中高压高效率双向齿轮泵的研制

中高压高效率双向齿轮泵的研制

齿轮泵是一种通用的液压泵。由于其结构简单、成本低、体积小、对油环境敏感等优点，已在机械工程和威压系统中得到广泛应用。通常,齿轮泵因受结构限制,只能单向工作。然而随着液压技术的发展,有些机械设备受客观因素的制约,要求齿轮泵能双向工作。液压系统中应用双向齿轮泵,可以不使用换向阀,只需改变泵的转向即可实现执行元件的换向。发达国家对双向齿轮泵的研究由来已久,已有几十年的历史,大量的学者对其进行了研究,包括外啮合双向齿轮泵和内啮合双向齿轮泵,很多公司和个人申请了相关专利[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]。相比之下,我国对双向齿轮泵的研究起步晚,技术落后,尚处于起步阶段,近十年来才有少数学者、企业对其进行了试探性研究[17,18,19,20,21,22]。目前,双向齿轮泵的国内市场多由欧、美、日等发达国家的相关企业把持。国内有几家企业生产双向齿轮泵,但都是引进国外技术,或者是仿制进口产品,并且其工作压力较低,国内至今尚无自主知识产权中高压双向齿轮泵产品面世。因此,研究具有自主知识产权的中高压双向齿轮泵,对我国液压行业具有重要的理论和现实意义。1齿轮泵的工作过程与一般齿轮泵类似双向齿轮泵也是靠齿轮的啮合运动造成吸、压油腔容积周期性变化来完成吸、排油工作的。所不同的是双向齿轮泵具有两个出油口,并且都需要通过单向阀控制其与进油口的通断,以完成吸、排油的转换。图1所示为双向齿轮泵工作原理图,单向阀1处在进油口与出油口A之间,单向阀2处在进油口与出油口B之间,分别控制进油口与出油口A的通断。双向齿轮泵的工作过程如下:(1)当齿轮泵按某方向旋转时,出油口B一侧为吸油腔,该处油液形成一定的负压,单向阀2在大气压作用下打开,进油口与出油口B连通,油液经进油口、单向阀2、出油口B进入吸油腔;出油口A一侧则为压油腔,单向阀1在高压作用下关闭,进油口与出油口A之间的油路被阻断,来自吸油腔的油液从出油口A流出,进入液压执行元件。(2)当齿轮泵按相反方向旋转时,出油口A一侧变为吸油腔,单向阀1在大气压作用下打开,进油口与出油口A连通,油液进入吸油腔;出油口B一侧则变为压油腔,单向阀2在高压作用下关闭,阻断了进油口与出油口B之间的通道,来自吸油腔的油液经出油口B流入执行元件。2中高压高效率双向齿轮泵结构原理前已述及,双向齿轮泵需要两个单向阀控制出油口与进油口的通断才能正常工作,所以该双向齿轮泵具体结构既要考虑补偿轴向间隙和径向间隙的装置,又要将单向阀集成于内,故而该泵比一般的齿轮泵结构要复杂。图2所示为中高压高效率双向齿轮泵结构原理图。齿轮轴6和7的两端分别处于泵体1和盖板4内。浮动侧板3装于泵体内,侧板的轴孔和齿轮轴之间以及泵体的深度和侧板宽度之间都有较大间隙,足以使侧板同时作轴向和径向浮动,这可使轴向间隙和径向间隙同时得到补偿。2.1轴向压紧力及封压力在侧板的外端面上,有一个特殊形状的橡胶密封圈2嵌入相配的凹槽内(见剖面A-A)。该密封圈确定了补偿面积A1和A2,并且A1=A2;引油孔B1将出油口C2处的油液引入并作用在面积A1上,引油孔B2则将出油口C3处的油液引入并作用在面积A2上。假设该泵在某种工作状态下,出油口C2处为吸油腔,出油口C3处为压油腔。此时,面积A1上作用着低压油,面积A2上作用着高压油,由此所产生的液压力将侧板压向齿轮端面,其大小可由下式计算:式中:FB1为轴向间隙液压补偿力;pl为吸油腔低压;齿轮端面的液压力作用在侧板内端面,形成反推力Ff1,其大小可由下式计算:式中:Am1为等效面积;pm1为作用在Am上的平均压力。密封圈2和8所产生的轴向预压紧力Ft1作用在浮动侧板上,使其贴紧齿轮端面以保证密封。为了保证在各种工作压力下,浮动侧板都能自动贴紧齿轮端面,磨损后能自动补偿,所设计的轴向压紧力Fy1(=FB1+Ft1)要大于反推力Ff1。为了保证足够的机械效率,并考虑到侧板与齿轮材料的强度,压紧力不能太大,在此取Fy1=(1～1.2)Ff1。另外,补偿面积形状与大小的设计,还必须保证压紧力与反推力的作用线重合,否则会产生力偶,导致侧板倾斜而增加泄漏。2.2侧板内部径向补偿力假设泵仍在上述状态下工作,即出油口C2处为吸油腔出油口处为压油腔此时吸油压力作用在吸油腔一侧的齿轮圆周和浮动侧板内侧面上(见剖面B-B),压油腔的高压则作用在对应一侧的齿轮圆周和侧板内侧面上,因此而产生的齿轮圆周上的径向液压力为:式中:Am2为吸油腔齿轮圆周上等效面积;Am3为压油腔齿轮圆周上等效面积,并且Am2=Am3。在侧板内侧面上产生的径向液压力为:式中:Am4为吸油腔侧板内侧面等效面积;Am5为压油腔侧板内侧面等效面积,并且Am4=Am5。齿轮圆周上的径向液压力Ff2将齿轮向吸油腔方向压到轴承间隙的极限,侧板内侧面上的径向液压力则把侧板向压油腔推动,由此产生了过大的径向间隙。由密封圈9(10)所限定的补偿面积A3(A4)则起到补偿径向间隙的作用(见向视图E(F)),低压油作用在补偿面积A3,高压油则作用在面积A4,并且A3=A4,由此在侧板上产生的径向补偿力为:补偿面积A3和A4需这样设计:在一定工作压力下,径向补偿力FB2与侧板内侧面上的径向液压力Ff3相平衡,这样可使径向间隙保持最佳值。在泵体底部,吸、压油腔的密封由两个特制的弹性圈5来保证(见剖面C-C)。另外,侧板对齿轮的径向预压紧力由橡胶密封圈9和10产生。内部泄漏的油液通过轴孔,经一泵体上的斜孔进入进油口。同理,当齿轮泵反向旋转工作时,由于该泵对称设计,两种间隙的补偿具有与上面类似的工作原理,在此不再赘述。3高压油及弹簧力的共同作用下关闭,阻断进油口与出油口之间的通道齿轮泵要双向工作,需两个单向阀分别控制两个出油口与进油口的通断。该研究将单向阀集成于泵体内,见图2剖面D-D。假设出油口C2处为吸油腔,出油口C3处为压油腔,单向阀11在高压油及弹簧力的共同作用下关闭,阻断进油口C1与出油口C3之间的通道;吸油腔形成一定的负压,单向阀12在大气压的作用下,克服弹簧力打开,使进油口C1与出油口C2之间的通道畅通,这样双向齿轮泵就可以完成吸、排油工作。同理,当泵反向运转工作时,出油口C3处变为吸油腔,出油口C2处变为压油腔,单向阀12在高压油及弹簧力的共同作用下关闭,阻断进油口C1与出油口C2之间的通道;吸油腔形成一定的负压,单向阀在大气压的作用下克服弹簧力打开使进油口C1与出油口C3之间的通道畅通,双向齿轮泵完成吸、排油工作。4新型双向齿轮泵根据双向齿轮泵的工作原理,并借鉴单向中高压齿轮泵