內(nèi)嚙合齒輪泵的噪聲與控制策略研究

夏家引

（寧波威克斯液壓有限公司，浙江 寧波 315502）

隨著工業(yè)社會的快速發(fā)展，內(nèi)齒輪泵的應(yīng)用范圍越來越廣，要求也越來越高，除了要提高其做功效率，還要盡量降低其在運行過程中產(chǎn)生的噪音，因此，就內(nèi)齒輪泵的發(fā)展而言，減小其運行噪音，有利于促進(jìn)內(nèi)齒輪泵的發(fā)展，延長其使用壽命。

1 內(nèi)嚙合齒輪泵工作原理概述

內(nèi)嚙合齒輪泵有漸開線齒形(Crescent)和擺線齒形(Grout)兩種，其結(jié)構(gòu)示意可見圖。在漸開線齒形內(nèi)嚙合齒輪泵中，小齒輪和內(nèi)齒輪之間要裝一塊月牙隔板，以便把吸油腔和壓油腔隔開，內(nèi)嚙合齒輪泵中的小齒輪是主動輪，大齒輪為從動輪，在工作時，大齒輪隨小齒輪同向旋轉(zhuǎn)，如圖（a）；擺線齒形嚙合齒輪泵又稱擺線轉(zhuǎn)子泵，在這種泵中，小齒輪和內(nèi)齒輪只相差一個齒，因而不需設(shè)置隔板，如圖（b）。

內(nèi)嚙合齒輪泵是采用齒輪內(nèi)嚙合原理，內(nèi)外齒輪節(jié)圓緊靠一邊，另一邊被泵蓋上“月牙板”隔開。主軸上的主動內(nèi)齒輪帶動其中外齒輪同向轉(zhuǎn)動，在進(jìn)口處齒輪相互分離形成負(fù)壓而吸入液體，齒輪在出口處不斷嵌入嚙合而將液體擠壓輸出。

內(nèi)嚙合齒輪泵具有無困油現(xiàn)象、輸送平穩(wěn)、效率高、噪音小，使用壽命長的優(yōu)點。

（a）（b）為內(nèi)嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)示意圖，主要由1小齒輪、2外齒圈、3月牙板、4進(jìn)油腔、5出油腔組成。

圖1

2 內(nèi)嚙合齒輪泵噪聲成因分析

（1）泵流量脈動引起噪聲。在運行的過程中，泵面臨著流量脈動現(xiàn)象引起的噪音問題，而且流量脈動在泵工作過程中被消除的可能性極低。研究表明，齒輪泵的流量脈動大小受齒輪齒數(shù)的影響，齒數(shù)越多，系統(tǒng)運行越穩(wěn)定，泵工作時產(chǎn)生的噪音就越小。圖2所示為齒輪泵的流量脈動率與齒數(shù)關(guān)系圖，從圖中能夠看出，在相同數(shù)的前提下內(nèi)嚙合齒輪泵的流量脈動率比外嚙合齒輪泵小，就內(nèi)嚙合齒輪泵而言，在一定范圍內(nèi)，齒輪數(shù)越多，泵的流量脈動率越小。因此，從一定程度上來說，由流量脈動引起的噪音問題是切實存在的，而且是不可能完全消除的，只能采取一定的措施減小流量脈動，從而減小系統(tǒng)振動，達(dá)到降低噪音的目的。

圖2 齒輪泵的流量脈動率與齒數(shù)關(guān)系圖

（2）困油現(xiàn)象產(chǎn)生的噪聲。困油現(xiàn)象造成的機(jī)組振動也是噪音的主要來源之一。在對齒輪泵進(jìn)行設(shè)計時，要求后一對齒輪必須在前一對齒輪脫離嚙合前嚙合，即齒輪泵的齒輪的重疊系數(shù)必須≥1，以確保齒輪泵能夠穩(wěn)定可靠地工作運行。但當(dāng)前后兩對齒同時進(jìn)入嚙合狀態(tài)時，兩對齒之間會形成一個密閉空間，在泵運行的過程中，空間中的油介質(zhì)將會受到轉(zhuǎn)動齒輪的力作用，并且這種力變化明顯，從而導(dǎo)致了“困油現(xiàn)象”的發(fā)生。困油現(xiàn)象發(fā)生后，機(jī)組運行振動加大，就會形成噪音。

（3）氣穴和氣蝕產(chǎn)生噪聲。困油現(xiàn)象有時會導(dǎo)致密閉的空間內(nèi)析出氣體，形成氣泡，久而久之，會產(chǎn)生“氣蝕”作用，進(jìn)而加劇機(jī)組振動，引發(fā)噪音。另外，液壓油中混入的空氣在進(jìn)入內(nèi)腔后由于低壓作用也會分離出空氣氣泡，當(dāng)這些氣泡隨著齒輪轉(zhuǎn)動進(jìn)入高壓區(qū)時，氣泡將發(fā)生破裂，從而在齒輪泵內(nèi)產(chǎn)生一定的沖擊壓力，進(jìn)而導(dǎo)致齒輪泵發(fā)出更多的噪音。

（4）齒輪嚙合沖擊噪聲。在泵運行的過程中，齒輪之間的嚙合沖擊也會產(chǎn)生噪音，而且其噪音的大小與齒輪間的周節(jié)誤差與齒形誤差有關(guān)。

（5）機(jī)械噪聲。除了以上幾方面的原因，機(jī)械因素也是噪音的來源之一，包括軸承不合格、泵軸轉(zhuǎn)動不平衡等，造成這方面的問題多是因為材質(zhì)不合格、制造工藝不嚴(yán)密、安裝不規(guī)范等。特別是在高速狀態(tài)下，泵軸轉(zhuǎn)動的不平衡問題會被放大，引起機(jī)械振動加大，從而形成噪聲。另外，長時間的運轉(zhuǎn)會造成泵內(nèi)零部件磨損，進(jìn)而導(dǎo)致間隙過大，引發(fā)壓力波動加大，也會形成噪音。

3 有效控制內(nèi)嚙合齒輪泵噪聲的策略

（1）流量脈動引起噪聲的控制。通過以上對噪音形成的原因進(jìn)行分析可知，對于流量脈沖，應(yīng)盡可能地降低其脈動率，在選用齒輪泵時，應(yīng)根據(jù)需求選用合適的齒輪齒數(shù)，以控制流量脈動引起的噪音。

（2）困油噪聲的控制。為了控制因困油現(xiàn)象造成的噪音問題，常采用開卸荷槽的方式。開卸荷槽分為對稱式卸荷槽及非對稱式卸荷槽兩種方案，如圖3、4所示。無論是哪種開槽方式，都能在一定程度上解決內(nèi)齒輪泵的困油現(xiàn)象。兩種方法各有優(yōu)缺，就對稱式卸荷槽而言，優(yōu)點在于容易加工，缺點是不能解決較高轉(zhuǎn)速下的噪音問題。而非對稱式卸荷槽具有非對稱結(jié)構(gòu)型式，因此，能夠大大減弱介質(zhì)油的沖擊，其缺點在于提高了加工的難度。

圖3 對稱式卸荷槽

圖4 非對稱式卸荷槽

（3）氣穴與氣蝕產(chǎn)生噪聲的控制。從以上成因分析可知，為了減少氣穴與氣蝕作用形成的噪聲，應(yīng)嚴(yán)格控制進(jìn)入泵腔內(nèi)液壓油的空氣，與此同時，采取降低齒輪泵的吸油阻力的措施，控制吸油阻力值在制造液壓泵的工廠所提出的飽和蒸氣壓力數(shù)值的1/4以下，只有這樣，才能有效地降低噪聲。

（4）齒輪運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲的控制。為了減小齒輪運轉(zhuǎn)造成的噪音，可對齒輪的外形進(jìn)行加工，以確保泵在運轉(zhuǎn)時能夠減輕前后齒之間的嚙合沖擊，保障系統(tǒng)的平穩(wěn)傳動，從而達(dá)到降低噪音的目的。最近研究發(fā)現(xiàn)，雙模數(shù)非對稱漸開線圓弧齒廓齒輪能夠有效地提高機(jī)組運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，減輕機(jī)組振動，從而起到減弱噪音的效果。

（5）機(jī)械噪聲的控制。針對其成因，應(yīng)采取以下措施減小機(jī)械因素造成的噪音，嚴(yán)格執(zhí)行生產(chǎn)規(guī)范，落實材質(zhì)審批制度，提高零部件的剛度，選用合格、合適的軸承，以避免高壓沖擊造成的機(jī)組零部件損壞。在設(shè)計罩殼厚度時，應(yīng)將齒輪的高低壓油壓作用考慮在內(nèi)，防止罩殼厚度不夠造成齒輪運轉(zhuǎn)時逐漸偏向低壓側(cè)，以起到控制機(jī)械噪音，保護(hù)機(jī)組的作用。

4 結(jié)語

相比外嚙合齒輪泵而言，內(nèi)嚙合齒輪泵本身起到了一定減弱噪音的作用，但是，采取更有效削弱噪音的措施，更有利于齒輪泵的發(fā)展，更有利于提高齒輪泵的使用效率及壽命。本文從噪音產(chǎn)生的具體成因出發(fā)，制定了相應(yīng)的具體措施，通過對齒輪泵流量脈動、困油現(xiàn)象、氣穴與氣蝕、齒輪嚙合沖擊及機(jī)械因素產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行有效控制，達(dá)到了降低噪音的目標(biāo)。