漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵的流量特性及其參數(shù)分析*

李東澤 陳 誠 梁瑞濤 肖慶華

(1.92060部隊 大連 116041)(2.72687部隊 青島 266062)

漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵的流量特性及其參數(shù)分析*

李東澤1陳 誠2梁瑞濤1肖慶華1

(1.92060部隊 大連 116041)(2.72687部隊 青島 266062)

流量特性是衡量齒輪泵性能的重要方面，當(dāng)前關(guān)于齒輪泵流量特性的研究主要集中于排量和流量品質(zhì)等方面。論文建立了漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵流量特性分析的基本數(shù)學(xué)模型，以時間為基本變量，得到其瞬時流量、排量、流量脈動及困油容積變化量的精確計算公式。并結(jié)合NACHI公司的某IPH型漸開線內(nèi)嚙合泵進(jìn)行實例分析，探討模數(shù)、傳動比、高度變位和角度變位等齒輪參數(shù)的變化對其流量特性的影響。仿真分析結(jié)果認(rèn)為齒輪模數(shù)或傳動比越大，齒輪泵的困油越嚴(yán)重；而采用較小的高度變位系數(shù)，或采用適當(dāng)角度變位設(shè)計，可減小齒輪泵的困油特性。

漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵; 流量特性; 困油; 瞬時流量; 排量

Class Number TH325

1 引言

齒輪泵是一種利用一對或多對齒輪在密封殼體內(nèi)相互嚙合而給液壓流體介質(zhì)加壓的液壓泵。根據(jù)齒輪嚙合形式分類，齒輪泵可分為外嚙合齒輪泵、內(nèi)嚙合齒輪泵和復(fù)合齒輪泵；其中，外嚙合齒輪泵應(yīng)用十分廣泛[1]，生產(chǎn)實際中約70%的液壓泵均為外嚙合齒輪泵[2]，而近年來的研究熱點主要集中在內(nèi)嚙合齒輪泵[3～4]。

內(nèi)嚙合嚙合齒輪副是內(nèi)嚙合齒輪泵的核心工作部件，輪齒參數(shù)直接影響泵的整體性能。葉仲和等學(xué)者采用極小滑動系數(shù)原則，對漸開線內(nèi)嚙合齒輪副的變位進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計[5]。文獻(xiàn)[6]從瞬時功率的角度出發(fā)，以嚙合點向徑為變量，推導(dǎo)出漸開線齒輪副的嚙合效率函數(shù)，并基于連續(xù)函數(shù)積分中值定理得到了平均嚙合效率的計算公式。Giovanni等學(xué)者基于嚙合極限概念，分析了內(nèi)嚙合齒輪泵不發(fā)生干涉現(xiàn)象的基本條件，研究成果為內(nèi)嚙合齒輪副的設(shè)計提供了參考依據(jù)[7]。學(xué)者楊成針對其漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵主要結(jié)構(gòu)件完成了優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了泵整體性能的提高[8]。眾所周知，流量特性與齒輪泵的排量大小、壓力等級和噪聲水平密切相關(guān)，是衡量齒輪泵性能的重要方面。當(dāng)前關(guān)于齒輪泵流量特性的研究內(nèi)容主要致力于增大排量、提高流量品質(zhì)的分析與研究。學(xué)者葉清以IPH型內(nèi)嚙合齒輪泵為研究對象，分析總結(jié)了其徑向和軸向間隙補(bǔ)償方法，分析獲得其瞬時流量、排量及流量不均勻系數(shù)的計算方程式[9]。文獻(xiàn)[10]基于幾何參數(shù)的計算，對齒輪副的干涉現(xiàn)象進(jìn)行了分析，研究結(jié)論為內(nèi)嚙合齒輪泵的設(shè)計生產(chǎn)提供了理論參考。文獻(xiàn)[11]以阻尼孔為具體研究對象，對其在內(nèi)嚙合齒輪泵浮動側(cè)板中的設(shè)計及作用進(jìn)行了仿真分析和優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化結(jié)果在加強(qiáng)側(cè)板工作穩(wěn)定性的同時，還降低了齒輪泵的困油現(xiàn)象和空穴程度。本文基于漸開線形式的內(nèi)嚙合齒輪泵，主要分析其瞬時流量、排量、流量脈動和困油現(xiàn)象，并結(jié)合NACHI公司的某IPH型漸開線內(nèi)嚙合泵進(jìn)行實例分析，探討齒輪參數(shù)的變化對其流量特性的影響。

2 瞬時流量分析

采用掃過面積法對漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵的流量展開分析，如圖1所示，齒輪O1與壓油腔接觸的齒面所掃過的容積差值dV1(壓油腔容積減小為正，增大為負(fù))，與其齒廓曲線所掃過的面積差值乘以齒寬B相等，根據(jù)掃過面積法，這個面積差值就等于ra1和rK1轉(zhuǎn)過dφ1所掃過的扇形面積之差，即

(1)

同理，齒輪O2與壓油腔接觸的齒面所掃過的容積差值dV2為

(2)

根據(jù)內(nèi)嚙合齒輪泵的工作原理，在dt時間內(nèi)，齒輪泵從壓油腔排出的液壓流體介質(zhì)體積dV為

(3)

圖1 漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵流量分析示意圖

將上式兩邊同除以時間dt，可得齒輪泵從壓油腔排出液壓流體介質(zhì)的瞬時流量為

(4)

對式(4)進(jìn)行化簡，定義齒輪副在節(jié)點左側(cè)嚙合時，即由嚙合起點至節(jié)點的嚙合過程中，l≤0；在節(jié)點右側(cè)嚙合時，即由節(jié)點至嚙合終點的嚙合過程中，l≥0；由余弦定理可得

(5)

(6)

漸開線內(nèi)嚙合齒輪副的嚙合點在嚙合線方向的運動是勻速進(jìn)行的，因此，可建立嚙合點向徑l與時間t的一次因式關(guān)系。齒輪副嚙合區(qū)間為大齒輪齒頂嚙入到小齒輪齒頂嚙出，即rk2=ra2及rk1=ra1兩個條件確定嚙合區(qū)間。轉(zhuǎn)化式(6)可得

3 排量分析

如圖2所示，當(dāng)前一對輪齒在點B嚙合時，后一對輪齒便在點A進(jìn)行嚙合并開始為壓油腔的體積變化作貢獻(xiàn)，此時，前一對輪齒與壓油腔相隔開，導(dǎo)致從點B到點C的這段嚙合區(qū)間的嚙合過程對壓油腔的體積變化不作貢獻(xiàn)。根據(jù)齒輪泵排油的周期性規(guī)律，每對輪齒嚙合時都將經(jīng)歷這一過程，即每對嚙合輪齒在l=-ε1pb處開始參與排油，在l=(1-ε1)pb處排油結(jié)束，且有l(wèi)b=(ε1+ε2)pb=εpb。其中，重疊系數(shù)

ε=ε1+ε2

(8)

根據(jù)上述分析可得，齒輪副的一對輪齒在排油區(qū)間內(nèi)時間t的積分限為[0,pb/vn]，則齒輪副一對輪齒嚙合的排量Vn為

(9)

齒輪泵排量為

q=z1Vn

(10)

圖2 漸開線內(nèi)嚙合齒輪副嚙合軌跡示意圖

4 流量脈動分析

由式(6)可知，在齒輪泵基本參數(shù)確定的情況下，一對輪齒在嚙合區(qū)間內(nèi)瞬時流量的變化僅和嚙合點向徑的絕對值有關(guān)，絕對值越大，瞬時流量越小。當(dāng)l=0，即齒輪副在節(jié)點處嚙合時，Qsh=Qshmax；當(dāng)l=lmax時，即齒輪副在排油起始點A或結(jié)束點B處嚙合時，Qsh=Qshmin，代入式(9)可得

(11)

5 困油分析

困油現(xiàn)象的影響主要體現(xiàn)在困油容積的變化上，通過上節(jié)對一對輪齒在嚙合區(qū)間內(nèi)的排油過程可知，困油容積的瞬時變化量(定義容積增大為正值)正是兩對同時嚙合的輪齒的瞬時流量的差值。從后一對輪齒剛剛進(jìn)入嚙合狀態(tài)開始分析，則后一對輪齒在M點嚙合時的瞬時流量dVk1為

(12)

前一對輪齒在N點嚙合時的瞬時流量dVk2為

(13)

由于dVk1的作用使困油腔的體積增大，dVk2的作用使困油腔的體積減小，因此，漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵困油容積的瞬時變化量dVk為

(14)

困油容積變化率Dv為

(15)

困油歷程起點為前一齒輪嚙合時間t=pb/vn時，此時困油容積為初始困油容積Vk=V0，V0可通過UG建模測量得出，困油歷程終點為前一對齒輪脫開嚙合時，即主動輪齒頂嚙合時，此時嚙合時間t=t2，則困油歷程中瞬時困油容積變化量Vkb為

(16)

困油歷程中瞬時困油容積Vk為

Vk=V0+Vkb

(17)

式中，t=[pb/vn,t2]。

6 實例仿真及基本參數(shù)的影響分析

圖3 漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵的瞬時流量

其瞬時流量見圖3，從圖中結(jié)果可知，該型內(nèi)嚙合齒輪泵的瞬時流量隨時間呈周期性變化，流量脈動幅度較小。當(dāng)t=ε1pb/vn時，即輪齒過嚙合節(jié)點時，瞬時流量最大，此時Qsh=Qshmax=854.43mm3/s；當(dāng)t=pb/vn時，即前一對輪齒排油結(jié)束、后一對輪齒剛剛進(jìn)入開始排油時，泵的瞬時流量有一個突變的過程，瞬時流量從838.02mm3/s突變至813.39mm3/s，變化幅度比較于外嚙合齒輪泵小得多。

圖4為模數(shù)對漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵流量特性的影響，由圖4(a)可得，在漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵中，模數(shù)越大，排量越大，而由圖4(b)可得，模數(shù)對流量脈動無影響。圖4(c)為模數(shù)對漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵困油特性的影響，由圖中可得，模數(shù)越大，困油容積變化量越大，但困油容積的基本變化趨勢是一致的，三種模數(shù)下的困油容積均是由小變大再變小的過程。

圖4 模數(shù)對漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵的流量特性的影響

圖5為傳動比對漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵流量特性的影響，由圖5(a)可得，在漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵中，傳動比i21越大，排量越大，而由圖5(b)可得，傳動比i21越大，流量脈動越大。圖5(c)為傳動比對漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵困油特性的影響，由圖中可得，傳動比i21越大，困油現(xiàn)象越嚴(yán)重，且在傳動比改變時，困油歷程時間也發(fā)生變化，傳動比i21越大，困油歷程時間越長。

圖5 傳動比對漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵的流量特性的影響

圖6為高度變位設(shè)計對漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵流量特性的影響，由圖6(a)可得，在漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵中，合理的高度變位設(shè)計可以獲得較大的排量，如圖所示，當(dāng)x1=0.8647、x2=0.8647，排量取得最大值，此時q=5034.6mm3/r=5.0346mL/r；而由圖6(b)可得，合理的高度變位設(shè)計可以獲得較小的流量脈動，如圖所示，當(dāng)x1=0.396、x2=0.396，流量脈動取得最小值，此時δQ=3.49%。圖6(c)為高度變位設(shè)計對漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵困油特性的影響，由圖中可得，高度變位系數(shù)x1較小的變位設(shè)計，可減弱困油現(xiàn)象；同時，不同高度變位系數(shù)的變位設(shè)計，其齒輪泵困油歷程的時間和困油容積變化趨勢也不一樣，可通過仿真分析計算出困油危害較小的高度變位設(shè)計。

圖6 高度變位設(shè)計對漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵的流量特性的影響

圖7為角度變位設(shè)計對漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵流量特性的影響，由圖7(a)可得，在漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵中，合理的角度變位設(shè)計可以獲得較大的排量，且嚙合角較大的變位設(shè)計獲得的排量更大，如圖所示，當(dāng)α′=15°，取變位系數(shù)x1=0.4927，x2=0.4085時，排量取得最大值，此時q=4957.8mm3/r=4.9578mL/r；當(dāng)α′=23°，取變位系數(shù)x1=1，x2=1.0783時，排量取得最大值，此時q=5158.1mm3/r=5.1581mL/r；當(dāng)α′=29.5°，取變位系數(shù)x1=1，x2=1.3461時，排量取得最大值，此時q=5560mm3/r=5.56mL/r；而由圖7(b)可得，合理的角度變位設(shè)計可以獲得較小的流量脈動，嚙合角較大的變位設(shè)計獲得的流量脈動更小，如圖所示，當(dāng)α′=15°，取變位系數(shù)x1=0.35，x2=0.2658時，流量脈動取得最小值，此時δQ=3.51%；當(dāng)α′=23°，取變位系數(shù)x1=0.454，x2=0.5323時，流量脈動取得最小值，此時δQ=3.44%；當(dāng)α′=29.5°，取變位系數(shù)x1=0.673，x2=1.0191時，流量脈動取得最小值，此時δQ=3.19%。

圖7(c)、(d)為角度變位設(shè)計對漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵困油特性的影響，圖7(c)為α′=15°時的結(jié)果，由圖中可知，角度變位系數(shù)x1較大的變位設(shè)計，可以更為有效的減弱困油現(xiàn)象；圖7(d)為α′=23°時的結(jié)果，由圖可知，角度變位系數(shù)x1較大的變位設(shè)計，可以更為有效地減弱困油現(xiàn)象，對比7(c)、7(d)兩圖可知，嚙合角大的適當(dāng)角度變位設(shè)計更有利于減弱困油危害。

7 結(jié)語

運用掃過面積法，建立了漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵流量特性分析的基本數(shù)學(xué)模型，以時間為基本變量，得到其瞬時流量、排量、流量脈動及困油容積變化量的精確計算公式。并結(jié)合某型漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵，詳細(xì)仿真分析了基本參數(shù)變化和變位設(shè)計對齒輪泵流量特性的影響規(guī)律，認(rèn)為齒輪模數(shù)或傳動比越大，齒輪泵的困油越嚴(yán)重；而采用較小的高度變位系數(shù)，或采用適當(dāng)角度變位設(shè)計，可減小齒輪泵的困油特性。本文的分析與探討，可為齒輪泵的參數(shù)優(yōu)化與選擇奠定基礎(chǔ)。

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Involute Internal Gear Pump-flow Characteristics and Parameter Analysis

LI Dongze1CHEN Cheng2LIANG Ruitao1XIAO Qinghua1

(1. No. 92060 Troops of PLA, Dalian 116041)(2. No. 72687 Troops of PLA, Qingdao 226062)

Flow characteristics is an important aspect of measuring performance of gear pumps, and current researches on the flow characteristics of gear pumps focus on the displacement, flow quality, and so on. The basic mathematical model of involute internal gear pump-flow characteristic analysis is established, and the formula for accurate calculation of instantaneous flow rate, displacement, flow pulsation and trapping volume rate are obtained based on the time variable. Based on NACHI Corporation IPH-case of involute internal pump, the effects of the gear parameters, such as modules, transmission ratio, high displacement and angular displacement, on flow characteristics of the gear are studied. The simulation results show that the greater the gears modulus or the transmission ratio are, the more serious the trapped oil phenomenon is, and a smaller height displacement coefficient or an appropriate angle modification design can relieve the trapped oil phenomenon.

involute internal gear pump, flow characteristics, trapping oil, instantaneous flow rate, displacement

2014年5月7日,

2014年6月19日 作者簡介:李東澤,男,助理工程師,研究方向:船舶航海技術(shù)。陳誠,男,助理工程師,研究方向: 艦艇動力工程。梁瑞濤,男,碩士,講師,研究方向:武器系統(tǒng)。肖慶華,男,博士,講師,研究方向:動力工程及工程熱物理。

TH325

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.040