（机械设计及理论专业论文）采用试验法进行高粘度齿轮泵系列化设计.pdf

郑州机械研究所硕士学位论文 论文题目：采用试验法进行高粘度齿轮泵系列化设计 专业：机械设计及理论 研究生：张旭东( 签名) 翘塞 指导教师：黄华明( 签名) 蛰堡绁( ! i ：哆 f 摘要 高粘度齿轮泵广泛应用于大型石化、纺织等行业，目前国内这些行业生产线 上所运行的高粘度齿轮泵绝大部分依赖国外进口。市场分折表明，随着这些行业 生产的发展，今后我国对高粘度齿轮泵的需求量还会有大幅度地提高。 为了扭转我国石化、纺织等行业高粘度齿轮泵长期依赖进口的被动局面，促 进我国泵行业技术进步和科技产业的发展。郑州机械研究所从高粘度齿轮泵国产 化研制入手，研发出了t g c 型高粘度齿轮泵样机。本文在t g c 2 8 0 0 高粘度齿轮 泵性能试验的基础上，对t g c 型高粘度齿轮泵进行了系统研究；本文依据试验 数据做出了t g c 型高粘度齿轮泵系列型谱；采用v b 语言编制出了t g c 型高粘 度齿轮泵设计、选型软件。本文的主要工作和结论如下： ( 1 ) 以t g c 2 8 0 0 高粘度齿轮泵为样机，根据所输送介质的温度不同，将输 送介质划分为五个不同的粘度段。在不同的粘度段内，对t g c 2 8 0 0 高粘度齿轮 泵进行性能试验。记录下各枯度段内，t g c 2 8 0 0 高粘度齿轮泵的输入轴功率、 流量、排出压力，转速等性能参数。 ( 2 ) 在理论分析的基础上，借助于数学分析软件o r i g i n 7 0 ，对t g c 2 8 0 0 高粘度齿轮泵性能试验得到的数据进行拟合。拟合出不同粘度段内，t g c 型高粘 度齿轮泵输入轴功率、额定流量、容积效率、机械效率、最高极限转速、最高齿 顶圆周速度的计算式。拟合出粘度为2 7 6 4 m m z s 7 5 1 5 m 1 2 s 和1 0 9 1 舢2 s 2 7 6 4 r m 2 s 时，t 6 c 型高粘度齿轮泵的最低极限转速和最低遗顶圆周速度的计算式。 通过对高粘度齿轮泵进出油口内的介质流型进行分析，并结合实际测绘数值，推 出t 6 c 型高枯度齿轮泵进出油口径的设计计算式。 ( 3 ) 以t y 2 0 1 b 高粘度齿轮泵的实测数据为算例，验证了本文拟合出的商桔 度齿轮泵输入轴功率计算式、实际流量计算式、容积效率计算式具有一定的代表 性。 郑州机械研究所硕七学付论文 ( 4 ) 在对t g c 2 8 0 0 高粘度齿轮泵进行性能试验的基础上，通过一定的理论 分析，做出t o ：型高粘度齿轮泵系列型谱。为今后进行高粘度齿轮泵设计提供有 益的参考。 ( 5 ) 采用v b 语占，编制了t g c 型高粘度齿轮泵设计计算软件、t g c 型高粘 度齿轮泵选型软件。 总之，本文进行高粘度齿轮泵研究的总体思路如下：t g c 2 8 0 0 高粘度齿轮泵 性能试验一基础理论研究一拟合出高粘度齿轮泵设计计算式一做出高粘度齿轮 泵系列型谱一编制高粘度齿轮泵设计，选型软件 关键词：高牯度齿轮泵 试验法输入轴功率额定流量额定压力 容积效率机械效率 介质粘度系列型谱 论文类型：应用基础 本文研究得到了科学技术部科研院所技术开发研究专项资金项目“聚合物输 送用高参数齿轮泵关键技术研究”( n c s t e - - 2 0 0 1 - - j k z x 一0 9 6 ) 的资助 郑州机械研究所硕士学位论文 s u b j e c t ：s e r i a l i z a t i o nd e s i g no ft h eh i g hv i s c o s i t yg e a r p u m pb a s e do n t e s t s p e c i a l t y ：m a c h i n e r yd e s i g na n dt h e o r y n a m e ：z h a n gx u d o n g ( s i g n a t u r e ) d i r e c t e db y ：h u a n gh u a m i n g ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t t h eh i g hv i s c o s i t yg e a rp u m pi sw i d e l yu s e di np e t r o c h e m i c a li n d u s t r y 、t e x t i l e h d l l s t f y ，e t c b u t , t h ea b s o l u t em a j o r i t yo ft h e mi no u rc o u n t r yd e p e n do ni m p o r t a n a l y s i so nm a r k e ts h o w s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h e s ei n d u s t r i e s ，t h ed e m a n do f t h eh i g i iv i s c o s i t yg e a rp u m pw i l lg r e a t l yi n c r e a s ei nt h ef u t u r e i no r d e rt oc h a n g et h es i t u a t i o nt h a tt h eh i g hv i s c o s i t yg e a rp u m pd e p e n d so n i m p o r t , a n d t op r o m o t et h et e c h n o l o g yp r o g r e s si np u m pi n d u s t r y , z h e n g z h o u r e s e a r c hi n s t i t u t eo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n gh a sr e s e a r c h e da n dm a n u f a c t u r e d t g c 2 8 0 0t y p eg e a r - p u m pf r o mt h el o c a l i z a t i o n ht h i sd i s s e r t a t i o n , b a s e do n c h a r a c t e r i s t i ct e s to ft g c 2 8 0 0 ，t h et g ct y p eh i g hv i s c o s i t yg e a rp u m pi s s y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c h e d ；a c c o r d i n gt ot h et e s td a t a , t h es e r i a lt y p e so ft h et g c t y p eh i g hv i s c o s i t yg e a rp u m pa r ec o n s t i t u t e d ；t h et y p e - c h o i c es o f t w a r ea n d d e s i g ns o f t w a r eo ft h et g ct y p eh i g hv i s c o s i t yg e a rp u m pa r em a d ei nv i s u a l b a s i c - l a n g u a g e t h em a i nr e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t a k et h et g c 2 8 0 0 t y p eh i g hv i s c o s i t yg e a rp u m p f o rp r o t o t y p e ，f i r s t l y , t h e c o n v e y a n c em e d i u mi sd i v i d e di n t of i v ed i f f e r e n tv i s c o s i t ys e g m e n t sa c c o r d i n gt o d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s e c o n d l y , c h a r a c t e r i s t i co ft h et g c 2 8 0 0i st e s t e d a tl a s t ，t h e i n p u ts h a f tp o w e r 、t h ec a p a c i t y 、t h ee x h a u s tp r e s s u r ea n dt h er o t a t es p e e da r e r e o d r d e d 2 b a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i s t h et e s td a t aa r ef i t t e dw i t ht h eh e l po fo r i g i n 7 o i n p u ts h a f tp o w e rf o r m u l a 、r a t e dc a p a c i t yf o r m u l a 、v o l u m e t r i ce f f i c i e n c yf o r m u l a 、 m 郑州机械研究所硕士学位论文 m e c h a n i c a le f f i c i e n c yf o r m u l a 、m a x i m a lr e v o l u t i o nf o r m u l aa n dm a x i m a la d d e n d u m c i r c l es p e e df o r m u l ao ft h et g c t y p eh i g hv i s c o s i t yg e a rp u m pa r ef i t t e di nt h e d i f f e r e n tv i s c o s i t ys e g m e n t i na d d i t i o n , t h em i n i m a lr e v o l u t i o nf o r m u l aa n dm i n i m a l a d d e n d u mc i r c l es p e e df o r m u l ai nv i s c o s i t ys e g m e n to f2 7 6 4 m m 2 s 7 5 1 5 m m 2 1 sa n d 1 0 9 1m m 2 s - 2 7 6 4r a m a r ef i t t e d b a s e do na n a l y s i sa b o u tt h em e d i u mi nt h e p a s s - i n a n d - o u tf i l l e ro ft h eh i i g hv i s c o s i t yg e a rp u m p ，a n dr e f e r e n c et ot h em e a s u r e d d a t a , t h ed e s i g na n dc a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft h ec a l i b e ro ft h ep a s s i n - a n d o u tf i l l e ra r e r e a s o n e d 3 t a k et h em e a s u r e dd a t ao ft h et y 2 0 1 bt y p eh i g hv i s c o s i t yg e a rp u m pa s c a l c u l a t i n ge x a m p l e ，i ti sp r o v e dt h a tt h ei n p u ts h a f tp o w e rf o r m u l a 、t h er a t e d c a p a c i t yf o r m u l a 、t h ev o l u m e t r i ce f f i c i e n c yf o r m u l a , f i t t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n , h a v e t h ec e r t a i nr e p r e s e n t a t i v e 4 t h es e r i a lt y p e so ft h et g ct y p ch i g l lv i s c o s i t yg e a rp u m pa r ec o n s t i t u t e d b a s e do nc h a r a c t e r i s t i ct e s to ft g c 2 8 0 0 t h e s ew i l lm a k eh e l p f u lr e f e r e n c et ot h e d e s i g no ft h eh i g hv i s c o s i t yg e a rp u m pi nt h ef u t u r e 5 t h et y p e - c h o i c es o f t w a r ea n dd e s i g ns o f t w a r eo ft h et g ct y p eh i g h v i s c o s i t yg e a rp u m pa r em a d e i nv i s u a lb a s i c - l a n g u a g e i ns h o r t , i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h et o t a lc l u e so ft h er e s e a r c ho ft h eh i 【g h v i s c o s i t yg e a rp u m pa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ：t h ec h a r a c t e r i s t i ct e s to ft g c 2 8 0 0 d p ch i g hv i s c o s i t yg e a rp u m p b a s i ct h e o r e t i c a lr e s e a r c h + f i t t i n g t h ed e s i g na n dc a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft h eh i g hv i s c o s i t yg e a rp u m p c o n s t i t u t i n g t h es e r i a lt y p e so ft h et y p eh i g hv i s c o s i t yg e a rp u m p m a k i n gt h et y p e c h o i c e s o f t w a r ea n dd e s i g ns o f t w a r eo ft h et y p eh i g hv i s c o s i t yg e a rp u m p ， k e yw o r d s ：h i 曲v i s c o s i t yg e a rp u m p t e s tm e t h o d i n p u ts h a f tp o w e r r a t e d c a p a c i t y r a t e dp r e s s u r ev o l u m e t r i ce f f i c i e n c ym e c h a n i c a l e f f i c i e n c y m e d i u m v i s c o s i t y s e r i a lt y p e s 郑州机械研究所硕十学位论文 d i s s e r t a t i o nt y p e ：a p p l i c a t i o nf u n d a m e n t a l s t h i sd i s s e r t a t i o ni ss u p p o r t e db yt h es p e c i a lp l a no fs c i e n t i f i ca c a d e m eo ft h e m i n i s t r yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h i n a “s t u d yo nt h ek e yt e c h n o l o g yo ft h e h i 曲p a r a m e t e rg e a rlu m p f o rp o l y m e r ( t h ei t e mn u m b e ri sn c s t e - - 2 0 0 1 - - j k z x 0 9 6 、 v 郑州机械研究所硕士学位论文 z 。主动泵齿轮的齿数 口泵齿轮齿宽，啪 符号清单 z ： 泵齿轮齿数之和 a泵齿轮分度圆压力角，。 口。： 啮合泵齿轮问的啮合角，。 妇齿顶高系数 z 。泵齿轮不产生根切的最少齿数 茗。泵齿轮最小变位系数 屯 泵齿轮径向间隙，m m z 。泵齿轮与泵壳体接触的齿数 口高粘度齿轮泵的转排量，m l r d 。 泵齿轮基圆直径，脚 日， 泵齿轮节圆半径与齿根圆半径之差 爿泵齿轮副的实际中心距，m m c 卸荷槽的最佳长度，嘞 2 实际啮合线长度，咖 卸荷槽深度，哪 圆形卸荷槽中心与齿轮中心连线的距离 矿粘性流体在管道内的平均流速 f卤轮泵进、出油口面积，咖2 k 修正系数 p 。粘性摩擦功率，k w r高粘度齿轮泵所需要的输入扭矩 i x m 泵齿轮的模数 黾泵齿轮变位系数之和 p 高粘度齿轮泵的出口压力，m p a 只 泵齿轮齿顶圆弧齿厚，姗 球 高粘度介质的动力粘度，c p y 泵齿轮齿项圆圆周速度，m s 七排量补偿系数 d ，泵齿轮齿根圆直径，脚 ，泵齿轮基节，砌 4 两卸荷槽的间距。哪 c o 卸荷槽的最小长度，m m d 分度圆直径，m d 。圆形卸荷槽的最佳直径，咖 n 高粘度齿轮泵转速，r m i n j 管道下临界雷诺数 尺 齿轮泵进出油口半径，咖 p o 机械摩擦功率，k w n 液压功率。k w 瓦克服机械摩擦所需要的力 郑州机械研究所硕士学位论文 正液体粘性摩擦力矩 蜀修正系数 a p 齿轮泵进出口压力差，m p a q 。 高粘度齿轮泵的理论流量 符号清单 乃克服液压功所需要的力矩 j r ( 2 修正系数 q高粘度齿轮泵的实际流量 q 高粘度齿轮泵总泄漏量 p 高粘度齿轮泵所需的输入轴功率 见泵齿轮齿顶圆直径，咖 齿轮泵轴向最佳h j 隙 疋齿轮泵径向最佳间隙 6 。 齿轮泵轴向间隙 口： 齿轮泵径向间隙泄漏量 见泵齿轮齿项圆半径，舢 齿顶相对运动速度，m s 屯齿轮泵的啮合间隙 珈。高枯度齿轮泵空载容积效率 p 齿轮泵出口压力 只。齿轮端面与输送介质的粘性摩擦损失 只：齿顶与输送介质的粘性摩擦损失功率 足齿轮轴半径 a 。只，从齿轮轴到齿根圆的粘性摩擦损失 钆只。从齿根圆到齿顶圆的粘性摩擦损失 n 自 高粘度齿轮泵最低转速，r r a i n p 孟泵齿轮最低齿顶圆周速度，m s ， 介质运动粘度，蛐2 s x 碍。齿轮泵轴向间隙泄漏量 卢 泄漏所占圆周角，。 r ， 泵齿轮齿根圆半径，哪 鼋3泵齿轮啮合问隙泄漏量 a 修正系数 钆容积效率 4 泵齿轮齿顶摩擦面积 爿：齿轮端面上的微小圆环面积 矿微小圆环面积上的线速度 矿泵齿轮齿顶圆周速度 j d ：高粘度齿轮泵齿轮轴直径 高粘度齿轮泵的机械效率 雄。高粘度齿轮泵最高转速，r r a i n 泵齿轮最高齿顶圆周速度，m s 4泵齿轮副实际中心距，啪 郑州机械研究所硕士学付论文 符号清单 亭泵齿轮副中心距分离系数 d i 泵齿轮实际节圆直径，咖 工 泵齿轮变位系数，n l l n p 泵齿轮齿顶缩短系数 吃 h ， 泵齿轮齿根高，i l l m | i l d 吼 齿顶圆压力角，。 s 七 泵齿轮跨齿数如 口。中圆( 即齿高中部的圆) 压力角，。 形 泵齿轮齿形曲率半径，l i i i l l 泵齿轮齿顶岛，1 1 1 1 1 1 泵齿轮全齿高。n l l n 分度圆弧齿厚，i m 中圆半径。m 泵齿轮公法线长度，n l m 郑州机械研究所硕士学位论文 。插图清单 图l l 高粘度齿轮泵的工作原理i 图2 1t g c 2 8 0 0 外啮合高粘度齿轮泵基本结构9 图2 2t g c 2 8 0 0 试验模拟性能曲线9 图2 3t g c 2 8 0 0 高粘度齿轮泵试验系统图1 2 图2 4 高粘度齿轮泵试验现场1 2 图3 1 对称双矩形卸荷槽1 9 图3 2 对称双矩形卸荷槽和对称双矩形卸荷槽的关系：2 0 图3 3 管道内流体的力的平衡2 2 图4 1 不同粘度段内。t g c 2 8 0 0 输入轴功率、压力、粘度关系曲线图2 7 图4 2 空载容积效率与粘度、转速的关系3 6 图4 32 5 0 0 6 0 0 0 c p 粘度段，容积效率与额定压力的关系3 7 图4 46 0 0 0 1 5 0 0 0 c p 粘度段，容积效率与额定压力的关系3 8 图4 51 5 0 0 0 5 3 5 2 0 c p 粘度段，容积效率与额定压力的关系3 9 图4 6 齿轮端面上微小圆环的面积4 1 圈4 7 泵齿轮最低转速与输送介质粘度的关系4 4 图4 8 泵齿轮最低齿顶圆周速度与介质粘度的关系4 4 图4 9 泵齿轮最高转速与介质粘度的关系4 5 图4 一l o 泵齿轮最高齿顶圆周速度与介质粘度的关系4 5 图5 1 齿顶圆压力角与其它参数的几何关系5 2 图5 2 高粘度齿轮泵泵齿轮模数计算程序5 6 图5 3 采用“增一齿法”进行泵齿轮基本参数计算5 7 图5 4 高粘度齿轮泵理论流量计算程序5 8 图5 5 高粘度齿轮泵额定流量计算程序5 8 图5 6 高粘度齿轮泵机械效率计算程序5 9 图5 7 高粘度齿轮泵容积效率计算程序5 9 图5 8 高粘度齿轮泵输入轴功率计算程序6 0 图6 一l 单机封高粘度齿轮泵6 2 图6 2 四机封高粘度齿轮泵6 2 i 郑州机械研究所硕七学付论文 图6 3 填料密封高粘度齿轮泵6 3 图6 - - 4t g c 型高牯度齿轮泵选型系统6 6 郑州机械研究所硕士学位论文 表格清单 表2 一lt g c 2 8 0 0 高粘度齿轮泵基本参数表8 表2 2 基础油运动粘度与温度对照表1 0 表2 3t g c 2 8 0 0 高粘度齿轮泵性能试验参数( 部分) 1 3 表3 1 高粘度泵齿轮推荐用变位系数1 6 表3 2 泵齿轮模数与卸荷槽深度对照表2 0 表3 3 高粘度齿轮泵粘度、介质流速、雷诺数对照表2 3 表3 4 高粘度齿轮泵进出油口径计算值与测绘值对照表2 4 表4 1 不同转速、粘度段下的输入轴功率( 压力：o m p a ) 2 9 表4 2 输入轴功率数学模型系数取值对照表2 9 表4 3t y 2 0 1 b 高粘度齿轮泵基本设计参数3 0 表4 4 运用数学模型计算输入轴功率与实测输入轴功率对照表3 0 表4 5 高粘度齿轮泵轴向间隙推荐值3 4 表4 6 不同粘度段的修正系数a 3 4 表4 7t y 2 0 1 b 高秸度齿轮泵实际流量测量值与计算值对照表3 4 表4 8t y 2 0 1 b 高粘度齿轮泵容积效率测量值与计算值对照表4 0 表5 1 高粘度齿轮泵常用压力系列推荐表4 7 表6 1t g c 型高粘度齿轮泵泵用材料6 3 表6 2t g c 型高粘度齿轮泵密封形式6 3 表6 3 t g c 型高粘度齿轮泵容积效率、机械效率推荐表6 4 表6 4 t g c 型高粘度齿轮泵装置外形、安装尺寸6 4 表6 - - 5 高粘度齿轮泵功率裕量系数s ：6 5 x l v 独创性声明 本人声明所承交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑丛! 扭撼盟窒压 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑：! ! 扭越婴究匮有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权塑划扭撼婴宜压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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 学位论文作者签名：凋b 通东 导师签名 签字日期2 0 0 6 年 月2 8 日 签字日期：绷i 年t 月积日 郑州机械研究所硕十学伊论文 第一章绪论 1 1 高粘度齿轮泵简介 在聚合物生产中，高粘度齿轮泵是增压输送高温高粘度液体的关键设备。其 性能的好坏直接影响到整条生产线的运行一台完整的高粘度齿轮泵装置包括电 机、减速器、联轴器和高粘度齿轮泵等部分。高粘度齿轮泵主要有泵体、主动齿 轮、从动齿轮、轴承、前后端盖、密封、底扳组成。高粘度齿轮泵的滑动轴承上 开设有润滑槽，利用高粘度液体的自润滑作用，使滑动轴承在高温高压下工作具 有良好的耐磨性。 现在，以外啮合渐开线直齿圆柱高粘度齿轮泵为例介绍一下其工作原理【1 1 。 如图卜l 所示。泵体中有一对外啮合齿轮副，由主动泵齿轮带动从动泵齿轮旋转。 泵齿轮与泵体、泵齿轮与泵齿轮之间留有较 小的间隙。当齿轮沿图示箭头所指的方向旋 转时，在轮齿逐渐脱离啮合的左侧吸液腔中， 齿间密闭容积增大，形成局部真空，液体在 压差作用下进入吸液室，随着齿轮旋转，高 粘度液体分两路经泵齿轮与泵体之间的容腔 被泵送到右侧排液腔，在排液腔中两齿轮逐渐 图l l 高粘度齿轮泵的工作原理 啮合容积减小，齿轮问的高粘度液体被挤到排液口各种类型的高粘度齿轮泵其 在结构上存在着差异，但是其工作原理是相通的，都是依靠泵齿轮相互啮合所引 起的工作容积变化来输送液体。高粘度齿轮泵主要用于高粘度液体的输送和增 压。具有结构紧凑、运转可靠，容积效率高、输送介质粘度范围宽等优点。高粘 度齿轮泵作为石化和纺织行业生产线上的关键设备，无故障、稳定长周期运转对 整个生产线的连续稳定，提高生产效率和经济效益具有重要意义。 1 2 国内外高粘度齿轮泵研究现状 因为高粘度齿轮泵输送介质粘度较高，所以在输送过程中液体内枯性摩擦较 为严重。因此必须保证高粘度齿轮泵的磨损性零件应保持较高的硬度和耐磨性， 其次，还必须保证其密封安全可靠。 高粘度齿轮泵齿轮常见的有直齿轮、斜齿轮、人字齿轮三种。直齿轮加工方 郑州机械研究所硕士学位论文 便，成本低，后几种齿形的高粘度齿轮泵的输出压力及流量脉动较小，运转平稳 性较好，但制造加工较为困难。高枯度齿轮泵用来输送高祜度液体，其工作压力 通常为1 o 1 0 m p a ，广泛应用于石化，纺织、食品、涂料等行业。从普通的液压 齿轮泵到高粘度齿轮泵，其设计制造难度足随着工作条件的苛刻程度而不断升 级。这体现在以下几个方面：齿轮转子啮合型面的设计分析；高牯度介质条件下 齿轮转子的力学分析：齿轮转子参数的优化设计；泵体结构、滑动轴承、润滑、 密封以及驱动装置的设计：加工技术以及高粘度齿轮泵的综合性能试验等。 1 2 1 国外高粘度齿轮泵现状 国外对高粘度齿轮泵进行了大量的研究开发工作。美国、瑞士、德国以及日 本等国家部先后开发出了各自的系列产品，特种齿形高粘度齿轮泵以美国 v i k i n g 内啮合齿轮泵和日本大晃株式会社的外啮合齿轮泵较为著名。高参数的 聚合物输送用齿轮泵则以美国的聚合物设备公司( p o l l l m e re q u i p m e n tc o ) 和 瑞士玛格公司( m a a g ) 的不带同步齿轮的产品居国际领先水平，前者采用的是整 体型无空刀槽人字齿轮，后者采用的是单斜齿。美国聚合物设备公司的产品排量 可达5 6 0 0 i n i r ，输送介质祜度可达2 x1 0 6 m m y s ，工作温度可达2 3 8 。c ，出口压力可 达4 2 m p a 。值得一提的是，国外根据理论分析及大量的试验，对设备在各种不 同工况下的运行性能进行了系统的研究，为高粘度齿轮泵的设计及选型提供了可 靠的依据。目前，在我国销售的高粘度齿轮泵主要为瑞士m a a g ，日本岛津和大晃， 德国b a r m a g 等公司所生产。其中m a a g 公司主要生产高粘度齿轮泵和熔体过滤器。 其产品规格齐全，技术力量雄厚，为市场上的领导者。其高粘度出轮泵的最大流 量能够达至41 1 4 t h 。岛津主要从事化工测试仪器分析、医疗设备、环保设备的 研制，高粘度齿轮泵只是其机械产品部下面的一个分支。b a r m a g 主要从事纺织、 设备的研制。总体来说，瑞士m a a g 泵体积小巧，工作效率高、能耗小；日本岛 津泵、大晃泵相对来说体积较大；德国b a r m a g 泵则介于它们之日j 。 1 2 2 国内高粘度齿轮泵现状 许多年来，国内的专家、学者侧重于液压齿轮泵的研究，对其做了大量的研 究工作【2 3 2 1 ，而对高粘度齿轮泵的研究却显得不够，这造成了目前石化、纺织等 行业关键设备上的高粘度齿轮泵很大程度依赖进口的严重局面。但这已经引起了 国内有关专家、学者的重视。这些专家、学者已对高粘度齿轮泵展开各项研究并 2 郑州机械研究所硕士学倚论文 已取得了一定的研究成果陈琪【蚓为了配合高性能、高枯度齿轮泵的开发，根 据高粘度齿轮泵的工作条件、应用场合和加工条件，构建了一个多目杯的优化设 计数学模型，并采用约束变尺寸法进行优化计算。计算结果表明，采用此种优化 设计数学模型得到的优化结果与高粘度齿轮泵的实际参数基本吻合。王宏建嘲 分析了高粘度齿轮泵的结构特点，总结了高粘度齿轮泵齿轮的几何尺寸计算方法 以及高粘度齿轮泵的关键制造技术。马永其【划分析了高粘度外啮合齿轮泵的结 构及特性，找出了一种有效的性能分析理论，从而为研究、开发、设计、制造高 粘度齿轮泵提供了参考。祝海林【3 7 1 分析了目前我国石化行业用于输送高枯度液 体的国外进口高粘度齿轮泵的结构和性能特点，从多个方面指出了高粘度齿轮泵 的发展方向，为研究开发适合我国石化生产条件的高粘度齿轮泵，提高现有高粘 度齿轮泵的性能和寿命提供了参考。孟继安【3 8 】在对高粘度齿轮泵进行性能试验 的基础上，建立了计算内啮合高粘度齿轮泵的极限转速、功率、效率等的经验公 式，为高粘度内啮合齿轮泵的设计制造提供了一定的参考依据。祝海林1 3 9 l 对高 粘度齿轮泵的故障类型、故障成因以及对故障的预防对策进行了深入的理论分析 及探讨，为高粘度齿轮泵的性能、使用寿命与经济效益提供了参考。此外，祝海 林【加】针对现有高粘度齿轮泵结构单一、径向力不平衡、轴承受力大造成磨损严 重、流量及压力脉动大等问题，综合行星传动及齿轮泵原理，提出了将外啮合与 内啮合两种结构相结合，构成高粘度复合齿轮泵的设想，并且提出了此种齿轮泵 理论排量的计算公式。研究表明这种齿轮泵的高低压腔对称，泵齿轮与轴受力平 衡，具有内泄漏小、轴承及泵的寿命长、输出排量成倍增加等优点，其产业化前 景良好。甘学辉【4 卜4 2 1 提出了全齿廓啮合齿轮泵，大幅提高了啮合副的密封性能， 避免了齿轮接触时齿问封闭空间的形成，达到自清根的目的，从而满足齿轮泵输 送高粘度聚合物的需要。李福勇【4 3 i 提出了聚合物输送用高参数齿轮泵的设计程 序，关键参数的设计计算方法，以及结构设计的关键技术。郑州机械研究所m l 研究开发出了p 型特殊齿形外啮合高粘度齿轮泵。此种高粘度齿轮泵的特点是： 输送介质粘度高，粘度范围大；正常工作时，泵齿轮齿面不接触，传动是通过同 步齿轮啮合来实现的；泵齿轮为特殊齿形，模数大、齿数少、螺旋角大，呈“人 字”形御置，设计研制难度大。该泵属于大型齿轮泵，采用机械密封，密封性好， 单转排量大该齿轮泵研制的难点是齿形设计难度大，其特殊齿形设计既要解决 3 郑州机械研究所硕七学位论文 少齿数齿轮的干涉问题，又要保证齿轮泵的单转排量尽可能大；其次，刀具设计 制造及泵齿轮制造难度丈，对于大模数、少齿数、大螺旋角泵齿轮的刀具不易i 殳 计和制造出来，对加工机床有特殊要求，并要求采用合理的加工工艺，其泵壳体 上下孔位同轴度及平行度要求高，因此镗孔加工难度相当大，另外齿轮泵装配调 整也是难点之一。郑州机械研究所在研制成功p 6 0 6 和p 4 0 2 组合曲线高粘度齿轮 泵的基础上，又研制了修正渐开线高粘度齿轮泵，使齿轮泵的性能更优，工艺性 更好，价格更低。在齿轮泵的研制过程中，课题组还把泵齿轮由软齿面改为硬齿 面( 氮化) ，使泵齿轮的抗介质腐蚀及抗磨损能力大大提高，延长了齿轮泵的使 用寿命，郑州机械研究所研制开发的高粘度齿轮泵结构合理、紧凑，单转排量大， 效率高，寿命长，可以传输粘度值为数百厘泊至二十万厘泊的各种商粘度介质， 应用范围广，综合性能好。郑州机械研究所研究开发的高粘度齿轮泵经上海石化 股份有限公司维纶厂和四川维尼纶厂工业应用考核，运行平稳可靠，温升低，性 能指标均为国外进口同类产品水平，满足生产要求。郑州机械研究所研制的高粘 度齿轮泵填补了国内该类大型高粘度齿轮泵的空白，经济效益和社会效益显著， 技术水平达到了国际同类产品先进水平。 1 3 高粘度齿轮泵的发展趋势p 7 1 石油和化工行业用泵市场分析表明，石油和化工行业对高粘度齿轮泵的需求 将有较大幅度的增长，特别是对新型大流量、长距离稠油输送泵的需求将激增。 根据目前国内外高粘度齿轮泵的使用情况看，今后高粘度齿轮泵的研发主要应向 着以下几个方向发展： ( 1 ) 提高高粘度齿轮泵可靠性与使用寿命，展开对轴、轴承和泵齿轮材料 性能及热处理技术研究，在结构设计，制造和试验等诸多方面建立完善的检测与 质量保证体系。根据材料的热胀冷缩特点，合理设计保温和冷却系统，对输送流 体的温度实现最佳控制，同时加强泄漏与噪声控制。 ( 2 ) 研制圆弧齿廓泵齿轮的高粘度齿轮泵。工业生产中广泛使用的渐丌线 齿轮传动，虽然具有易于加工及传动可分性等优点，但也存在载荷沿齿宽分布不 均匀、啮合损失较大，耐磨性能差等缺点。为此，人们在探索新的啮合原理及新 型齿轮传动等方面进行了大霞的研究，圆弧点啮合齿轮传动就是其中成功的例 子。相互啮合的一对圆弧齿轮的端面齿廓或法面齿廓，其齿顶均为凸圆弧，齿根 4 郑州机械研究所硕士学劈论史 均为凹圆弧。两轮啮合时，每对齿均有两个啮合点，一个啮合点在凶顶，另一个 啮合点在齿根，这两个啮合点在不同的端截面上。互相啮合的一对圆弧齿轮具有 相同的齿廓，可用一把刀具来加工与渐歼线齿形的高粘度齿轮泵相比，圆弧齿 廓的齿轮泵具有齿数少( 齿数可以少到6 8 ) 、体积小、无根切干涉、齿轮磨损 小、效率高和寿命长等优点，披认为是最佳齿形。由于圆弧齿形具有一点连续啮 合的特点，所以不会出现困油现象。这种齿轮泵的流量脉动和压力脉动非常小， 振动与噪声也很低，对介质污染的敏感性比渐开线齿轮泵小的多，作为低压泵输 送高粘度介质非常合适。 ( 3 ) 采用行星齿轮结构平衡径向力。运用齿轮“轮系”的知识，结合齿轮 泵的工作原理，可以采用：一个太阳轮( 主动轮) 、2 6 个行星轮( 从动齿轮) 、 一个内齿轮( 从动齿轮) 来构思径向力平衡式齿轮泵。太阳轮与每个行星轮构成 外啮合齿轮泵，内齿轮与每个行星轮则构成内啮合齿轮泵，一台多齿轮式齿轮泵 的排量相当于两齿轮式外啮合齿轮泵排量的4 1 2 倍。这种新型齿轮泵的输出流 量脉动较小，多路排量即可分流输出，也可合流输出，适于高粘度液体介质的快 速、大量输送。在泵的壳体或前后端盖上开设相应的几个进油口与排油口，分别 与吸油管及排油管相连接。各吸、排油口相对于每个齿轮( 太阳轮、行星轮及内 齿轮) 对称布置，行星轮相对于太阳轮及内齿轮也均匀分布，使液压力及啮合力 分别达到平衡，从而减少了泵轴、轴承的载荷，提高了齿轮泵的寿命。 ( 4 ) 采用轴向排油来减小轴承所受的径向力。受结构的限制，齿轮泵只能 采用径向尺寸较小的滑动轴承。齿轮泵工作过程中，出口压力作用在齿顶面上， 将齿轮向吸油口方向推，引起齿轮轴变形，并使轴承受到很大的径向力。若在轮 齿啮合处的轴向两侧布置排油口，则齿顶面可不受出口压力的作用，轴承上的载 荷大大减小。而轴承载荷减小3 0 时，其寿命可延长近3 倍。 ( 5 ) 研制多齿差内啮合摆线齿轮泵。通常摆线转子泵的内外转子齿数只差l 齿。近年来，国外出现了一种新型摆线转子泵多齿差内啮合摆线齿轮泵，其 内转子为摆线齿轮，外转子为圆弧齿轮，内外转子的齿数差为2 或3 。这种泵在 结构及性能上兼有渐歼线内啮合齿轮泵与一齿差摆线转子泵的双重优点，在相同 体积下的输出流量比其它齿形的齿轮泵流量大得多，适用于石油化工等行业高粘 度介质的输送。 5 郑州机械研究所硕十学位论文 6 ) 开发挠性轴承、磁性轴承的齿轮泵。一般的齿轮泵部采用刚性支撑，齿 轮在压力油的作用下产生的挠性变形使得轴颈与轴承不能均匀接触，导致轴承的 局部压力增加，载荷集中于轴承端，并在该处产生局部磨损、发热，造成轴承烧 伤或与轴颈咬死。为了防止这种现象的发生，除了尽可能减小轴的挠度外，可把 轴套孔做成锥形孔( 锥度大小根据齿轮轴的挠度并通过试验来确定) ，这样，当 泵在高压下工作时，轴套孔支撑面可顺应齿轮轴的挠瞌变形，使载荷均匀分布。 另外，挠性轴承的支座只有一部分与泵体相连接，通过正确的设计，可以保证在 各种压力下，挠性轴承能顺应齿轮轴的变形而变形，从i 面使轴颈与轴承始终均匀 配合，不会发生一端局部接触的现象。除了改变轴承的形状、优化其设计参数或 采用减摩材料等手段，运用磁学原理，用磁性材料来制造轴颈和轴瓦，是提高轴 承使用寿命的创新思路。由于轴颈与轴瓦具有相同的磁性，同性相斥，两者便互 不接触而呈悬浮状态，在旋转过程中摩擦阻力很小。因此，大力开发磁性轴承的 高粘度卤轮泵，必将使齿轮泵获得较高的商业价值。 1 4 论文研究的背景和意义 高粘度齿轮泵主要用于输送化工流程中的粘流态的介质。目前，我国石化、 纺织等行业的大部分大型企业的生产设备多为全套进口，或大部分进口。如我国 的石化行业从国外引进的大批成套技术装备上就配套引进了许多输送高粘度介 质用的齿轮泵。这些泵大多是成套装置的心脏设备，高粘度齿轮泵若出现故障， 往往会直接影响到整套装置的安全运行。经调查，石化和纺织行业，每年需要上 百台大功率、大流量的高粘度齿轮泵，而我国的齿轮泵生产企业大多数只能生产 技术含量较低的齿轮油泵，国内用于输送高粘度介质的齿轮泵基本上都依赖进 口。进口一台高粘度齿轮泵至少也要数万元，中型的需要数十万元，大型的需要 上百万元，甚至数百万元。以此计算，石化和纺织行业每年在引进高枯度齿轮泵 一项上就要花费大量的外汇迄今为止，国内对高粘度齿轮泵还缺乏系统的基础 性研究，产品开发基本上还处于起步状态，国内对高牯度齿轮泵设计尚未有十分 成熟的理论，由于国外对知识产权的保护，至今尚末找到关于高桔度齿轮泵设计 的现成的资料。郑州机械研究所从上世纪八十年代中期，从最初的国产化研制入 手，开始研制高粘度齿轮泵，经过“七五”、“八五”、。十五”科技攻关，积累了 许多宝贵的经验。郑州机械研究所在不断的研究、试制、试验反复循环的基础上， 6 郑州机械研究所硕士学位论史 研制成功了t g c 型高粘度齿轮泵。本论文拟建立t g c 型高粘度齿轮泵的系列型谱， 正是在以上背景下提出的通过建立全面完善的t g c 型高粘度齿轮泵的系列型 谱，形成一定的产业规模，可以扭转我国石化和纺织行业高粘度齿轮泵长期依赖 进口的被动局面，促进我国的大型石油化工成套装备尽快赶上国际先进水平另 外，还可以促进对特种齿轮泵设计制造技术的研究，促进泵行业的产品结构调整， 推动我国泵行业的技术进步及科技产业的发展。 1 5 论文的主要研究内容 郑州机械研究所多年来一直致力于高粘度齿轮泵的研究和开发工作，申请承 担了科学技术部科研院所技术开发研究专项资金项目“聚合物输送用商参数齿轮 泵关键技术研究”( 项目编号：n c s t e 一2 0 0 卜j k z x 0 9 6 ) 。本文的工作以此项目的 高粘度齿轮泵系列化i 殳计部分为依托进行研究。 本文的目的是完成t g c 型高粘度齿轮泵系列型谱，为开拓市场、尽快实现产 业化规模做好前期准备，本文主要做了以下工作。 ( 1 ) 本文以t g c 2 8 0 0