Bơm bánh răng ăn khớp ngoài

Bơm bánh răng ăn khớp ngoài (External Gear Pump) là trái tim cung cấp áp suất cho nhiều hệ thống thủy lực, được ưa chuộng nhờ sự đơn giản, độ bền bỉ và khả năng tạo ra áp suất làm việc cao. Loại bơm thể tích này là lựa chọn kinh tế và đáng tin cậy cho cả máy móc công trình và ứng dụng công nghiệp.

I. Bơm Bánh Răng Ăn Khớp Ngoài Là Gì

Bơm bánh răng ăn khớp ngoài (External Gear Pump) là một trong những loại bơm thể tích (positive displacement pump) thông dụng và cơ bản nhất trong kỹ thuật truyền động và thủy lực. Đúng như tên gọi, thiết bị này sử dụng chuyển động quay của hai bánh răng ăn khớp ngoài để tạo ra lưu lượng và áp suất cho chất lỏng thủy lực.

Vai trò của bơm bánh răng ăn khớp ngoài là không thể thiếu trong nhiều ngành công nghiệp, từ máy công cụ, máy móc xây dựng hạng nặng (máy xúc, máy ủi) đến các hệ thống bôi trơn áp suất cao, nhờ vào kết cấu đơn giản, chắc chắn và khả năng tạo ra áp suất làm việc cao một cách hiệu quả.

II. Cấu Tạo Bơm Bánh Răng Ăn Khớp Ngoài

Bơm bánh răng ăn khớp ngoài bao gồm các thành phần chính sau, được lắp ráp chặt chẽ để đảm bảo hiệu suất và ngăn ngừa rò rỉ:

1. Các Thành Phần Cơ Bản

1. Bánh Răng (Gears):
   • Bánh răng Chủ động (Drive Gear): Nối trực tiếp với trục động cơ (thường qua khớp nối), là nguồn truyền động chính.
   • Bánh răng Bị động (Idler Gear): Ăn khớp với bánh răng chủ động và quay theo chiều ngược lại.
   • Lưu ý: Bánh răng thường được thiết kế với răng thẳng (phổ biến nhất do chi phí thấp và hiệu suất tốt ở tốc độ trung bình) hoặc răng nghiêng (giảm độ ồn và xung động nhưng phức tạp hơn).
2. Vỏ Bơm (Casing/Housing): Là bộ phận đúc hoặc gia công chính xác, bao bọc và giữ cố định các bánh răng. Vỏ bơm có vai trò quan trọng trong việc tạo ra các buồng bơm kín với sự hỗ trợ của các tấm đệm bên.
3. Trục Bơm và Bạc Lót (Shaft and Bushings/Bearings): Bạc lót (thường bằng đồng hoặc hợp kim) được sử dụng để đỡ trục bơm, chịu tải trọng xuyên tâm và giảm thiểu ma sát trong quá trình hoạt động.
4. Cửa Hút (Inlet Port) và Cửa Đẩy/Xả (Outlet Port): Là nơi chất lỏng đi vào và đi ra. Vị trí và kích thước cửa bơm phải được tối ưu hóa để giảm thiểu tổn thất áp suất khi dòng chảy thay đổi.
5. Phớt Chặn (Seals): Ngăn ngừa rò rỉ chất lỏng ra ngoài vỏ bơm và bảo vệ bạc lót khỏi sự xâm nhập của bụi bẩn.

2. Vật Liệu Chế Tạo

Vỏ bơm thường được làm từ Gang (Cast Iron) hoặc Hợp kim nhôm (cho các ứng dụng nhẹ hơn). Bánh răng và trục được chế tạo từ Thép hợp kim có độ bền cao, được xử lý nhiệt bề mặt để tăng khả năng chống mài mòn.

III. Nguyên Lý Hoạt Động

Bơm bánh răng ăn khớp ngoài hoạt động dựa trên nguyên tắc thay đổi thể tích buồng công tác (buồng bơm). Quá trình này diễn ra qua ba giai đoạn chính:

1. Quá Trình Hút

Khi hai bánh răng quay, tại khu vực cửa hút, các rãnh răng tách khỏi nhau và khỏi vỏ bơm, tạo ra một khoảng trống chân không cục bộ. Áp suất khí quyển (hoặc áp suất trong bể chứa) sẽ đẩy chất lỏng vào lấp đầy các khoảng trống này thông qua cửa hút.

2. Quá Trình Vận Chuyển

Chất lỏng bị kẹt chặt giữa các rãnh răng và thành bên trong của vỏ bơm. Các bánh răng mang theo chất lỏng này theo chu vi vỏ bơm, di chuyển từ cửa hút sang cửa đẩy. Quá trình này không cho phép chất lỏng chảy ngược trở lại cửa hút hoặc đi qua khe ăn khớp trung tâm.

3. Quá Trình Đẩy (Xả)

Tại khu vực cửa đẩy, hai bánh răng bắt đầu ăn khớp trở lại với nhau. Sự ăn khớp này làm giảm thể tích buồng công tác một cách đột ngột. Do chất lỏng thủy lực là không nén được (hoặc rất khó nén), sự giảm thể tích này tạo ra một áp suất cực lớn, buộc chất lỏng phải thoát ra ngoài qua cửa đẩy và đi vào hệ thống.

Lưu lượng: Lưu lượng của bơm bánh răng gần như tỷ lệ thuận với tốc độ quay của trục bơm và được xác định bằng công thức: Q=V0​⋅n⋅ηv​ (trong đó V0​ là thể tích hình học, $n$ là tốc độ quay, ηv​ là hiệu suất thể tích).

IV. Đặc Điểm Kỹ Thuật Của Bơm Bánh Răng Ăn Khớp Ngoài

1. Ưu Điểm Nổi Bật

• Kết cấu Đơn giản và Bền bỉ: Giúp dễ dàng chế tạo, lắp ráp và bảo trì.
• Khả năng Chịu áp suất Cao: Dễ dàng đạt áp suất làm việc lên đến 200-350 bar (tùy thiết kế).
• Lưu lượng Ổn định: Cung cấp dòng chảy gần như không đổi, ít bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi áp suất tải.
• Giá thành Hợp lý: So với bơm piston, bơm bánh răng có chi phí sản xuất thấp hơn đáng kể.
• Ít nhạy cảm với Chất lỏng: Hoạt động tốt với nhiều loại chất lỏng có độ nhớt khác nhau.

2. Nhược Điểm và Hạn Chế

• Độ ồn cao hơn: So với bơm cánh gạt hoặc bơm piston hướng trục.
• Không thể điều chỉnh lưu lượng: Bơm bánh răng là bơm lưu lượng cố định (trừ một số biến thể đặc biệt), không thể thay đổi lưu lượng khi tốc độ quay không đổi.
• Rò rỉ Nội bộ: Do khe hở giữa răng và vỏ bơm, luôn có một lượng nhỏ chất lỏng rò rỉ từ vùng áp suất cao về vùng áp suất thấp, ảnh hưởng đến hiệu suất thể tích (đặc biệt khi bơm bị mài mòn).
• Dễ bị kẹt dầu (Trapped Oil): Ở vùng ăn khớp, chất lỏng bị kẹt, gây ra tiếng ồn, xung động và tải trọng phụ lên trục, cần có rãnh thoát dầu (relief grooves) trên vỏ bơm.

V. Ứng Dụng Thực Tế

Bơm bánh răng ăn khớp ngoài được sử dụng rộng rãi nhờ tính linh hoạt và độ tin cậy của chúng:

VI. Bảo Trì và Khắc Phục Sự Cố

Để tối đa hóa tuổi thọ và hiệu suất của bơm bánh răng, cần thực hiện bảo trì định kỳ:

1. Bảo Trì Định Kỳ

1. Chất lỏng Thủy lực: Giữ dầu sạch sẽ và đảm bảo độ nhớt đúng theo khuyến nghị của nhà sản xuất là yếu tố quan trọng nhất.
2. Bộ Lọc (Filter): Kiểm tra và thay thế bộ lọc định kỳ để ngăn ngừa hạt mài mòn làm hỏng bánh răng và bạc lót.
3. Nhiệt độ: Đảm bảo nhiệt độ dầu vận hành không vượt quá giới hạn cho phép.

2. Khắc Phục Sự Cố Thường Gặp

Bơm bánh răng ăn khớp ngoài là giải pháp truyền động thủy lực cân bằng giữa hiệu suất cao, độ bền vượt trội và chi phí đầu tư hợp lý. Mặc dù có nhược điểm về tiếng ồn và khả năng điều chỉnh lưu lượng, sự đơn giản và khả năng làm việc ở áp suất cao đã đảm bảo vị thế của nó là “ngựa thồ” không thể thay thế trong phần lớn các ứng dụng thủy lực và vận chuyển chất lỏng công nghiệp. Xu hướng cải tiến trong tương lai sẽ tập trung vào việc giảm độ ồn (thông qua bánh răng nghiêng) và tăng cường khả năng chống mài mòn để nâng cao hiệu suất thể tích.