擺線泵中配油盤結(jié)構(gòu)對(duì)容積效率的影響分析

王會(huì)敏 代亞 趙藍(lán)剛 張穎穎 王勇

摘 要：擺線泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、填充性好和壓力脈動(dòng)小等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中。為了保證擺線泵在地面條件下的容積效率，進(jìn)而確保其在高空中的容積效率，本文對(duì)不同的配油盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計(jì)算和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，選出最優(yōu)的配油盤結(jié)構(gòu)，為未來航空滑油泵的設(shè)計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)并提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：配油盤;吸油;排油;容積效率

中圖分類號(hào)：TH137文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）02-0067-04

Analysis on the Influence of Oil Distribution Plate Structure on Volume Efficiency in Cycloid Pump

WANG Huimin DAI Ya ZHAO Langang ZHANG Yingying WANG Yong

（Five Military Products Designs of AVIC Xinhang Group，Xinxiang Henan 453003）

Abstract： The cycloid pump has the characteristics of compact structure， small volume， light weight， good filling ability and small pressure pulsation， so it is widely used in aero engines. In order to ensure the volumetric efficiency of the cycloid pump under ground conditions， and then to ensure its volumetric efficiency at high altitude， this paper conducted theoretical calculations and experimental data analysis on different oil distribution plate structures， and selected the optimal oil distribution plate structure， in order to accumulate experience and provide reference for future aviation oil pump design.

Keywords： oil distribution plate;oil absorption;oil discharge;volumetric efficiency

目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)正朝著高速、小型、高溫和輕重量的方向發(fā)展，而擺線泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)完全符合這一發(fā)展方向[1-2]。因此，擺線泵在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用將越來越廣。而配油盤作為擺線泵中完成吸油、排油過程的重要零部件，對(duì)擺線泵的性能高低有著重要的影響。

1 擺線泵的工作原理

擺線泵借助一對(duì)偏心嚙合的內(nèi)外轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中形成相對(duì)獨(dú)立的封閉空間，隨著內(nèi)外轉(zhuǎn)子的嚙合旋轉(zhuǎn)，各封閉空間的容積不斷發(fā)生變化，從而形成低壓區(qū)和高壓區(qū)，同時(shí)，介質(zhì)從管道通過配油盤進(jìn)入低壓區(qū)并從高壓區(qū)排出，進(jìn)而完成泵的吸油和排油過程[3-4]。

當(dāng)封閉空間容積由小變大時(shí)，腔內(nèi)形成局部真空，在大氣壓的作用下，介質(zhì)通過進(jìn)油管道和配油盤上的吸油槽，進(jìn)入封閉轉(zhuǎn)子間的封閉空間，此過程即為擺線泵的吸油過程。當(dāng)封閉空間由大變小時(shí)，齒間容腔的介質(zhì)被擠壓，通過擺線泵配油盤的壓油槽被壓出，此過程即為擺線泵的排油過程。

下面以一個(gè)內(nèi)轉(zhuǎn)子齒數(shù)[Z1]=6、外轉(zhuǎn)子齒數(shù)[Z2]=7的擺線泵為例進(jìn)行分析，如圖1（a）所示。其內(nèi)轉(zhuǎn)子的6個(gè)齒分別編號(hào)為i1，i2，…，i6，外轉(zhuǎn)子的7個(gè)齒分別編號(hào)為o1，o2，…，o7，內(nèi)外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速分別為[ω1]和[ω2]（轉(zhuǎn)速比[ω1/ω2=Z2/Z1]），轉(zhuǎn)動(dòng)方向均為逆時(shí)針方向。本文以內(nèi)轉(zhuǎn)子上i1齒和外轉(zhuǎn)子上o1齒的齒間為起點(diǎn)零位，通過分析i1和o1齒間封閉容積[V]的變化來研究該泵的吸油和排油過程。

在圖1（a）位置時(shí)，V腔的容積比較小，隨著內(nèi)外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，V腔的容積逐漸增大[見圖（b）和圖（c）]，V腔內(nèi)產(chǎn)生真空，使油液通過端蓋上月牙形的吸油槽（圖中靠上的虛線框）填充進(jìn)V腔，此即為吸油過程。在圖1（c）位置時(shí)，V腔的容積達(dá)到最大，[V=Vmax]，吸油過程結(jié)束，之后V腔的容積將逐漸變小[見圖1（d）、圖1（e）和圖1（f）]。在V腔減小時(shí)，V腔內(nèi)的油液被擠壓，從與之相通的月牙形排油槽（圖中靠下的虛線框）中排出，此即為排油過程。當(dāng)達(dá)到圖1（f）位置時(shí)，V腔的容積為最小，[V=Vmin]，排油過程結(jié)束。

從圖1可以看出，擺線泵工作期間，外轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一周，齒間封閉容腔即各完成一次吸油和排油的過程。對(duì)于有內(nèi)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為[Z1]、外轉(zhuǎn)子齒數(shù)為[Z2]=[Z1]+1的擺線泵而言，其內(nèi)外轉(zhuǎn)子間有[Z2]個(gè)封閉容腔，因而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過程中有[Z2]個(gè)封閉容腔同時(shí)進(jìn)行吸排油循環(huán)，使擺線泵能夠連續(xù)不斷地進(jìn)行吸油和排油，實(shí)現(xiàn)泵的輸出流量功能。

2 配油盤的設(shè)計(jì)意義

配油盤設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮配油盤的功能與配合方式。配油盤的主要功能如下：與各級(jí)泵內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子、偏心殼體形成密閉容積腔，并對(duì)進(jìn)、出油液起到分油的作用。其結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣直接影響擺線泵的性能，尤其在高轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下更是對(duì)產(chǎn)品工作性能有至關(guān)重要的影響。若在內(nèi)、外轉(zhuǎn)子未形成最大容積之前形成密閉容積腔或與出油槽相通，則會(huì)導(dǎo)致擺線泵的容積效率下降。在高轉(zhuǎn)速、高空狀態(tài)下，這將造成進(jìn)口填充不足，泵性能急劇下降，出口壓力脈動(dòng)過大，而且擺線泵易發(fā)生“氣穴”，對(duì)整個(gè)滑油系統(tǒng)產(chǎn)生氣蝕、噪聲、振動(dòng)等危害。

3 配油盤進(jìn)出油槽設(shè)計(jì)

進(jìn)、出油槽選擇的結(jié)果直接影響泵的效率。選擇進(jìn)油槽時(shí)，應(yīng)當(dāng)保證在齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中形成最大容積之前，齒間容積腔始終與進(jìn)油槽相通，使進(jìn)油槽充滿油液，而不應(yīng)當(dāng)與出油槽相通，直到形成最大容積后開始減小容積時(shí)才能與出油槽相通。

3.1 進(jìn)出油槽設(shè)計(jì)要求

由上述工作原理可知，內(nèi)外轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中通過齒間容積的變化來完成吸油和排油。吸油和排油的過程中，油液需要從隔板上的進(jìn)油槽和出油槽流進(jìn)齒間容積或從齒間容積排出。進(jìn)油槽和出油槽的形狀和位置對(duì)吸油和排油的性能影響很大，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，就可能造成泵的吸排油不暢，影響泵的效率。根據(jù)吸油和排油的原理，進(jìn)出油槽必須滿足以下要求。

3.1.1 密封要求。進(jìn)油槽和出油槽不能相通，其間也不能出現(xiàn)齒間容積造成彼此相通的情況，二者有一定的密封寬度，避免高壓、低壓油相通。

3.1.2 通流要求。在滿足小節(jié)3.1.1的前提下，盡可能擴(kuò)大進(jìn)出油槽的面積，以提高進(jìn)出油的通流能力，以提高泵的效率。

3.1.3 高空要求。在滿足以上兩項(xiàng)條件的前提下，為保證擺線泵具有良好的高空性能，最大限度地完成吸油過程，要盡可能地延長進(jìn)油時(shí)間，即增大吸油口，減小出油口，從而提高泵的高空效率。

3.2 密封界線點(diǎn)的位置

擺線泵工作時(shí)，內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間的部分齒間容積不斷增大，從而完成吸油，因而進(jìn)油口應(yīng)覆蓋所有的有增大趨勢(shì)的齒間容積;部分齒間容積不斷減小，從而完成排油，因而出油口應(yīng)覆蓋所有的有減小趨勢(shì)的齒間容積。當(dāng)齒間容積由大減小到最小容積時(shí)，容積變化的趨勢(shì)要變?yōu)樵龃蟮内厔?shì);齒間容積由小增大到最大容積時(shí)，容積變化的趨勢(shì)要變?yōu)闇p小的趨勢(shì)。

齒間容積最小或最大時(shí)，齒間容積的變化趨勢(shì)將要改變，吸油和壓油過程也將轉(zhuǎn)換，此時(shí)對(duì)應(yīng)的嚙合點(diǎn)即為密封界限點(diǎn)，如圖2所示。

圖2（a）中，最小齒間容積由內(nèi)轉(zhuǎn)子齒頂和外轉(zhuǎn)子齒根部分圍成，密封嚙合點(diǎn)為[A1]和[A2]，[A1]和[A2]關(guān)于[X0]軸對(duì)稱的圖2（b）中，最大齒間容積由內(nèi)轉(zhuǎn)子齒根和外轉(zhuǎn)子齒頂部分圍成，密封嚙合點(diǎn)為[B1]和[B2]，[B1]和[B2]關(guān)于[X0]軸對(duì)稱。

3.3 進(jìn)出油口結(jié)構(gòu)

依據(jù)進(jìn)出油口的功能特點(diǎn)，本研究確定進(jìn)出油口的開口形狀和位置必須滿足密封條件，同時(shí)要考慮擴(kuò)大進(jìn)出油的通流能力。

3.3.1 基本的進(jìn)出油口結(jié)構(gòu)。泛擺線齒輪泵通常用的進(jìn)出油口結(jié)構(gòu)有三種，它們的共同特點(diǎn)是按照密封點(diǎn)[A1]、[A2]、[B1]和[B2]的位置，分隔出油口的位置。這三種進(jìn)、出油口基本形狀均為月牙形，其內(nèi)緣是以[O1]為中心、內(nèi)轉(zhuǎn)子齒根圓半徑[Rir]為半徑的部分圓弧，外緣是以[O2]為中心、外轉(zhuǎn)子齒根圓半徑[Ror]為半徑的部分圓弧。這樣可以覆蓋內(nèi)外轉(zhuǎn)子齒間容積的區(qū)域。另外，進(jìn)出油口的邊緣轉(zhuǎn)角都可用圓角過渡，便于加工。下面分析這三種進(jìn)出油口結(jié)構(gòu)的特征。

3.3.1.1 對(duì)稱三角式進(jìn)出油口（對(duì)角式）。三角式進(jìn)出油口如圖3所示。其特點(diǎn)為：月牙形進(jìn)出油口兩端的邊緣是過[O1]點(diǎn)的斜線。斜線通過了密封點(diǎn)[A1]、[A2]、[B1]和[B2]點(diǎn)，滿足密封條件。其主要尺寸參數(shù)為內(nèi)外轉(zhuǎn)子月牙形起始角[Ai]和[Ao]，月牙形末端角[Bi]和[Bo]。其中，最大密封區(qū)域和最小密封區(qū)域都以齒合點(diǎn)為界限點(diǎn)，中心線共線。當(dāng)內(nèi)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)小角度，最大密封區(qū)域?qū)⑴c出油口連通出油，最小密封區(qū)域與進(jìn)油口相連，進(jìn)入吸油狀態(tài)。

3.3.1.2 對(duì)稱的平行式進(jìn)出油口（平行式）。其形式如圖4所示。進(jìn)出油口的月牙形邊緣皆為平行于[X]軸的水平線，臨界點(diǎn)為最大密封區(qū)域[B1]和[B2]兩個(gè)齒合點(diǎn)和最小密封區(qū)域[A1]和[A2]，其中最大密封區(qū)域和最小密封區(qū)域的中心線在一條線上。

3.3.1.3 非對(duì)稱的擴(kuò)展邊形進(jìn)出油口（夾角式）。如圖5所示，其形式與第一類“對(duì)稱的斜邊形”進(jìn)出油口類似，只是在“對(duì)稱的斜邊形”進(jìn)油口[B1]點(diǎn)的位置將進(jìn)油口擴(kuò)展，以更好地增加吸油口的有效面積，延長吸油時(shí)間，提高吸油的效率。其主要參數(shù)與“對(duì)稱的斜邊形”類似，只是[Bi]角有所擴(kuò)大。目前，通常為了更好地增加吸油口的有效面積，人們會(huì)對(duì)非對(duì)稱的擴(kuò)展邊形進(jìn)出油口優(yōu)化，將其設(shè)計(jì)成對(duì)稱的擴(kuò)展邊形進(jìn)出油口。

3.3.2 高轉(zhuǎn)速下進(jìn)出油腔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)分析。下面選取偏心距為4.5 mm以上的三種基本形式的配油盤進(jìn)行地面和高空性能試驗(yàn)，采用4050航空潤滑油，溫度為常溫，轉(zhuǎn)速為5 936 r/min，地面出口壓力設(shè)置為0.5 MPa，高空狀態(tài)出口壓力0.25 MPa。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)速為5 936 r/min時(shí)，三種結(jié)構(gòu)在不同高度下的容積效率如表1所示。

相比于平行式和對(duì)角式，夾角式結(jié)構(gòu)進(jìn)油截面積增大，更符合流體力學(xué)原理，又因其增大了進(jìn)油面積，有效延長了進(jìn)油時(shí)間，在高轉(zhuǎn)速下，不論是地面工況還是高空工況，其都具有更高的容積效率。

擁有夾角式結(jié)構(gòu)的配油盤在高轉(zhuǎn)速泵的容積效率要求下下降趨勢(shì)最小，在高空環(huán)境中的流量差最小，與現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油泵高空工況下滑油流量盡量平穩(wěn)發(fā)展要求相符，所以從該方面來說，該結(jié)構(gòu)也是最為可取的。

3.4 配油盤夾角式結(jié)構(gòu)優(yōu)化

資料表示，在轉(zhuǎn)速超過10 000 r/min，飛行高度達(dá)到10 000 m，其他參數(shù)條件確定時(shí)，傳統(tǒng)油槽結(jié)構(gòu)的滑油泵容積效率僅為該轉(zhuǎn)速下地面工況的三分之一到四分之一。針對(duì)此種情況，要對(duì)夾角式進(jìn)出油槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化：將油槽中心線朝出油槽方向偏轉(zhuǎn)[α]角（見圖6）;選擇合適的油槽深度[h]。

3.4.1 油槽中心偏轉(zhuǎn)角[α]。為了摸底密封區(qū)域不同偏轉(zhuǎn)角度對(duì)滑油泵性能及高空性能的影響，新航集團(tuán)軍品設(shè)計(jì)五所現(xiàn)已設(shè)計(jì)加工最大密封區(qū)域與偏心圓心連線的偏轉(zhuǎn)角度為0°、15°、25°、30°、35°、45°的隔板，在轉(zhuǎn)速為15 000 r/min時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，分別測(cè)量在地面狀態(tài)和高空4 000、6 000、8 000、10 000 m時(shí)的容積效率。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，改進(jìn)后，滑油泵地面容積效率有所下降，但是高空容積效率有所提升。這是因?yàn)樵诘孛鏍顟B(tài)時(shí)，減小出油槽，縮短了出油時(shí)間，致使油液無法有效排除。在高空狀態(tài)下，大幅增加進(jìn)油面積，延長進(jìn)油時(shí)間，油液得到充分填充，從而有效提高了高空性能。

3.4.2 油槽深度[h]。配油盤上進(jìn)出油槽深度限制了擺線泵最大進(jìn)出油量，對(duì)容積效率有重要意義。不考慮其他內(nèi)外界因素，油槽過淺，限制了配油盤進(jìn)出油量，從而限制了產(chǎn)品性能，降低了容積效率;油槽過深，油液無法有效填滿油槽，導(dǎo)致進(jìn)入齒間容積腔時(shí)產(chǎn)生空穴，不僅降低容積效率，還對(duì)擺線泵造成破壞。現(xiàn)階段，新航集團(tuán)軍品設(shè)計(jì)五所在設(shè)計(jì)擺線泵時(shí)，油槽深度一般與該級(jí)內(nèi)外轉(zhuǎn)子厚度相同。

4 結(jié)論

通過對(duì)不同結(jié)構(gòu)配油盤尺寸進(jìn)行理論試驗(yàn)分析，筆者發(fā)現(xiàn)，無論是地面條件還是高空條件，進(jìn)出油口為擴(kuò)展邊式（夾角式）的擺線泵流量特性均好于平行式和三角式的流量特性。為了提高擺線泵在高空時(shí)的容積效率，在高轉(zhuǎn)速下，油槽中心線偏轉(zhuǎn)角一般向出油出口處偏轉(zhuǎn)25°。這為新航集團(tuán)軍品設(shè)計(jì)五所以后類似產(chǎn)品設(shè)計(jì)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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