基于變位齒輪的自保護齒輪泵設(shè)計

宮乙?guī)? 吳學(xué)群, 劉軍, 周揚

（揚州船用電子儀器研究所,江蘇 揚州225001）

0 引 言

隨著環(huán)控冷卻技術(shù)水平的不斷提高，整體結(jié)構(gòu)的小型化、輕量化成為當前環(huán)控設(shè)備的發(fā)展趨勢，同時，對環(huán)控系統(tǒng)的整機散熱性、安全性要求越來越高，特別是機載環(huán)控設(shè)備的指標要求更加嚴格。在液冷環(huán)控系統(tǒng)中，齒輪泵扮演著重要角色，其功能是為設(shè)備中的循環(huán)冷卻液提供輸送動力，保障冷卻系統(tǒng)的正常運行，可謂是環(huán)控系統(tǒng)的“心臟”[1]。設(shè)備整體結(jié)構(gòu)的小型化要求對相應(yīng)各級模塊進行尺寸規(guī)模的縮減。齒輪泵作為環(huán)控冷卻系統(tǒng)的“心臟”，其結(jié)構(gòu)的小型化、工作的穩(wěn)定性是設(shè)備運行的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有齒輪泵產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式過于簡單，泵體尺寸受到內(nèi)部齒輪副的限制，體積縮減困難。另外，在循環(huán)回路中，當泵體出口腔壓力過高時，會造成回路流通受阻，破壞環(huán)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，造成重大經(jīng)濟損失。

在某小型化環(huán)控設(shè)備中，針對安裝空間小、供電量受限、運行安全性高等要求，通過采用變位齒輪副，使結(jié)構(gòu)緊湊、合理，泵體體積小，安裝便捷；在齒輪泵殼體上設(shè)計限壓活門，對循環(huán)回路的壓力形成保護，確保環(huán)控設(shè)備運行平穩(wěn)，有效提高了產(chǎn)品的可靠性。

1 齒輪泵性能指標分析

根據(jù)某環(huán)控供液系統(tǒng)的要求，對齒輪泵的主要參數(shù)進行相關(guān)性分析如下。

1）轉(zhuǎn)速分析。齒輪泵流量正比于轉(zhuǎn)速，但如果轉(zhuǎn)速過高，離心力使工作液不能充滿整個齒間，反而造成流量減小并引發(fā)氣蝕，增大噪聲、加劇磨損。另外，為避免容積效率過低，齒輪泵的最低轉(zhuǎn)速也應(yīng)給予限制。

2）流量計算分析。齒輪泵的排量V相當于一對齒輪所有齒谷容積之和，齒谷容積約等于輪齒的體積，那么齒輪泵的排量等于一個齒輪的齒谷容積和輪齒容積體積的總和，可等效為有效齒高和齒寬構(gòu)成的平面所掃過的環(huán)形體積[2]，即

式中：D為齒輪分度圓直徑，D=mz；h為有效齒高，h=2m；B為齒寬；m為模數(shù)；z為齒數(shù)。

在實際中，齒谷容積要比輪齒體積稍大，故式中的π常以3.33代替，上式可變?yōu)?/p>

齒輪泵的流量為

式中：n為齒輪泵轉(zhuǎn)速；ηv為齒輪泵容積效率。

實際上齒輪泵的供液量是有脈動的，因此上式所表示的是齒輪泵的平均供液量。從而可以看出流量和主要參數(shù)的關(guān)系：1）供液量與齒輪模數(shù)m的平方成正比。2）體積確定時，齒數(shù)越少，模數(shù)越大，供液量增加，流量脈動大；齒數(shù)越大，模數(shù)越小，供液量越少，流量脈動也小。3）供液量和齒寬B成正比。

經(jīng)過計算及對比分析，得出齒輪泵的性能設(shè)計參數(shù)，如表1所示。

2 變位齒輪參數(shù)選擇與計算

綜合考慮齒輪泵轉(zhuǎn)速、外形及流量脈動的影響后，選取主、從動齒輪的齒數(shù)Z=14，采用變位設(shè)計，主、從動齒輪齒數(shù)均為14，變位系數(shù)之和為0.6，重合度系數(shù)大于1.2，在保證運轉(zhuǎn)平穩(wěn)的同時，有效減少了整個泵體的徑向尺寸。另外，參照模數(shù)與排量、齒數(shù)的關(guān)系，選取m=1.5 mm的標準模數(shù)進行設(shè)計驗證。根據(jù)流量指標及影響因素，得出齒輪副的主要參數(shù)如表2所示。

表1 齒輪泵性能設(shè)計參數(shù)表

表2 變位齒輪主要參數(shù)表

3 齒輪泵結(jié)構(gòu)設(shè)計

齒輪泵主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要有齒輪泵殼體、齒輪泵基座、滑動軸承、主動齒輪、從動齒輪、彈簧支座、彈簧及密封組件和限壓活門等組成。從結(jié)構(gòu)組成上看，泵體內(nèi)部零部件巧妙運用了殼體與基座組合后的空間進行安裝定位，緊湊、合理。齒輪泵殼體內(nèi)部設(shè)計有齒輪副的安裝孔，主、從動齒輪的齒頂圓與殼體之間的配合為小間隙配合（H7/e6），確保了在齒輪副運轉(zhuǎn)時，齒頂與殼體內(nèi)腔無干涉，同時減小徑向泄漏。主、從動齒輪兩端均采用滑動軸承支撐，其中內(nèi)端兩個滑動軸承的軸向設(shè)計有彈簧支座及調(diào)壓彈簧，可進行軸向浮動，確保轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，降低噪聲，同時減小工作液在兩側(cè)端面的泄漏。

從外觀上看，齒輪泵主要分為殼體部分和基座部分，其外形尺寸（寬×高×深）為113 mm×93 mm×97 mm。其中限壓活門安裝在殼體上，密封組件安裝在基座內(nèi)。殼體、基座在設(shè)計時充分考慮了工藝性能，通過五軸機床加工形成，工作液的進、出口及流道均設(shè)計在殼體內(nèi)部。齒輪泵的體積小、質(zhì)量輕，在整個環(huán)控設(shè)備中占用的空間小，具有很好的適裝性。

圖1 齒輪泵結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 密封組件設(shè)計

在環(huán)控系統(tǒng)工作過程中，齒輪泵內(nèi)部壓力相對較大，因此需要考慮齒輪泵的整體密封性能，其中主動齒輪輸入軸處的密封尤為關(guān)鍵，本次齒輪泵在主動齒輪輸入軸處采用密封組件來解決這一問題。

密封組件主要由油封殼體、耐磨油封、支承椎體、O形密封圈、止動墊圈等組成。密封組件安裝在基座內(nèi)，與基座之間采用雙重O形橡膠圈進行密封，這種靜密封形式起到減壓和密封的作用。主動軸與密封組件之間的動密封形式主要通過雙重耐磨油封來實現(xiàn)，內(nèi)側(cè)油封起密封、減壓作用，外側(cè)油封進行第二重密封。密封組件的結(jié)構(gòu)形式有效解決了高壓密封問題，確保了環(huán)控系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

3.2 限壓活門設(shè)計

限壓活門又稱限壓組件，通過連通齒輪泵的進、出口腔體來調(diào)節(jié)工作液的出口壓力，保證環(huán)控系統(tǒng)的壓力和流量在設(shè)定范圍。限壓活門作為齒輪泵的主要組成部件，是確保整個環(huán)控系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。

限壓活門安裝在齒輪泵殼體的連通腔內(nèi)，以某環(huán)控設(shè)備為例，其具體工作原理為：當齒輪泵出口腔壓力達到上限（1.0 MPa）時，活塞桿受到的工作液壓差大于彈簧壓緊力，活塞桿往進口腔一側(cè)移動，從而使進、出口腔連通，達到限壓目的；當出口腔壓力低于上限（1.0 MPa）時, 活塞桿受到的工作液壓差小于彈簧壓緊力，活塞桿復(fù)位，隔斷旁通管路。限壓活門的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 齒輪泵主要結(jié)構(gòu)的仿真分析

齒輪泵在某環(huán)控設(shè)備中工作時，會遇到供液系統(tǒng)超壓的惡劣工況（需考慮限壓失效情況），系統(tǒng)超壓可能會造成齒輪泵殼體、基座變形，齒輪傳動精度下降，密封性能變差等情況，嚴重影響設(shè)備的使用壽命[3]。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要利用ANSYS Workbench分析軟件對系統(tǒng)超壓現(xiàn)象進行模擬仿真，判定是否對齒輪泵結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生影響。

圖2 限壓活門結(jié)構(gòu)示意圖

在NX10.0三維設(shè)計軟件中對齒輪泵的殼體、基座及內(nèi)部零件進行建模、裝配，然后將裝配模型導(dǎo)入分析軟件ANSYS Workbench中進行有限元分析。根據(jù)實際工作狀態(tài)仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果對三維模型進行優(yōu)化設(shè)計，確保該設(shè)計符合實際使用要求，提高加工及裝配精度。

齒輪泵的殼體、基座是齒輪泵裝配的基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)剛性的優(yōu)劣對整個齒輪泵的影響最大，同時也是系統(tǒng)超壓時最易受影響的結(jié)構(gòu)件，因此通過有限元分析軟件對齒輪泵殼體、基座進行了應(yīng)力、應(yīng)變分析。齒輪泵殼體、基座的材料性能如表3所示。

表3 齒輪泵殼體、基座材料的性能參數(shù)

首先，對齒輪泵的殼體、基座有限元模型進行網(wǎng)格劃分，在保證運算有效的前提下，網(wǎng)格的單元及節(jié)點數(shù)盡可能密集。然后，根據(jù)實際安裝條件對齒輪泵整體施加約束，螺栓連接按照固定約束處理，殼體的進、出液口均進行固定約束，在齒輪泵殼體、基座內(nèi)部施加1 MPa的表壓，進行仿真計算。

經(jīng)ANSYS Workbench軟件分析，在整個齒輪泵殼體零件耐壓1 MPa（表壓），安全系數(shù)1.5的條件下，殼體最大應(yīng)力值為6.28 MPa（如圖3），遠小于該材料的許用應(yīng)力，在超壓狀態(tài)下滿足設(shè)計要求。殼體最大變形量為0.049 mm（如圖4），也遠小于該材料的許用變形量，不會造成零件配合問題，同樣滿足要求。

圖3 齒輪泵殼體應(yīng)力云圖

圖4 齒輪泵殼體應(yīng)變云圖

經(jīng)ANSYS Workbench軟件分析，在整個齒輪泵殼體零件耐壓1 MPa（表壓），安全系數(shù)1.5的條件下，基座最大應(yīng)力值為2.25 MPa（如圖5），遠小于該材料的許用應(yīng)力，在高壓狀態(tài)下滿足設(shè)計要求。殼體最大變形量為0.003 mm（如圖6），也遠小于該材料的許用變形量，不會造成零件配合問題，同樣滿足要求。

圖5 齒輪泵基座應(yīng)力云圖

圖6 齒輪泵基座應(yīng)變云圖

5 結(jié) 論

本設(shè)計采用少齒數(shù)、變位齒輪實現(xiàn)體積微小型化，精度及工藝性好；通過密封組件實現(xiàn)泵體的雙重密封，提高了齒輪泵在高速轉(zhuǎn)動過程中的密封效果；另外，在齒輪泵體的進、出口腔之間設(shè)置限壓活門來控制壓差，實現(xiàn)系統(tǒng)工作液回路的自保護。本設(shè)計有效保證了齒輪泵工作的穩(wěn)定性，進而提高了整個環(huán)控系統(tǒng)的可靠性，對該領(lǐng)域相關(guān)泵體的設(shè)計提供了重要的設(shè)計參考。