國產(chǎn)內(nèi)嚙合齒輪泵的對比測試研究

王迎春，張艷濤

(1.海軍工程大學(xué) 振動與噪聲研究所,湖北 武漢 430033；2.海軍工程大學(xué) 船舶振動噪聲國家重點實驗室,湖北 武漢 430033)

0 前言

齒輪泵廣泛應(yīng)用于日常生產(chǎn)生活中，是比較常見的一種液壓元件，特別是在液壓系統(tǒng)中，齒輪泵的重要性越來越突出。齒輪泵主要包括內(nèi)嚙合齒輪泵和外嚙合齒輪泵兩種類型，相對而言，外嚙合齒輪泵加工簡單，制造難度小，但振動噪聲也更大，內(nèi)嚙合齒輪泵體積緊湊，具備更低的噪聲、更小的流量脈動及更好的吸油能力。為提升工作性能、降低振動噪聲水平，越來越多的場合將外嚙合齒輪泵替換，改用內(nèi)嚙合齒輪泵。隨著我國高端液壓系統(tǒng)的發(fā)展，內(nèi)嚙合齒輪泵的需求越來越大，更多的液壓件生產(chǎn)廠家也將目光聚焦于內(nèi)嚙合齒輪泵上，例如浙江永靈、徐州圣邦等，但我國仍面臨內(nèi)嚙合齒輪泵的自主研發(fā)能力不足，制造加工產(chǎn)品的可靠性差等問題。

內(nèi)嚙合齒輪泵通常指楔塊式內(nèi)嚙合齒輪泵，主要分為漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵和直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵兩種類型[1]。兩種類型內(nèi)嚙合齒輪泵設(shè)計思路和加工要求有所不同，但受制于試驗條件的限制，當前對內(nèi)嚙合齒輪泵的性能測試與分析報道大多以建模分析的形式呈現(xiàn)，實物性能測試試驗較少。浙江大學(xué)劉迎圓[2]基于三維數(shù)值計算模型，對漸開線齒廓高壓內(nèi)嚙合齒輪泵的流動性能進行了仿真分析和結(jié)構(gòu)改進；燕山大學(xué)王小鵬[3]通過集中參數(shù)法，在AMESim平臺上搭建了漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵的流量子模型，分析了流量脈動產(chǎn)生的原因；臺州學(xué)院白福團[4]等通過自主搭建的綜合液壓試驗臺，測試了直線共軛齒廓內(nèi)嚙合齒輪泵的性能；哈爾濱工業(yè)大學(xué)孫立峰[5]利用CFD仿真工具建立了微小內(nèi)嚙合漸開線齒輪泵三微流體模型來模擬泵內(nèi)液壓油的流場分布，分析了齒輪參數(shù)對流量脈動的影響。為準確掌握現(xiàn)階段我國內(nèi)嚙合齒輪泵的實際生產(chǎn)水平，理解兩種類型內(nèi)嚙合齒輪泵的本質(zhì)區(qū)別，對比分析性能差異，選取國產(chǎn)兩個廠家的內(nèi)嚙合齒輪泵開展了性能對比測試，對于準確了解內(nèi)嚙合齒輪泵的技術(shù)特點，推動國內(nèi)內(nèi)嚙合齒輪泵的發(fā)展具有重要意義。

1 內(nèi)嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)

1.1 漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)

漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵中相互嚙合的外齒輪和內(nèi)齒輪之間被月牙板分成了兩個封閉的容腔，當齒輪旋轉(zhuǎn)時，內(nèi)齒輪也被帶動同向旋轉(zhuǎn)，一側(cè)輪齒脫離嚙合，工作容腔變大，形成了真空，油液在大氣壓的作用下進入吸油腔，另一側(cè)輪齒進入嚙合，容積減小，油液被擠壓出去。當齒輪泵連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動時，吸油腔和排油腔就不斷的吸油和排油，從而形成一個不斷循環(huán)的過程。其結(jié)構(gòu)如圖 1所示[6]，圖 2為國產(chǎn)的一款漸開線齒輪泵實物。

圖1 漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)圖

圖2 漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵實物圖

1.2 直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)

直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵的基本結(jié)構(gòu)如圖 3所示。其主要由齒輪、齒圈以及月牙板三部分組成。工作時，內(nèi)部齒輪與電機軸相連，帶動齒圈旋轉(zhuǎn)；月牙板用于隔絕吸、排油腔。在吸油口，齒輪和齒圈脫開，吸油區(qū)的容腔體積增大形成真空，完成吸油；吸入的油液通過齒輪、齒圈與月牙板形成的密閉過渡腔將油液運輸至出油口；在出油口齒輪和齒圈互相嚙合，壓縮高壓油進入排油口排油。其中，齒輪為主動輪，齒圈為從動輪，月牙板固定在泵體上[7]。圖 4為日本住友公司生產(chǎn)的一款直線共軛齒輪泵實物圖。

圖3 直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)圖

1.3 兩種內(nèi)嚙合齒輪泵對比

漸開線齒輪副具有可分性，因此其中心距變化時可保持傳動比不變，故漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵可以設(shè)計成徑向間隙補償式結(jié)構(gòu)，使其具有容積效率高，可靠性好等優(yōu)點，也可以適當放寬漸開線齒輪的加工公差，以利于加工和裝配，因此其制造難度較小[8]。漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵的徑向結(jié)構(gòu)通常如圖 1所示，通過將出口壓力油引入間隙內(nèi)部實現(xiàn)自動補償，也正因如此，無法實現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)。

直線共軛內(nèi)嚙合齒輪副不具備可分性，中心距發(fā)生較大變化往往導(dǎo)致其難以有效嚙合，改變其傳動特性，故直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵必須采用間隙固定式結(jié)構(gòu)設(shè)計。這也導(dǎo)致其必須依靠加工精度保證嚙合點的對應(yīng)關(guān)系，并實現(xiàn)高壓下齒輪副之間的密封與潤滑，因此其加工難度較大。通常，該泵易于設(shè)計成完全對稱結(jié)構(gòu)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)四象限運行。但為彌補加工制造精度的不足，降低成本，國產(chǎn)直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵通常將出口壓力油引入齒圈與殼體間隙，彌補徑向難以補償?shù)娜毕?，如圖 5所示，以形成齒圈與殼體摩擦副間的靜壓潤滑，但該結(jié)構(gòu)設(shè)計會使齒輪泵只能單向旋轉(zhuǎn)。因此，國產(chǎn)直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵目前也僅具備單向旋轉(zhuǎn)的能力。

圖5 齒圈與殼體摩擦副間的靜壓潤滑槽

2 內(nèi)嚙合齒輪泵試驗分析對比

為了綜合對比國產(chǎn)兩種類型內(nèi)嚙合齒輪泵的技術(shù)水平和差異，選取了CP0-20-P-10R型漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵與IGP4-M025-SF-3型直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵，分別如圖6、圖7所示，其出廠性能參數(shù)見表1。

圖6 CP0-20-P-10R型漸開線齒輪泵

圖7 IGP4-M025-SF-3型直線共軛齒輪泵

表1 兩種內(nèi)嚙合齒輪泵參數(shù)對比

2.1 液壓泵關(guān)鍵評判指標

液壓泵性能主要由容積效率、機械效率、耐沖擊性能等指標判定。

容積效率指的是泵的實際輸出流量與理論流量的比值[9]，可表示為

(1)

式中，Q為液壓泵的實際輸出流量；Q0為泵的理論輸出流量。

機械效率是泵的理論轉(zhuǎn)矩(由壓力作用于轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的液壓轉(zhuǎn)矩)與泵軸上實際輸出轉(zhuǎn)矩之比，可表示為

(2)

式中，p為液壓泵的工作壓力；q0為泵的排量；Ti為泵的輸入轉(zhuǎn)矩。

2.2 試驗平臺

參考GB/T13853-2009等相關(guān)液壓泵馬達測試標準[10]，主要對比兩種泵的容積效率、機械效率、總效率和空氣噪聲性能。試驗測試用液壓試驗平臺如圖8所示，主要由伺服電機、比例溢流閥、蓄能器、流量計、壓力傳感器、扭矩轉(zhuǎn)速儀等組成。測試時，由伺服電機驅(qū)動被試泵，通過溢流閥設(shè)定負載壓力，被試泵的轉(zhuǎn)速、排油壓力、流量、扭矩以及介質(zhì)溫度等分別通過各種傳感器獲得。試驗過程中，通過測試平臺軟件可改變電機速度轉(zhuǎn)向、溢流閥壓力等滿足各種試驗工況，測試過程圖如圖9所示。

圖8 液壓泵綜合性能試驗臺原理圖

圖9 測試過程圖

2.3 試驗數(shù)據(jù)處理與分析

該直線共軛齒廓內(nèi)嚙合齒輪泵相對于漸開線齒廓內(nèi)嚙合齒輪泵來說，在低轉(zhuǎn)速下即出現(xiàn)明顯振動，但低轉(zhuǎn)速下隨著負載壓力的升高振動減弱，漸開線齒廓內(nèi)嚙合齒輪泵(CP0-20-P-10R)在2 000 r/min下開始產(chǎn)生明顯振動。

液壓泵的振動可分為機械振動與流體振動[11]，對于內(nèi)嚙合齒輪泵來說，機械振動主要是由工作過程中泵的旋轉(zhuǎn)部件(齒輪齒圈)偏心或不平衡引起的[12]；流體振動主要由流量脈動引起[13]。但試驗過程中，低轉(zhuǎn)速下該直線共軛齒廓內(nèi)嚙合齒輪泵管路出現(xiàn)明顯的吸空聲音，由此判斷低轉(zhuǎn)速下該直線共軛齒輪泵的流量脈動大于該漸開線齒輪泵，導(dǎo)致泵振動明顯。

如圖 10、圖 11所示為機械效率曲線圖，通過對比可知，負載條件下兩泵機械效率差別不大，但空載條件下，漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵(CP0-20-P-10R)機械效率要大于直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵(IGP4-M025-SF-3)。

圖10 轉(zhuǎn)速-機械效率圖

圖11 壓力-機械效率圖

液壓泵的機械損耗主要指各種摩擦帶來的損耗，且對于內(nèi)嚙合齒輪泵來說，摩擦副較多，因此提高其關(guān)鍵摩擦副的減摩耐磨性能可以有效提高泵的機械效率，試驗結(jié)果反映出該漸開線齒輪泵內(nèi)部摩擦副的減磨耐磨性能優(yōu)于該直線共軛齒輪泵。

如圖 12、圖 13所示為容積效率曲線圖，通過對比可知，兩泵的容積效率都比較高，負載壓力小于10 MPa時，容積效率大于95%，直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵(IGP4-M025-SF-3)波動較大；隨負載壓力升高，兩泵的容積效率呈現(xiàn)下降趨勢，漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵(CP0-20-P-10R)下降較緩慢，低油溫下兩泵差別不大，高溫高壓下漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵(CP0-20-P-10R)的容積效率明顯大于IGP4-M025-SF-3泵。

圖12 轉(zhuǎn)速-容積效率圖

圖13 壓力-容積效率圖

液壓泵的容積效率與運動件間隙，工作壓力，工作介質(zhì)粘度以及轉(zhuǎn)速有關(guān)，體現(xiàn)了泵抵抗泄漏的能力[14]。試驗結(jié)果顯示該漸開線齒輪泵的抗泄漏能力更強，這與兩泵的結(jié)構(gòu)有關(guān),該漸開線齒輪泵的月牙板是分離式結(jié)構(gòu)，可緊貼內(nèi)外齒輪齒頂形成密封，進行徑向補償，減少徑向泄漏，而直線共軛內(nèi)嚙合齒輪副不具備可分性，導(dǎo)致其徑向間隙固定，不能有效密封。并且該漸開線齒輪泵軸向具有浮動側(cè)板，高壓油引進后使其壓緊在齒輪副端面上，實現(xiàn)了泵的軸向有效密封[6]。溫度主要通過影響工作介質(zhì)的粘度影響容積效率，通過粘溫曲線[15]可知，液壓油粘度隨溫度升高而降低，使泄漏增加，容積效率降低。

如圖 14所示為空氣噪聲曲線圖，兩泵運行時產(chǎn)生的噪聲都會隨著轉(zhuǎn)速與負載壓力的提高而變大，負載壓力小于10 MPa情況下，漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵(CP0-20-P-10R)運轉(zhuǎn)噪聲略小于直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵(IGP4-M025-SF-3)。

圖14 壓力-空氣噪聲圖

綜上分析，該CP0-20-P-10R型漸開線齒廓內(nèi)嚙合齒輪泵整體工作性能要略優(yōu)于該IGP4-M025-SF-3型直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵。

3 結(jié)語

該試驗用兩泵總體性能較好，屬于國內(nèi)發(fā)展較成熟的內(nèi)嚙合齒輪泵，同時也可以看出，兩種類型內(nèi)嚙合齒輪泵均存在容積效率波動較大，高壓高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動噪聲較大等問題。通過試驗分析，可從降低流量脈動、提高摩擦副材料的減摩耐磨性能、改進補償結(jié)構(gòu)等方面研究改進，為后續(xù)提高國產(chǎn)化內(nèi)嚙合齒輪泵綜合性能指明了方向。