（机械电子工程专业论文）齿轮泵困油问题的理论分析与仿真试验研究.pdf

分类号：至旦三2 墨 u d c ：6 2 1 工学硕士学位论文 密级：公开 单位代码： ! q q 2 鱼 齿轮泵困油问题的理论分析与 仿真试验研究 作者姓名：苏茹茹 指导教师：吴炳胜教授 申请学位级别：工学硕士 学科专业：机械设计及理论 所在单位：机电工程学院 授予学位单位：河北工程大学 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o h e b e iu n i v e r s i t yo fe n g i n e e r i n g f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e r o fe n g i n e e r i n g s t u d y o nt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n t t e s to ft h et r a p p i n gp r o b l e m i ng e a rp u m p c a n d i d a t e ：s ur u m s u p e r v i s o r ：p r o f w ub i n g s h e n g a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r s p e c i a l t y c o l l e g e d e p a r t m e n t ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ：c o l l e g eo f e l e c t r i c a la n d m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g h e b e iu n i v e r s i t yo fe n g i n e e r i n g j u n e ，2 0 1 2 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北工程盘鲎或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担。 学位论文作者签名： 笏荔毒 签字日期：枷，p 年厂月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑皇垦墨堡盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权塑耋垦兰猩苤茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：苏苯长 签字日期： 沙纪年厂月i 同 导师签名： 签字日期：矽f2 ，年占月7 日 摘要 摘要 齿轮泵是应用最广泛的容积式液压油泵，具有体积小、重量轻、制造容易、 工作可靠、价格低廉、对油液不敏感、自吸能力强、维护方便等优点。但其困油 现象引发压力脉动造成振动和噪声的问题比较严重，因而不宜用在要求平稳的固 定设备上。因此通过改变卸荷槽的设计，来解决困油现象，对降低噪声、减少液 压泵端面泄漏、提高容积效率和工作压力及延长使用寿命具有重要的意义。 本文旨在改进设计齿轮泵的卸荷槽，使外啮合齿轮泵运行时得到更高的工作 压力和容积效率，使噪声更低，工作更平稳。 本文对外啮合渐开线齿轮泵理论研究及困油机理进行详细介绍，对困油容积 的变化规律进行理论分析，从而为齿轮泵的理论计算、定量分析及设计提供理论 依据，并且为齿轮泵卸荷槽的改进设计和流场仿真奠定基础。 基于实体建模软件p r o e 对齿轮泵进行三维实体建模，针对传统卸荷槽使齿轮 泵容积效率低的问题，设计单个圆形卸荷槽结构。并运用流体动力学软件f l u e n t ， 对齿轮泵在设计工况下的内部流场进行仿真，获得齿轮泵困油区流场分布情况， 通过仿真得到不同卸荷槽对齿轮泵困油压力影响的相关数据，验证理论分析和改 进设计的正确性、可行性，并为齿轮泵内部的流体压力研究提供参考。 此项改进措施对降低液压泵的维护、维修费用，提高产品质量和系统运行精 度以及使用寿命具有重要意义。 关键词：齿轮泵；困油容积；卸荷槽；流场仿真 a b s t r a c t 一一 a b s t r a c t t h eg e a rp u m pi sav o l u m et y p eh y d r a u l i co i lp u m pt oa p p l yi n t h em o s t w i d e s p r e a ds i t u a t i o n i th a sm a n ym e r i t ss u c ha st h es i z es l i g h t l y ，t h ew e i g h tl i g h t ，t h e m a n u f a c t u r ee a s y ，t h ew o r kr e l i a b l e ，t h ep r i c ei n e x p e n s i v e ，t ot h ef a tl i q u o ri n s e n s i t i v e ， s e l f - a b s o r p t i o na b i l i t ys t r o n g ，m a i n t e n a n c ec o n v e n i e n c e a n ds oo n b u tt h ev i b r a t i o na n d n o i s ep r o b l e m s ，t h a tc a u s e db yt h et r a p p e do i lr a i s e sp u l s a t i o np r e s s u r e ，a r em o r es e v e r e ， s ot h eg e a rp u m ps h o u l dn o tb eu s e di nt h ee q u i p m e n tf i x e do ns m o o t hr e q u i r e m e n t s i t i si m p o r t a n tt os o l v et r a p p e do i lp h e n o m e n o n ，r e d u c et h en o i s ea n dt h el e a k a g eo f h y d r a u l i cp u m pe n d ，i m p r o v et h ew o r k i n gp r e s s u r ea n dv o l u m ee f f i c i e n c ya n dp r o l o n g s e r v i c el i f e ，b yc h a n g i n gt h ed e s i g no fu n l o a d i n gg r o o v e t h i sp a p e ra i m st oi m p r o v ea n dd e s i g nt h eu n l o a d i n gg r o o v e ，s ot h a tt h eo u t e r m e s h i n gg e a rp u m pi sr u n n i n g i nah i g h e rw o r k i n gp r e s s u r ea n dv o l u m e t r i ce f f i c i e n c y ， i tw i l lm a k el e s sn o i s ea n dm o r es t a b l ew o r k t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e o r e t i c a ls t u d yo fo u t e ri n v o l u t eg e a rp u m pa n dt h e m e c h a n i s mo ft r a p p e do i l ，t h e o r e t i c a l l ya n a l y s e st h ev a r i a t i o nl o wo fg a p p e do i lv o l u m e ， p r o v i d e st h et h e o r yb a s i so fq u a n t i t a t i v e a n a l y s i s a n dd e s i g nf o r t h et h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o no ft h eg e a rp u m p ，a n dp r o v i d e st h eb a s i sf o r t h ei m p r o v i n gd e s i g na n dt h e f l o wf i e l ds i m u l a t i o no fu n l o a d i n gg r o o v eo fg e a rp u m p b a s e ds o l i dm o d e l i n gs o f t w a r ep r o e3 ds o l i dm o d e l i n go fg e a rp u m p ，d e s i g nt h e s t r u c t u r eo fas i n g l ec i r c u l a ru n l o a d i n gg r o o v ef o rt h ep r o b l e mo fl o wv o l u m e t r i c e f f i c i e n c yo f t h eg e a rp u m p a n du s eo ff l u i dd y n a m i c ss o f t w a r ef l u e n t ，t os i m u l a t et h e i n t e r n a lf l o wf i e l do ft h eg e a rp u m pd e s i g nc o n d i t i o n s ，g e tt h eg e a rp u m pt r a p p e do i l r e g i o nd i s t r i b u t i o nf l o wf i e l d ，t h r o u g ht h es i m u l a t i o nt og e t d a t ao fd i f f e r e n tu n l o a d i n g g r o o v et r a p p e do i lp r e s s u r eg e a rp u m p ，t ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo f t h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n di m p r o v e dd e s i g n ，a n da l s op r o v i d et h er e f e r e n c ef o rt h eg e a r p u m pi n t e r n a lf l u i dp r e s s u r er e s e a r c h t h ei m p r o v e m e n tm e a s u r ei sg r e a ts i g n i f i c a n c et or e d u c et h em a i n t e n a n c eo ft h e h y d r a u l i cp u m pa n dm a i n t e n a n c ec o s t s ，i m p r o v ep r o d u c tq u a l i t ya n ds y s t e mo p e r a t i o n a c c u r a c y ，a n dp r o l o n gs e r v i c el i f e k e y w o r d s ：g e a rp u m pt r a p p e do i l ；u n l o a d i n gg r o o v e f l o wf i e l ds i m u l a t i o n i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景和意义1 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 国外研究现状3 1 2 2 国内研究现状4 1 3 齿轮泵的发展趋势5 1 4 课题来源及主要研究内容6 1 4 1 课题来源6 1 4 2 本文的主要研究内容6 1 5 本章小结6 第2 章齿轮泵理论研究及困油容积分析7 2 1 理论研究7 2 1 1 工作原理7 2 1 2 瞬时流量特性分析8 2 1 3 径向力分析1 2 2 1 4 容积效率15 2 2 困油的原因及危害1 7 2 3 齿轮泵困油容积的变化规律17 2 3 1 困油容积变化规律分析1 7 2 3 2 用几何法求解困油容积2 0 2 4 本章小结2 2 第3 章齿轮泵卸荷槽改进方案2 3 3 1 侧板改进方案的设计2 3 3 1 1 缓解困油现象的常用措施一2 3 3 1 2 齿轮泵侧板改进设计一2 7 3 2 齿轮模型创建3 0 3 3 辅助部件及整体模型3 4 目录 3 4 软件测量困油面积变化规律3 6 3 5 本章小结3 7 第4 章齿轮泵内部流场的仿真试验研究3 8 4 1 f l u e n t 软件概述3 8 4 2c f d 基本数学模型3 9 4 2 1 基本控制方程3 9 4 2 2 湍流模型4 0 4 2 3 边界条件4 1 4 3 外啮合齿轮泵流场仿真4 2 4 3 1 简化几何模型一4 2 4 3 2 划分网格4 2 4 3 3 建立求解模型4 3 4 3 4 网格运动的设置4 4 4 3 5 边界条件4 4 4 3 6 求解结果与分析4 4 4 4 本章小结4 9 第5 章卸荷槽改进前后流场对比分析5 0 5 1 外啮合齿轮泵三维流场仿真5 0 5 2 液压径向力计算结果分析5 2 5 3 容积效率计算结果对比5 4 5 4 流场压力变化情况5 6 5 5 本章小结5 8 结论和展望5 9 致谢6 1 参考文献6 2 作者简介6 5 攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果6 5 i l 第1 章绪论 第1 章绪论 齿轮泵、叶片泵和柱塞泵都是泵送工作介质的动力泵，是液压系统中的三种 主要的液压泵，其中齿轮泵的历史最悠久，应用最广泛【l j 。而且齿轮泵因其结构简 单，体积小，重量轻，成本低，自吸性能好，污染敏感性小，使用过程中可靠性 较高，工作寿命长，容易加工制造，维修方便等特点，被广泛应用于工程机械、 汽车、船舶、冶金、建筑、轻工业等机械产品中【2 1 。在液压系统中，液压泵作为整 个系统的心脏将系统输入的机械能转化为液压能。因此对高性能液压泵的设计研 究，尤其在提高液压泵的工作效率和压力方面的研究是液压技术研究的重要内容。 齿轮泵属于容积式泵，它是利用回转部件在泵壳中的回转，造成工作空间的容积 变化，从而达到吸排液体的目的。齿轮泵的吸油和排油的原理是其内部齿轮的啮 合传动带动油液从吸油区到过渡区再到压油区，最终将油液挤压出齿轮泵，其齿 面主要有三种型式：直齿轮，斜齿轮和人字齿轮。其中，外啮合直齿轮泵的结构 最为简单，价格最低，更经济实用。据统计，目前外啮合齿轮泵使用台件数约占 液压泵总使用台件数的7 0 i 引。 但是齿轮泵由于自身结构的原因也存在不足之处，主要有两齿啮合区域的困 油现象、径向力不平衡和泄漏问题。齿轮泵的泄漏包括轴向泄漏( 占7 5 8 0 ) 、 径向泄漏( 占1 5 - 2 0 ) 和啮合泄漏( 占4 - 5 ) 1 4 】。齿轮泵困油引发压力脉动造 成振动和噪声的问题比较严重，使流量不均匀，在使用中都带来很多不便，不宜 用在要求平稳的固定设备上，对齿轮泵工作性能和寿命都是有害的【5 1 。 齿轮泵的这三个主要问题，彼此是相互联系和影响的。比如径向力不平衡致 使齿轮轴心偏移，导致泄漏量增大；齿轮泵困油现象的减轻会一定程度上减小径 向不平衡力。目前，虽然液压界对此三种主要问题的研究有一定的成果，尤其是 困油现象的改进方法更是层出不穷，但是困油现象仍然比较严重，尤其在高速、 高温、高压、高粘度等特殊工况运转时，齿轮泵的困油现象尤为显著，所以应受 到研究界更多的关注，以提高齿轮泵特殊工况下的性能，延长使用寿命，减少事 故发生率，因此对于齿轮泵困油现象的研究就具有非常重要的实际意义【6 ，7 1 。 1 1 研究背景和意义 当前，国内外学者对齿轮泵的分析和研究主要集中在以下方面：( 1 ) 泵的优 化设计，其设计目的是减小齿轮泵的体积，通过齿轮参数如齿数、模数、压力角 河北工程大学硕士学位论文 和变位系数等参数的改变，使齿轮泵体积最小；( 2 ) 泵的噪声产生原因以及减小 噪声方法的研究；( 3 ) 齿轮泵流量特性分析的研究；( 4 ) 减少斜齿齿轮泵流量脉 动的研究；( 5 ) 高压齿轮泵的研究及泵内部液体压力的分析研究；( 6 ) 齿轮泵的 变排量或变流量技术研究；( 7 ) 齿面整体涂覆技术的研究；( 8 ) 多联集成啮合齿 轮泵的研究及应用；( 9 ) 影响齿轮泵工作寿命的因素，以及延长寿命方法的研究； ( 1 0 ) 困油特性分析及其卸荷技术研究；( 1 1 ) 水压齿轮泵的理论分析及实践研究； ( 1 2 ) 对齿轮泵端面问隙的优化及其补偿方法研究1 8 j 。 齿轮泵作为一种常用的液压动力元件，被广泛应用于各种液压系统中，其工 作时工作油液的可压缩性很小。图1 1 所示的三种状态呈现了齿轮泵的啮合过程， 后一对齿轮进入啮合状态后，由图1 1 1 位置转化为图1 1 2 位置的过程是齿轮泵 困油的压缩阶段，在这个阶段里密封容积由大变小，密封油液的压力受到轮齿挤 压而急剧升高，从而远远超过齿轮泵泵的输出压力，因此产生冲击载荷对齿轮泵 造成破坏；在齿轮泵由图1 1 2 位置转化为图l 一1 3 位置的过程中，密封容积由小 变大，此为齿轮泵困油的膨胀阶段，在这个阶段里由于密封腔中的体积变大，而 油液得不到及时的补充，因此可能会产生气穴，形成局部的真空。 图1 后一对齿轮进入啮图1 1 2l = j 】死容积由人变小图1 1 3 闭死容积由小变大 图1 。1 齿轮泵啮合过程 f i g 1 1t h em e s h i n gp r o c e s so fg e a rp u m p 近3 0 年来学术界对直齿轮泵的困油现象做了大量研究，例如c b 型泵的前、 后盖上都铣有两个卸荷槽，其中一个与泵的排油腔相通，另一个与泵的吸油腔相 通。利用卸荷槽结构来消除困油现象，卸荷槽的结构不同，对齿轮泵的影响也相 去甚远。如果两卸荷槽之间的距离太大，则起不到减弱或降低困油危害的作用； 相反如果该距离太小，则困油区将高、低压串通，破坏了液压泵的工作条件。所 以合理的设计卸荷槽的尺寸，对提高齿轮泵工作效率有着重要的作用。 液压齿轮泵中的流体运动情况相当复杂，严重影响着齿轮泵的能量利用率、 噪声及散热等性能，因此对齿轮泵流场的研究应引起人们的高度重视。近些年来， 计算流体动力学( c v d ) 仿真技术得到了快速发展并应用在了众多领域，例如对液压 系统及液压元件内部流场的仿真研究已取得有很好的效果。不仅如此，通过c f d 2 第1 章绪论 技术还可以在搭建物理模型前分析研究其相关特性；可求解实验及设计中得不到 的数据并能提供实验难以测试到的数据，以供模型的数值分析。基于c f d 仿真技 术的优势，本文采用理论分析的方法对齿轮泵的困油容积进行分析；在此基础上 对渐开线外啮合齿轮泵卸荷槽进行改进设计，并采用c f d 方法对液压齿轮泵内部 流场的分布情况进行仿真试验，得到其结构改进前后内部流场数据，从而判断卸 荷槽结构设计的合理性。本课题的研究可以为后续的研究和进一步的优化设计提 供宝贵的经验和理论指导，具有重要的意义。这对降低噪声、减少液压泵端面泄 漏、提高容积效率和工作压力及延长使用寿命具有重要的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 1 9 8 8 年在给出困油容积计算公式的基础上，市川常雄在困油腔中安装压力传 感器，对困油区的压力进行了测试分析。其通过实验得到了很多客观的数据，比 如困油区压力的分布、压力的最大值和最小值与尺侧间隙和卸荷槽问距的变化关 系。但是，其研究只限定在了实验方面，并没有具体的给出困油数学模型和容积 计算得公式9 1 。 1 9 9 7 年土耳其丘库罗瓦大学的k o ce 等设计实验，测量了齿轮泵内的侧板和 齿轮端面问的油膜厚度l lo ，i 。2 0 0 0 年鲁汶比利时大学的d a l p i a z 等对齿轮泵侧板和 滑动轴承之间的润滑建立二维雷诺方程进行了研究，流体类型为稳态不可压缩流 体i l 引。以上的研究采用的都是倾斜浮动侧板，齿轮泵在困油区的轴向泄露程度受 倾斜角的影响，然而定量分析侧板倾斜度与困油现象之问关系的报告相对比较少。 2 0 0 1 年美国伊顿公司( e a t o n ) 实验测量了齿面啮合区压力的变化，结果显示 齿轮泵困油过程中存在气穴现象，并且创建气穴模型，结论是困油压力降到的最 小值是水蒸气的挥发压力，之后困油区的压力不会继续降低，分析总结得出困油 的后半段即膨胀时的困油压力公式i l 引。2 0 0 6 年伊顿公司对航空专用的外啮合齿轮 泵进行试验，仿真和数学建模，并且对5 种参数的齿轮泵进行试验测试和仿真分 析，进行对比验证。 日本s h i m a z us e i s a k u s h o 公司研发的一种新型泵，为使泵的吸油腔与压油腔有 可靠的密封，在端盖内开设特形槽，并嵌入弹性密封条，使得容积效率高。 澳大利亚孟纳西( m o n a s h ) 等大学对卸荷槽的设计方法进行了研究，结果表 明合理的卸荷槽开设方式可以使困油现象得到不同程度的改善，其方法使齿轮泵 的输出脉动比普通结构降低了2 0 1 i 4 , 1 5 】，效果比较明显；如果卸荷槽结构设计不 3 河北工程大学硕士学位论文 当反而会加剧出口处的压力脉动，同时卸荷槽的存在也一定程度上降低了齿轮泵 的容积效率。 同本长冈技术科学大学机械系研究室重点研究了高压、低速齿轮泵在卸荷作 用下的流量脉动，该研究从理论和试验两方面都证明了泵通过卸荷槽的卸荷流量 是间歇的而不是连续的，这种间歇性也影响了齿轮泵流量的脉动。 1 2 2 国内研究现状 1 9 8 6 年就出现了变量齿轮泵的发明专利，它是在齿轮轮齿上使用密压囊结构， 这种变量方式有效缓解了困油现象并使噪声得到降低，同时改善了泵的使用性能， 特别是在需要变量且大流量的液压系统中。但其结构复杂，很难推广使用。 1 9 9 6 年，曾良才研究了卸荷槽形位、尺侧问隙大小和困油关系，提出了开设 阻尼槽式卸荷槽的方法，改善了齿轮泵工作性能，但是因阻尼槽尺寸小，所以容 易形成阻塞，而使困油现象加剧l l6 j 。 2 0 0 2 年，郑州机械研究所甘学辉对齿轮泵的困油特性进行研究，困油的严重 程度和状态通过困油容积变化率得以体现，并对困油容积变化率进行计算，并建 立啮合系数与流量特性、困油特性的联系，分析了困油现象对流量脉动的影响。 研究得出困油的压缩和膨胀过程对齿轮泵的性能影响不同，压缩过程影响较大， 而膨胀过程对其影响很小，因此建议优先考虑降低压缩过程的压力最大值【1 7 j 。 2 0 0 4 年，臧克江等将卸荷降压槽开在轮齿非工作齿廓曲面上。由于卸荷降压 槽开在非工作齿廓曲面上，并且是径向开设，因此不会破坏齿轮工作齿廓曲面的 啮合状态，齿轮副传动的平稳性保持不变。但是此卸荷降压槽不能完全消除困油 现象，且不易于加工，影响轮齿强度，适合于在d , n 隙或无侧隙齿轮泵中与卸荷 槽配合使用【l 引。 2 0 0 6 年杨元模在在外啮合齿轮泵的困油的高压区增加一卸荷通道，使其与外 啮合齿轮机油泵的进油区相连，使泵的出油压力更加稳定，并通过实验验证了改 进措施的可行性1 1 9 1 。 2 0 0 6 年周德军提出双重卸荷槽的改进方法，即在困油区和压油区各开设两个 平行卸荷槽，卸荷槽距中心线的距离不同，改善传统卸荷槽导致齿轮泵容积效率 下降的问题。 2 0 0 9 年李玉龙等推导了困油状态下的动态转矩的公式，得出困油压力很大程 度上影响了转矩的大小。同时分析了异齿数对困油现象的影响，得出在泵体积 定的情况下，同齿数齿轮泵和异齿数齿轮泵的困油周期不同，其中主动齿轮采用 大齿轮，从动齿轮采用小齿轮的组合减小困油现象更明显，但这种组合一定程度 4 第1 章绪论 上增加了齿轮泵的流量脉动【2 0 2 - 。 2 0 1 1 年，范良成设计一种齿轮项隙为零的斜齿齿轮泵，该齿轮泵无困油区， 很好的解决了困油问题，但其加工难度大，而且油液中不能有杂质，不适合大多 数环境下工作的齿轮泵【2 2 j 。 齿轮泵的困油现象一直备受关注，虽然可以通过采用大模数、小齿顶高系数、 较大的正变位系数等手段减轻困油现象，但同时这些方法又会增加脉动、增大径 向力或减小单位排量等。因此，当前解决困油现象较好的方法是卸荷槽的创新设 计，对齿轮泵卸荷槽位置、形状进行合理的调整及设计，在有效的改善困油现象 的同时使齿轮泵性能最优。 1 3 齿轮泵的发展趋势 在现代化经济高速发展的大环境下，机械电子的发展趋势是体积小、反应快、 低污染、高精度等，液压系统的发展也不例外，为了适应科技的飞速发展，齿轮 泵发展趋势如下1 2 3 3 1j ： ( 1 ) 低流量脉动，在流量脉动的作用下，液压系统的执行机构运行不均匀， 且不够平稳，影响执行精度，而且流量脉动会引起压力脉动，导致液压系统中部 件的密封性遭到破坏，还会使零件产生振动和噪声。因此液压系统发展的趋势之 一是降低齿轮泵的流量脉动； ( 2 ) 大排量，某些对执行机构运行速度要求较高的液压系统必须使用大排 量泵； ( 3 ) 高压化，相对于柱塞泵和叶片泵来说，齿轮泵在高压化方面占有明显优 势，目前齿轮泵最高工作压力可以达到尸= 3 1 5 m p a ，但是对齿轮泵工作压力的进 一步提升，国内外研究尚不成熟，有待突破现况； ( 4 ) 低噪声，对“安静”液压泵的研究在国外开始比较早。困油产生的冲击噪 声和齿轮啮合时所产生的机械噪声是齿轮泵工作过程中的主要噪声源。齿轮啮合 的机械噪声取决于齿轮的齿形、装配等，而齿轮泵困油现象主要决定于卸荷措施 是否合理，所以今后对齿轮泵的困油现象的研究和试验将会有较大发展； ( 5 ) 变排量，齿轮泵在实际应用中较常见的是定排量泵，但其工程应用范围 在一定程度上受到限制，因此国内外研究人员对对齿轮泵进行了大量的研究，特 别是在齿轮泵排量上做了很多的分析研究。对于改变变量泵的发明专利有很多， 但是能真正转化为成品的却很少。 5 河北工程大学硕士学位论文 1 4 课题来源及主要研究内容 1 4 1课题来源 本课题来源于河北省科技研究计划项目，项目名称为“消除齿轮泵困油关键 技术研究与实现 。 1 。4 2 本文的主要研究内容 ( 1 ) 结合齿轮泵工作原理，对其进行特性分析，得出齿轮泵困油容积变化规 律； ( 2 ) 设计齿轮泵侧板卸荷槽，应用p r o e 软件完成外啮合齿轮泵改进前后的 三维参数化建模，并应用w o r k b e n c h 软件测量不同时刻齿轮泵困油面积，得到困 油面积变化曲线； ( 3 ) 基于c f d 技术研究齿轮泵的流场特性，运用计算流体动力学仿真软件 对外啮合齿轮泵进行仿真模拟，得到其内部流场的仿真试验数据，获得齿轮泵困 油区流场分布情况； ( 4 ) 对仿真试验结果与理论计算得到的结果进行对比，分析卸荷槽改进前后 的困油区压力变化，最后判断新型卸荷槽设计的合理性。 1 5 本章小结 本章介绍了齿轮泵的研究现状，阐述了齿轮泵的困油机理，指出了研究齿轮 泵困油问题的工程应用价值，提出了本课题的研究背景和研究意义，总结了本课 题研究内容。 6 第2 章齿轮泵理论研究及困油容积分析 第2 章齿轮泵理论研究及困油容积分析 2 1理论研究 2 1 1工作原理 齿轮泵的主要零部件有泵体、前泵盖、后泵盖、侧板以及参数相同的一对齿 轮等3 2 1 。图2 1 为某分体式外啮合齿轮泵结构简图。 捧油 1 一定位销；2 一密封圈；3 一轴承；4 一从动轴；5 一平键；6 一齿轮； 7 一主动轴；8 一端盖；9 一平面垫圈；1 0 一弹簧垫圈；11 一六角头螺钉； 1 2 一齿轮安装壳体：1 3 一轴承安装壳体；1 4 密封皮碗；1 5 一平键。 图2 1 分体式外l 皆合齿轮泵结构 f i g 2 1t h es t r u c t u r eo f ae x t e r n a lg e a rp u m p 齿轮泵工作时，主动齿轮按照图示顺时针方向转动，同时通过齿轮的啮合传 递扭矩。从动齿轮在啮合力的作用下跟随主动齿轮一起逆时针转动。两个齿轮转 动时，齿轮的轮齿在两齿轮中心线中点附近的啮合区域右侧相继进入啮合又从左 侧退出啮合。左侧的吸油腔随着齿轮的旋转，局部压力低于外界大气压，所以在 大气压的作用下，油液从油箱进入吸油腔，这就是外啮合齿轮泵的吸油过程【3 3 1 。 同时，油液通过齿轮的各个齿槽与侧板、泵体形成的各密闭空间由连续转动 的齿轮带入过渡区，然后从过渡区进入右侧的排油腔。 排油腔中，齿轮在中心线中点附近的啮合区域逐个进入啮合，过渡区两齿之 问的油液随着齿轮的旋转进入压油腔，使压油腔内液体压力迅速上升，从而将油 7 河北工程大学硕士学位论文 液挤出排液口，这就是外啮合齿轮泵的排油过程。在主动轴的驱动下，两个啮合 齿轮连续旋转，则油液连续不断的从吸油口吸进，从压油口压出，实现了连续吸 排油，排出的油液作为系统的动力源作用于液压系统中。 根据齿轮泵工作原理，两个齿轮的所有齿槽的容积求和即为主动轴每旋转一 周齿轮泵排出来的油液的体积。对于变位系数等于零的齿轮，即标准齿轮，齿槽 的体积等于齿轮轮齿的体积，所以，外啮合齿轮泵的一个齿轮的各个齿槽齿形的 体积和等于齿轮泵的几何排量。对于标准安装的外啮合齿轮泵的几何排量 圪( m l r ) ，理论上等于直径为( z + 2 砌和( z 一2 ) m 的圆围成的环形面积乘以齿轮厚 度b ，即 = 三 【( z + 2 ) 聊】2 - - 【( z 一2 ) 坍】2 b = 2 刀m 2 2 6( 2 1 ) 式中，m 齿轮模数； z 齿轮齿数； b 齿轮厚度( c m ) 。 则齿轮泵的理论输出流- 量q v s ( 三m i n ) 和理论平均流量( l m i n ) 为 q n = = 2 n z m 2 b n x l 0 3 ( 2 2 ) q 鼯= q v , r l 馏= 2 n z m 2 b n r l 馏1 0 q ( 2 - 3 ) 式中，7 册容积效率； 行齿轮泵转速( r m i n ) 。 分析式( 2 - 1 ) 可得：几何排量是衡量齿轮泵工作性能的指标，其大小决定于 齿轮的齿数、模数和齿厚，对于变位齿轮，几何排量的计算公式修正为： = 2 n k z m 2 b ( 2 - 4 ) 式中，k 修正系数，通常取k = 1 0 6 1 1 5 ，z 小时k 取大值，z 大时k 取小 值 35 1 。 2 1 2 瞬时流量特 生分析 液压泵单位时间内排出的工作介质的体积，即= v t 。某一瞬时当t 专0 时 齿轮泵的流量叫做液压泵的瞬态流量。理想状态下瞬态流量为常量 ( q v , = d v d t - - - c o n s t ) ，而实际工况下液压泵的瞬态流量存在脉动。流量脉动与压 力脉动是同时存在的，液压系统中的压力脉动会引起系统执行元件运行不平稳， 存在压力冲击，工作过程中会产生噪声及振动，从而破坏液压系统的元部件吲。 8 第2 章齿轮泵理论研究及困油容积分析 图2 - 2 外啮合齿轮泵：卜作示意图 f i g 2 2t h es k e t c ho fe x t e r n a lj o g g l i n gg e a rp u m p 外啮合齿轮泵工作不惹图如图2 - 2 所不，主动齿轮角速度为国，从动轮角速 度为缈：。当主动齿轮在d t 时问内转过角度d 。时，从动齿轮转过角度d 沙：，因为 齿轮泵相互啮合的两个齿轮泵的节圆上线速度相等，所以有 e g g = 缈：巧j 缈2 斫= _ 知。西d 2 ：量堕墼 ( 2 5 ) 则有 d u = 6 ( 华一华r k 一p 妙， 弦26 ， 777 、川 ， 1 (一) 同理，由于从动齿轮转动导致的排油腔体积的变化量d 为 d = 6 f 学一半r 眩p 肾兰眩一磋赢协7 ， 所以，此时从排油腔排出的油液体积为 肌d u 删= 舭一) + 号坛一砖) 旧 ( 2 - 8 ) 则此时，瞬时流量为 办”百d v = 等忙t j ) + 吾坛一蠢) l ( 2 - 9 ) 由图2 - 3 可得，f 为啮合点c 到节点p 的瞬时位移( f = c p ) ，e 为啮合点c 到 q 0 2 的距离( p = c m ) ，啮合点c 在0 1 0 2 上的投影点为m ，k 为节点p 到m 的距 离( k ：m p ) 。 9 河北工程大学硕士学位论文 厶 。 j 如 巧 图2 - 3 啮合位置几何关系示意图 f i g 2 3t h eg e o m e t r ym o d e lo fm e s h i n gp o s i t i o n p 由图2 - 3 司得： = p 2 + g 7 一七) 2 = e 2 + 七2 + 1 “一2 r k = “一2 杌+ 2 磋= p 2 + ( + 七) 2 = p 2 + k 2 + 呓2 + 2 r ；k = 呓2 + 2 硝+ 厂2 齿顶圆半径。和乞：与节圆半径吖和巧有如下关系： = ( 厂1 7 + 办。，) 2 = 门+ 2 l + 碥 砭= 以+ 办。2 ) 2 = 2 + 2 r 2 h 。2 + 矗：2 将以上各式代入式( 1 9 ) ，并整理简化得： 础) = 钟饥 + 厅。：) + 绣，+ r - - , h l 一 r 2 厂2 ( 2 1 0 ) 当啮合点的瞬时位移为厂时，设齿轮转动过的角度分别为和：，主动齿轮 的基圆半径为，从动齿轮的基圆半径为r h ：，那么由数学关系分析推导可得： f = r h l = r b 2 沙 2 ( 2 1 1 ) 将( 2 1 1 ) 式代入( 2 1 0 ) 式，有 础，= 等陋m 一碱+ 专移膨 协1 2 ) 当主动齿轮和从动齿轮参数相同( 即r j = 呓= r 、吃。= h 。：= 吃、y ，= 沙：= 、 r e l = r b 2 = r h 、名1 = r 0 2 = r o ) 时，齿轮转动角速度可有绌= 国2 = 缈，此时式( 2 - 1 2 ) 可写成 q v o ) = 竽( 4 + 2 h j , 一2 杉沙2 ) = 6 缈p 也+ 2 ，+ 绣一名2 一，瞳) = b c o ( r 孑一，“一2 ) ( 2 - 1 3 ) 由式( 2 1 3 ) 可以看出，在一对齿轮啮合过程中，当沙= 0 时，f = r b g = 0 ， g 矿( f ) 取得最大值g y 。= 6 国k _ fp 2 ) 。如果齿轮的s = 1 ，压力角等于2 0 。，则基 圆齿距等于啮合线长，即l = p 。，其中p 。= r m c o s ，齿轮进入啮合状态和脱离啮 合状态的时刻f = r b g = 仇2 ，此时厂2 最大，q v ( f ) 最小， 第2 章齿轮泵理论研究及困油容积分析 q 。= 6 缈k r “一0 2 5 p b 2 ) 。 从以上分析可以得出：齿轮泵的瞬时流量不是一成不变的，它是存在脉动的， 并且随一定周期变化。根据以上推论，瞬时流量的示意图如图2 4 所示。 q v ( t ) 、。，、厂、。厂、 l 宣 言 i p b0p b3 p b5 p b 7 p b 2 r b2 r b2 r b2 r b2 r b l l r ( = ( i ) t ) 图2 4 瞬时流量曲线图 f i g 2 - 4t h e c u r v eo fi n s t a n t a n e o u sd e l i v e r y 液压泵的流量特性通常用脉动频率瓯和脉动系数体现，频率越高表明其脉 动越快，越均匀；脉动系数越高表明其脉动越明显，在设计制造中应尽量减小脉 动系数同时增大脉动的频率。流量脉动系数吒的计算公式为： t2 警 q ( 2 1 4 ) 将式( 2 - 2 ) 代入式( 2 1 4 ) ，得 谚，：鲤堕监：0 2 5 b 舀o m 2 a - 2c o s 2a ：0 2 5 b a ) m 2 x f 2c o s 2a ：2c o s 2t z ( 2 - 15 ) 、 q n 2 n z m 2 b nb o o m 2 z4 z 根据式( 2 1 5 ) 推导出：降低脉动系数可以采用增大压力角和增加齿数的办法。 表2 1 为口= 2 0 。时几种常见的齿数的齿轮泵脉动系数，可以得出：未经过改进的 齿轮泵其流量脉动系数都比较大，生产设计时应对其结构进行分析改进。 表2 1 常见齿数的外啮合齿轮泵流量脉动系数 。t a b l e 2 - 1 t h en u m b e ro fc o m m o nm e s h i n gg e a rp u m pf l o wp u l s a t i o nc o e f f i c i e n t ，。 z 6 810121 4】6182 0 在单位时间内循环的次数称为频率，则齿轮泵的流量脉动频率无就是单位时 间其脉动变化的齿数。当齿轮啮合时，每对齿啮合一次，流量就会变化一次，所 以齿轮泵的脉动频率为 厂：丝 j9 6 0 河北工程大学硕士学位论文 式中，流量脉动频率( 胁) ； 胛齿轮泵转速m i n ) 。 2 1 3 径向力分析 ( 1 ) 径向液压力分析 齿轮泵每旋转一周，其经过的区域分为四个区：啮合区、吸油区、过渡区和 压油区。齿轮齿顶圆与吸油腔边界线的交点连线到齿轮的圆心，该线与两齿轮中 心线的夹角鼠；同理，排油腔的齿顶圆与吸油腔边界线的交点连线到齿轮的圆心， 该线与齿轮中心线的夹角为岛，如图2 5 所示。那么( 幺一鼠)