сквозные сверления в подшипниках должны быть ориентированы в сторону нагнетательной полости, где в корпусе предусмотрен соответствующий скос для подвода жидкости.
Разработанная методика, основанная на инвариантном гидравлическом принципе перемещения жидкости из области повышенного давления в область пониженного, позволяет производить сборку подобных агрегатов безошибочно даже при отсутствии чертежной документации. Соблюдение данного принципа при монтаже обеспечивает непрерывную смазку и охлаждение подшипников, что существенно продлевает ресурс насоса и предотвращает дорогостоящий ремонт или замену оборудования.
