轉動導桿—齒輪式葉片差速泵驅動系統(tǒng)力學分析及實驗研究

胡 明 袁偉東 陳文華 錢 萍 陳 明 張 堯

1.浙江理工大學機電產(chǎn)品可靠性技術研究浙江省重點實驗室，杭州，310018 2.哈爾濱工業(yè)大學，哈爾濱，150001

0 引言

泵是被廣泛應用的通用機械設備之一，轉子式容積泵則是種類最多的常用泵，但轉子式容積泵存在排量小、壓力脈動較大、徑向力不平衡、易泄漏、磨損快和噪聲較大等關鍵技術難題［1－2］。在容積泵相關的技術發(fā)展過程中，研究者們一直致力于把機構學的研究成果應用于容積泵的創(chuàng)新發(fā)明和性能提高中。轉動導桿—齒輪式葉片差速泵即是一種新型轉子式容積泵，主要由驅動系統(tǒng)、葉輪和泵殼等部分組成。其中，驅動系統(tǒng)為轉動導桿機構與齒輪機構的組合形式，可實現(xiàn)葉輪工作所需的運動規(guī)律；葉輪和泵殼共同形成差速泵的封閉腔，兩葉輪通過不等速轉動實現(xiàn)封閉腔容積的變化以完成排液和吸液。葉片差速泵的兩個吸液腔和兩個排液腔始終對稱，因此高壓液體作用在葉輪上的徑向力始終平衡；泵的內(nèi)殼表面與葉片形狀較其他類型泵簡單，加工制造方便。由于葉片差速泵具有結構緊湊、運轉可靠、容積效率高、排量體積比大、徑向工作載荷可平衡、輸送介質(zhì)黏度范圍寬、加工制造成本低等特點，適用于要求輸出高壓力、大排量的場合，如油田注水、市政領域的樓房供水、供暖及消防設施等。關于葉片差速泵的研究，前期研究者主要進行了構型的綜合設計與相關技術分析［3］。本文在此基礎上進行轉動導桿—齒輪式葉片差速泵驅動系統(tǒng)的工作原理分析、結構設計、力學特性分析及實驗研究。

1 轉動導桿—齒輪式葉片差速泵驅動原理

轉動導桿—齒輪式葉片差速泵的驅動系統(tǒng)是通過轉動導桿與齒輪機構的組合使用來實現(xiàn)葉輪的正確運動規(guī)律的，進而保證葉片差速泵的綜合性能。轉動導桿—齒輪式葉片差速泵的驅動系統(tǒng)主要包括動力源（即電機）、轉動導桿機構、齒輪機構及其他輔助部件，如圖1所示。轉動導桿—齒輪式葉片差速泵的驅動原理是：齒輪2同時與齒數(shù)相同的齒輪3和齒輪14嚙合，使齒輪3和齒輪14同向等速轉動。齒輪3和齒輪14分別與轉動導桿機構的導桿4和13固連，其安裝角按設計要求設定。通過滑塊5和滑塊12，導桿4和導桿13作為主動件分別驅動曲柄6和11做周期性的非勻速轉動，從而使曲柄6和11的角速度按照不同的相位輸出。曲柄6和11分別與齒輪7和10固連，而齒輪7和10分別與齒輪8和9嚙合。齒輪8和9分別與葉片差速泵的兩個葉輪15、16固連，使葉輪15、16做周期性的不等速轉動，滿足葉輪運動規(guī)律的要求。

圖1 轉動導桿—齒輪式驅動系統(tǒng)簡圖

由于葉片差速泵驅動系統(tǒng)中所采用的轉動導桿機構是雙曲柄機構的演化形式，具有主動件為曲柄或為導桿兩種類型，這兩種類型的主動件均可實現(xiàn)主動件勻速轉動時從動件的變速整周轉動，即與齒輪機構組合后均可滿足葉片差速泵的驅動要求。根據(jù)前期研究發(fā)現(xiàn)：相同條件下導桿為主動件的葉片差速泵驅動系統(tǒng)更具優(yōu)越性，具體表現(xiàn)為運動更加平穩(wěn)，排量更大［4－5］。因此，本文以導桿為主動件的轉動導桿—齒輪式驅動系統(tǒng)為研究對象，進行結構設計、力學特性分析及實驗研究。

2 轉動導桿—齒輪式驅動系統(tǒng)結構設計

2.1 驅動系統(tǒng)的三維結構

轉動導桿—齒輪式葉片差速泵驅動系統(tǒng)的三維模型如圖2所示，其中輸入軸1與電動機連接并帶動齒輪2，齒輪2同時與齒輪3和齒輪14嚙合。齒輪3和齒輪14上分別固連滑槽盤4、13?；郾P4、13分別隨齒輪3、14轉動驅動偏置滾子5、12。齒輪7、10分別固連在曲柄6、11上并隨之轉動。齒輪7、10分別與齒輪8、9嚙合，而齒輪8和齒輪9分別與葉輪15和葉輪16固連并帶動兩個葉片轉動。按照上述運動傳遞路徑，可實現(xiàn)葉片差速泵驅動系統(tǒng)的運動規(guī)律。

圖2 轉動導桿—齒輪式驅動系統(tǒng)三維結構

2.2 驅動系統(tǒng)的技術參數(shù)

轉動導桿—齒輪式葉片差速泵驅動系統(tǒng)的技術參數(shù)如表1所示。

表1 轉動導桿—齒輪式葉片差速泵技術參數(shù)

3 轉動導桿—齒輪式驅動系統(tǒng)力學分析

轉動導桿—齒輪式驅動系統(tǒng)各構件所受的工作阻力矩如圖1所示。齒輪7、齒輪10分別與齒輪8、齒輪9嚙合，且齒數(shù)比均為u。由此可知，齒輪7和齒輪10所受的工作阻力矩為

同時，齒輪7和齒輪10分別與曲柄6和曲柄11固連，故其所受的工作阻力矩M7＝M6、M10＝M11。而轉動導桿機構的主動件導桿4和導桿13所受的工作阻力矩M4和M13分別為

式中，λ為導桿機構運動特征系數(shù)（導桿機構兩回轉中心距離d與曲柄長度a的比值）；σ1、φ4分別為導桿4的安裝角和轉角；σ2、φ13分別為導桿13的安裝角和轉角。

導桿4和導桿13分別與齒輪3和齒輪14固連，而齒輪3和齒輪14同時與齒輪2嚙合。齒輪2、齒輪3、齒輪14的齒數(shù)分別為z2、z3、z14，于是得到齒輪2所受的工作阻力矩為

令

整理后得到齒輪2所受的工作阻力矩為

由于圖1所示的齒輪8和齒輪9分別與葉片差速泵的兩葉輪固連，設泵的排液孔壓力為po，吸液孔壓力為pi，葉輪的小徑為D1，大徑為D2，葉輪的葉片能夠形成有效容積的軸向尺寸為h，由此確定齒輪8和齒輪9的力矩M8和M9分別是兩葉輪上所受的工作阻力矩，即

式中，ω8、ω9分別為齒輪8和齒輪9的角速度。

將式（8）、式（9）代入式（7），當u＝2，i12＝2，po－pi＝1MPa時，可得到圖1中齒輪2的工作阻力矩變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可知，隨著運動特征系數(shù)λ的增大，齒輪2所受的工作阻力矩的波動幅度逐漸增大。

圖3 轉動導桿—齒輪驅動系統(tǒng)工作阻力矩線圖

4 轉動導桿—齒輪式驅動系統(tǒng)實驗分析

4.1 實驗條件

轉動導桿—齒輪式組合驅動的葉片差速泵實驗臺布置如圖4所示。其中電動機1與轉動導桿—齒輪式驅動箱2連接，通過驅動箱2驅動泵體3中的葉輪工作。泵體3上分別設有吸液口4和排液口5，吸液口和排液口分別由管路與儲油箱7連通。在實驗測試中，轉動導桿—齒輪式葉片差速泵的驅動電機由變頻器控制以便調(diào)速，葉片差速泵的泵體上各單向閥則由管路直接通到油箱，用于觀察困液的排出與泵的泄漏情況。實驗介質(zhì)采用46號抗磨液壓油。

圖4 轉動導桿—齒輪式葉片差速泵原理樣機

4.2 實驗結果及分析

通過變頻調(diào)速器使電機轉速逐漸增大，觀察排液口的液體排出情況，實驗結果如表2所示。

由表2可知，轉動導桿—齒輪式葉片差速泵可實現(xiàn)自吸與排液，證明轉動導桿—齒輪式葉片差速泵的驅動設計與結構設計正確。

由表2可知，當轉動導桿—齒輪式葉片差速泵驅動轉速n＜209r/min時不能排液，說明葉片差速泵原理樣機的制造精度和密封性能欠佳，致使較低轉速下泵無法實現(xiàn)自吸；當轉動導桿—齒輪式葉片差速泵的驅動轉速在209r/min≤n＜375r/min范圍時，葉片差速泵斷續(xù)排液；當驅動轉速n≥375r/min時，葉片差速泵連續(xù)排液。

此外，實驗中葉片差速泵的困液排出量極小，在單向閥的輸出端幾乎觀察不到。但葉片差速泵在實驗過程中產(chǎn)生了明顯的噪聲，原因是轉動導桿—齒輪式葉片差速泵驅動系統(tǒng)承受交變載荷，產(chǎn)生齒輪嚙合噪聲，且各運動副間隙較大時也會引起沖擊噪聲，在后續(xù)的研究中將予以修正。

5 結論

（1）以導桿為主動件的轉動導桿—齒輪驅動系統(tǒng)角速度符合葉片差速泵驅動運動規(guī)律設計要求。

（2）通過對轉動導桿—齒輪式驅動系統(tǒng)的力學特性分析，確定了其輸入工作阻力矩隨運動特征系數(shù)的變化規(guī)律。

（3）對轉動導桿—齒輪式葉片差速泵原理樣機進行實驗測試，確定了其無法排液、斷續(xù)排液及連續(xù)排液的速度區(qū)間。

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