挖掘機(jī)齒輪油泵泄漏分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

王智森

(景德鎮(zhèn)學(xué)院 機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

挖掘機(jī)是機(jī)械化施工的工程機(jī)械之一，可以完成挖掘、裝卸、壓平等多種土石方作業(yè)，廣泛應(yīng)用在建筑施工、交通工程、水利建設(shè)等領(lǐng)域[1-2]。在國(guó)內(nèi)的工程機(jī)械裝備中，70%左右的土石方施工由挖掘機(jī)完成[3-4]。隨著城市化進(jìn)程加快，截至2019年我國(guó)挖掘機(jī)保有量已經(jīng)突破170萬(wàn)臺(tái)[5]。

齒輪油泵作為挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的核心部件，對(duì)提升挖掘機(jī)的工作效率和系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性起著至關(guān)重要的作用[6-8]。挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)運(yùn)行原理復(fù)雜，施工作業(yè)工況環(huán)境惡劣多變，因此對(duì)齒輪油泵的結(jié)構(gòu)性能和泵送效率提出了很高的要求[9]。一旦挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)出現(xiàn)油液的泄漏，不僅會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)，而且還會(huì)造成環(huán)境污染，甚至引發(fā)難以撲滅的火災(zāi)，危及挖掘機(jī)作業(yè)人員的人身安全和延誤工程的進(jìn)度，如圖1所示。在綠色環(huán)保、節(jié)能高效的發(fā)展趨勢(shì)下，研究齒輪油泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和泵送效率成為挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)目前亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。保證挖掘機(jī)施工工程中高效率運(yùn)行，降低裝備泄漏故障發(fā)生率和維護(hù)成本，減少油液污染排放，對(duì)于發(fā)展節(jié)能高效型挖掘機(jī)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 挖掘機(jī)齒輪油泵油液泄漏事故

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迫切需求和工程機(jī)械經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，挖掘機(jī)裝備的重要性日益凸顯。齒輪油泵作為挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中提供液壓油的關(guān)鍵部件，在液壓系統(tǒng)中扮演不可或缺的重要角色，如果施工工程作業(yè)中發(fā)生泄漏，將直接延誤工期。特別是本次新冠肺炎疫情下的火神山和雷神山醫(yī)院工程建設(shè)，時(shí)間緊、任務(wù)重、工作強(qiáng)度大，為了確保工期，采取的措施之一是多種型號(hào)挖掘機(jī)輪流不間斷作業(yè)。該措施不能從根本上解決齒輪油泵泄漏問(wèn)題，同時(shí)增加了挖掘機(jī)維護(hù)成本。

本文以某小型挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的齒輪油泵作為研究對(duì)象，采用UG軟件進(jìn)行齒輪油泵參數(shù)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化和ANSYS軟件進(jìn)行油液泄漏狀態(tài)分析和泵送效率特性仿真研究，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化可行性方案，具體技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線流程圖

1 齒輪油泵工作原理及泄漏分析

1.1 工作原理

齒輪油泵主要分為兩種形式：外嚙合和內(nèi)嚙合。不同嚙合方式的齒輪油泵工作原理不同，其中制造應(yīng)用較多的是外嚙合布置[10]。外嚙合齒輪油泵結(jié)構(gòu)原理如圖3所示，一對(duì)相互嚙合的齒輪將泵殼體分割為兩個(gè)密封腔，一個(gè)在左，一個(gè)在右。泵體的出油口位于齒輪開(kāi)始嚙合的地方，泵體的吸油口位于齒輪脫離嚙合的地方[11]。

圖3 外嚙合齒輪油泵結(jié)構(gòu)原理

當(dāng)主動(dòng)齒輪帶著從動(dòng)齒輪開(kāi)始旋轉(zhuǎn)時(shí)，在靠近吸油腔一側(cè)的輪齒慢慢地退出嚙合并使得腔室開(kāi)始形成局部真空，使得油液在外界大氣壓作用下被壓進(jìn)吸油腔；與此同時(shí)在靠近排油腔一側(cè)的輪齒便慢慢地進(jìn)入嚙合狀態(tài)把輪齒之間的油慢慢地?cái)D壓出來(lái)并從壓油口流出[12]。當(dāng)原動(dòng)機(jī)工作時(shí)，主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周連續(xù)完成開(kāi)始嚙合和脫離嚙合這兩個(gè)工作，外嚙合齒輪油泵開(kāi)始?jí)河?、吸油各一次，?shí)現(xiàn)周期性循環(huán)泵送液壓油。

1.2 泄漏分析

某小型挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中的外嚙合齒輪油泵如圖4所示，從結(jié)構(gòu)上分析，外嚙合齒輪油泵的工作特點(diǎn)主要有內(nèi)泄漏與外泄漏、徑向不平衡力、困油等現(xiàn)象，因此流量脈動(dòng)始終存在。對(duì)流量脈動(dòng)機(jī)理進(jìn)行分析，保證液壓系統(tǒng)泵送液壓油的穩(wěn)定性。

圖4 某小型挖掘機(jī)齒輪油泵

內(nèi)泄漏是指齒輪油泵排油腔的一部分液壓油流出排油口，從內(nèi)部間隙返回到吸油腔；外泄漏是指齒輪油泵的一部分液壓油從泵體連接處縫隙泄漏到外部[13]。齒輪油泵內(nèi)的各零部件之間都存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，為了防止運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，因此在設(shè)計(jì)時(shí)齒輪油泵的結(jié)構(gòu)時(shí)必須考慮留有合適的間隙，過(guò)大的間隙會(huì)造成齒輪油泵容積效率下降。其中齒輪油泵的內(nèi)泄漏主要體現(xiàn)為端面間隙泄漏，隨著一對(duì)嚙合齒輪左、右兩端面與襯套之間的磨損，使得端面間隙不斷變大，通過(guò)改進(jìn)并優(yōu)化齒輪油泵殼體的結(jié)構(gòu)補(bǔ)償端面間隙以增大齒輪油泵的容積效率。

由泄漏路徑可知，將端面間隙泄漏等效為齒輪端面和殼體端蓋之間的間隙為δ的平面縫隙流層，如圖5所示。已知端面間隙δ很小，假設(shè)液壓油的流動(dòng)是層流。在半徑r處取寬度為dr的液體，令r處的流速為vr[14]。

1-端蓋 2-傳動(dòng)軸 3-齒輪

由壓差層流公式可得：

(1)

則齒輪端面間隙泄漏的流量：

(2)

將公式變形并積分可得：

(3)

代入假設(shè)模型的邊界條件整理得：

(4)

式中δ、μ、Rf、Rz和ΔP分別為齒輪端面間隙、液壓油動(dòng)力粘度、齒輪齒根圓半徑、傳動(dòng)軸半徑和兩端壓差。由于齒輪油泵工作時(shí)是一對(duì)齒輪嚙合傳動(dòng)，即4個(gè)端面存在泄漏，因此齒輪油泵的端面泄漏總量為：

(5)

齒輪油泵的外泄漏主要體現(xiàn)為端蓋與殼體的間隙泄漏，通過(guò)合理布置端蓋與殼體之間的密封接觸面路徑，選擇合適的密封形式解決泄漏問(wèn)題。結(jié)合某小型挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中齒輪油泵存在的內(nèi)泄漏與外泄漏問(wèn)題，通過(guò)對(duì)泄漏機(jī)理的分析改進(jìn)泵體的結(jié)構(gòu)。

2 齒輪油泵流量脈動(dòng)機(jī)理分析

2.1 產(chǎn)生機(jī)理

在齒輪油泵運(yùn)行過(guò)程中，左側(cè)腔體持續(xù)吸進(jìn)液壓油，右側(cè)腔體持續(xù)排出液壓油，嚙合齒輪上的兩個(gè)輪齒之間泵送的液壓油體積可以等效為一個(gè)輪齒體積。由于嚙合齒輪的嚙合線始終和傳動(dòng)軸線平行，與此同時(shí)每對(duì)輪齒泵送的液壓油被擠壓出去，整個(gè)過(guò)程斷斷續(xù)續(xù)，因此泵送的液壓油流量值是不斷變化的，微觀來(lái)看這種輸出的流量是脈動(dòng)狀的[15]。通過(guò)簡(jiǎn)化計(jì)算，得到齒輪油泵的排量V的公式為：

V=6.66zm2b

(6)

式中z、m、b分別為齒輪齒數(shù)、模數(shù)、齒寬。根據(jù)公式可知，為了在保持泵體體積不變的前提下增大齒輪油泵的排量，因此齒輪油泵在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中采用增大模數(shù)、減少齒數(shù)的方法。

2.2 影響因素

一般情況下液壓油的可壓縮性是不考慮的，結(jié)合齒輪油泵實(shí)際運(yùn)行的高壓環(huán)境，液壓油的體積將隨著壓力的升高而減小，產(chǎn)生流量脈動(dòng)現(xiàn)象[16]。泵體與前后端面的配合存在間隙，運(yùn)行過(guò)程中流量脈動(dòng)引起壓力脈動(dòng)，齒輪油泵開(kāi)始振動(dòng)導(dǎo)致各零部件之間縫隙增大，造成液壓油的泄漏。

流量脈動(dòng)率主要受齒輪油泵轉(zhuǎn)速、泵送流量及齒輪齒數(shù)影響。流量脈動(dòng)引起的噪聲和振動(dòng)會(huì)造成齒輪的磨損以及錯(cuò)位，而齒輪油泵的泵體與前后端蓋都是通過(guò)螺栓連接的，間接造成螺栓松動(dòng)使泵體和前后端蓋之間的間隙增大，從而加劇油液的泄漏。主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪在齒輪油泵工作過(guò)程中持續(xù)做往復(fù)性周期運(yùn)動(dòng)，由于輪齒均勻地分布在齒面上，因此流量也隨之進(jìn)行周期性變化。通過(guò)簡(jiǎn)化計(jì)算流量脈動(dòng)率fQ為：

(7)

式中n、z分別為主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速、齒數(shù)。由此可知，流量脈動(dòng)頻率隨轉(zhuǎn)速增大、齒數(shù)增多而增大。當(dāng)流量脈動(dòng)的頻率相應(yīng)減小時(shí)，流量脈動(dòng)和噪聲就能夠相應(yīng)降低。

3 齒輪油泵優(yōu)化設(shè)計(jì)及泵送效率研究

3.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

本文以某小型挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的齒輪油泵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)際測(cè)繪并合理改進(jìn)得到其各部件參數(shù)，針對(duì)挖掘機(jī)施工工作中液壓系統(tǒng)實(shí)際工況下齒輪油泵運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。其齒數(shù)z=14，模數(shù)m=3，分度圓直徑d=mz=42，齒寬b=20，壓力角α=20°，具體計(jì)算公式參見(jiàn)表1所示。

表1 齒輪油泵幾何參數(shù)計(jì)算公式

基于UG軟件完成齒輪油泵的參數(shù)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在齒輪油泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，參考以往的齒輪油泵結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵的部位之一是定位止口的設(shè)計(jì)。齒輪油泵的泵體裝配同軸度要求很高，設(shè)計(jì)止口的公差配合能夠很好地保證泵體裝配后的同軸度要求及精確定位，并通過(guò)螺栓連接泵體結(jié)構(gòu)進(jìn)行緊固。定位止口的作用是防止液壓油的外泄漏和阻擋異物進(jìn)入泵體內(nèi)部。

針對(duì)原有的齒輪油泵結(jié)構(gòu)提出了一種雙止口的設(shè)計(jì)，如圖6所示。相比較以往的單止口設(shè)計(jì)，雙止口設(shè)計(jì)能夠使泵體配合更緊密，而單止口則易側(cè)位，該設(shè)計(jì)可以通過(guò)改變?nèi)我恢箍诘拈L(zhǎng)度來(lái)改變止口的大小，方便齒輪油泵泵體結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化。

圖6 單止口與雙止口設(shè)計(jì)

根據(jù)計(jì)算公式設(shè)計(jì)齒輪油泵各部分結(jié)構(gòu)，以主動(dòng)齒輪軸建模為例，通過(guò)UG軟件創(chuàng)建優(yōu)化后的齒輪模型：在工具欄中點(diǎn)擊GC工具箱，在下拉菜單中選擇齒輪建模，選擇柱齒輪，在齒輪操作方式列表中選擇創(chuàng)建齒輪，在漸開(kāi)線圓柱齒輪類型中點(diǎn)擊選擇直齒輪和外嚙合齒輪，加工選擇為滾齒，單擊確定按鈕進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定，輸入優(yōu)化后的齒輪參數(shù)，點(diǎn)擊確定按鈕，生成優(yōu)化后的齒輪模型。繼續(xù)創(chuàng)建齒輪軸、鍵槽、孔、螺紋特征參數(shù)，得到主動(dòng)齒輪如圖7所示。

圖7 主動(dòng)齒輪軸

齒輪油泵其余零件參數(shù)建模方法同理主動(dòng)齒輪軸設(shè)計(jì)，包括從動(dòng)齒輪、泵體、泵蓋、密封墊片等。對(duì)零部件進(jìn)行裝配，裝配時(shí)對(duì)嚙合的齒輪進(jìn)行角度和中心距調(diào)整，保證可以連續(xù)傳動(dòng)。裝配完成后得到齒輪油泵的三維立體模型，如圖8所示。

圖8 齒輪油泵

3.2 泵送效率仿真分析

根據(jù)前面簡(jiǎn)化計(jì)算的流量脈動(dòng)率公式可知轉(zhuǎn)速與主動(dòng)輪齒數(shù)是影響齒輪油泵流量脈動(dòng)的主要因素。為了便捷、直觀的在ANSYS軟件的流場(chǎng)分析模塊仿真齒輪油泵的流量情況和泵送效率，將三維齒輪油泵模型進(jìn)行二維簡(jiǎn)化處理，以齒輪油泵流量出口和流量進(jìn)口的中間為分界線，做齒輪油泵的剖視圖得到二維簡(jiǎn)化的齒輪油泵嚙合模型，如圖9所示。

圖9 齒輪油泵嚙合二維簡(jiǎn)化模型

在ANSYS流場(chǎng)仿真分析模塊中，設(shè)置液壓油溫度、密度、運(yùn)動(dòng)粘度等參數(shù)，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義邊界條件、齒輪旋轉(zhuǎn)方向、傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速、流場(chǎng)初始化等，計(jì)算求解得到齒輪油泵流場(chǎng)云圖。仿真結(jié)果表明轉(zhuǎn)速分別為600r/min、1200r/min時(shí)齒輪油泵的輪齒上分布?jí)翰钶^大，超過(guò)了壓力許用值，初始參數(shù)設(shè)計(jì)不合理。在保證齒輪油泵體積不變的前提下，即保證齒輪的分度圓直徑不變，通過(guò)修改齒輪的齒數(shù)和模數(shù)重新設(shè)計(jì)調(diào)整，最終取齒數(shù)，模數(shù)，并進(jìn)行適當(dāng)變位處理得到結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，降低了流量脈動(dòng)率，增大了排量。對(duì)優(yōu)化后的齒輪油泵參數(shù)重新建模，生成9個(gè)齒數(shù)的嚙合齒輪二維簡(jiǎn)化模型并進(jìn)行流場(chǎng)仿真分析，得到流場(chǎng)應(yīng)力分布如圖10所示。優(yōu)化后的仿真結(jié)果表明在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)齒輪油泵的泵送效果良好，轉(zhuǎn)速越高，泵送流量越大，泵體兩側(cè)壓力差越明顯。

圖10 齒輪油泵流場(chǎng)云圖

4 結(jié)論

本文以某小型挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的齒輪油泵作為研究對(duì)象，結(jié)合齒輪油泵工作原理進(jìn)行泄漏分析和流量脈動(dòng)機(jī)理分析，得到影響齒輪油泵結(jié)構(gòu)泄漏和泵送效率的主要因素。通過(guò)UG軟件實(shí)現(xiàn)齒輪油泵的參數(shù)化設(shè)計(jì)，并借助ANSYS軟件進(jìn)行齒輪油泵流場(chǎng)仿真，比較流場(chǎng)云圖分析壓力差的變化趨勢(shì)，研究一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)齒輪油泵的泵送效率特性。結(jié)合實(shí)際工況反向推導(dǎo)改進(jìn)齒輪油泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到齒輪分度圓直徑恒定的優(yōu)化方案，降低挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)泄漏故障發(fā)生率，提升挖掘機(jī)施工工程作業(yè)效率。