双模数齿形齿轮泵流场仿真分析

双模数齿形齿轮泵流场仿真分析

普通齿轮泵的产量相对较小，这限制了齿轮泵的使用。虽然形状齿轮泵的产量增加了，但齿轮的加工难度增加，限制了其的普及和使用。在制造普通渐开线齿轮泵时，提高齿轮泵的产量，具有极其重要的实际意义。1齿轮泵规格及使用量本文中,齿轮泵的主、从动齿轮分别设计为具有2种不同模数,如图1所示.大齿的模数为4mm,理论齿轮为16个,实际齿数为4个,均匀分布;小齿轮的模数为2mm,理论齿数为32个,实际齿数为24个,均匀分布;大小齿轮的分度圆直径相等,为64mm,齿轮宽度为40mm.根据齿轮泵的排量计算公式可得相同体积下不同形式齿轮泵排量.小齿啮合时齿轮泵排量:pS=2πz1m2B=32153mm3.(1)大齿啮合时齿轮泵排量:pM=2πz2M2B=64307mm3.(2)双模齿轮啮合齿轮泵排量:pD=2πB[mz1+h*a(M-m)-c*m][h*a(M+m)+c*m]=106948mm3,(3)式中:z1——小齿轮的理论齿数,32;z2——大齿轮的理论齿数,16;m——小齿轮的模数,2mm;M——大齿轮的模数,4mm;B——齿轮的宽度,40mm;ha*——齿顶高系数,1;c*——顶隙系数,0.25.2齿轮泵的可视化模拟配置2.1齿轮泵的流场仿真由于双模齿轮泵实体模型过于复杂,用Fluent动网格做三维流场对计算机的要求非常高,并且由于外啮合齿轮泵的内部流场关于平面对称,故本文只对齿轮泵的二维模型进行流场仿真,利用在Proe建立的齿轮啮合模型,将其转化为dwg格式的二维工程图修改后,保存为SAT格式的图形文件.将此图形文件导入Flunet的前处理软件gambit,如图2所示,上端为新型齿轮泵入口,下端为新型齿轮泵出口,然后在gambit中添加流场区域,划分网格.2.2角形网格单元初始的网格由GAMBIT程序来生成,采用非结构化的三角形网格单元,将几何模型划分为136874个三角形网格单元.网格分布示意图如图2所示.在GAMBIT程序中设置进出油口为压力边界条件(PRESSURE_INLET和PRESSURE_OUTLET),将齿轮的壁面齿廓设置为壁面边界(wall),为设置动边界奠定条件.2.3非耦合耦合收敛解针对齿轮泵的简化模型,选用二维双精度求解器,以提高求解的精度;根据转速的设置,采用非耦合隐式求解,且为非定常流动,可较快地得到收敛解;求解方程采用k-epsilon[2eqn]方程.2.4边界条件ft3welle的约束条件即梯度曲线在启动动网格模型之前,首先要定义齿轮运动的边界型函数,对齿轮泵的齿轮转动的程序如下:左边齿轮的边界型函数为:((left3point)(time0160)(omega_z151.77151.77151.77))右边齿轮的边界型函数为:((right3point)(time0160)(omega_z-151.77-151.77-151.77))从程序中可以看出将主动轮和从动轮的转速都设置成1450r/min,在进行设置时方向一定要相反.2.5齿轮转动网格的设置通过在GAMBIT中设置的齿廓边界,应用程序在Fluent中将各齿轮的齿廓设置成动网格,设置动网格后对边界运动进行预览,可得到在不同时刻的网格图,如图3和图4所示,分别为齿轮转动0.1s和0.3s的网格图.3齿轮与泵体的区域压力分布通过以上的设置,采用有限体积法求解,压力项用PRESTO格式离散,扩散项用中心差分格式离散,其余项用一阶迎风格式离散,压力速度耦合采用标准算法求解.为了深入分析该齿轮泵简化模型的瞬态流动状况,创建了压力与速度的动画,并进行了压力变化的动画演示.下面对泵内压力分布和速度分布进行分析.从图5(a)可知,当齿轮泵仿真时刻t=0.002s(齿轮啮合0.5转)时,齿轮泵属于启动阶段,泵内的油压被分为4个区域:最低压力产生在齿轮由啮合到分离处和吸油区,为5MPa左右,其次为靠近吸油区2个大齿与泵体之间的区域,为6MPa左右,其中右侧主动轮轮齿包含区域的油压要比从动轮稍大些;第2,3个大齿与泵体包含的区域压力在11～12MPa之间,在靠近出油区的压力值要小一些;最大压力产生在齿轮即将进入啮合和出口处,最大值为18MPa;在齿轮之间的困油区压力为12MPa左右.由图5(b)可知,仿真时间t=0.3s(齿轮啮合7转,齿轮泵进入稳定工作状态)时,吸、排油区压力与齿轮泵刚开始工作时基本相同,但第2,3个大齿之间的压力明显变小为10MPa左右,第3个大齿两端压力差较大,固齿轮受力较大.从图6(a)可观察出齿轮泵刚开始时泵体内液体的流动情况,其中,小齿齿顶与泵体之间的液体流速(25m/s)要明显大于小齿齿隙间的流速(9m/s),每个大齿齿顶后面的液体流速(90m/s)要明显大于其余区域的液体流速,齿轮泵出油口的液体流速为20m/s.在图6(b)中,稳定工作时泵内液体的流速大小与刚开始工作时区别较大,小齿齿顶与泵体之间的液体流速达到40m/s,小齿齿隙间的流速基本保持不变(9m/s),齿轮泵出油口的液体流速为40m/s.由图7的速度矢量图可知,最大流速发生在齿轮啮合处,这是由于在齿轮啮合处,介质要不断承受前后两对轮齿的挤压、分离,液体容积要在短时间内不断地从大到小交替变化,在一对齿联合挤压作用下速度变化很大,从而向低压区即气蚀区泄漏.在齿轮齿顶与齿顶壁之间的径向间隙处,液体由高压腔流向低压腔,这是径向间隙泄漏,泄漏会导致容积效率降低.除此之外,在入口处有涡流产生,涡流易对齿面产生冲击,会降低齿轮的使用寿命.4仿真结果及分析1)将齿轮泵的主、从动轮设计成双模组合形式,其排量达到同体积大齿啮合的1.6倍和小齿啮合的3.3倍;2)从齿轮泵的液体压力分布仿真图可以得出:相邻大齿与泵体之间将泵内液体分成不同压力区域,每个大齿两侧压力相差较大,故大齿受力较大,小齿两侧压力相同,基本不受力,所以在设计时应对大齿强度给予充分重视