內(nèi)嚙合齒輪泵發(fā)展綜述

陳宗斌，何 琳，廖 健

(1.海軍工程大學(xué) 振動(dòng)與噪聲研究所, 湖北 武漢 430033；2.海軍工程大學(xué) 船舶振動(dòng)噪聲國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430033)

引言

內(nèi)嚙合齒輪泵與外嚙合的工作原理基本一致，都是由齒輪嚙合產(chǎn)生容積變化吸排油。但是，內(nèi)嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，且齒輪和齒圈內(nèi)接觸的結(jié)構(gòu)形式，使其接觸點(diǎn)變長(zhǎng)，因此有更好的密封效果，更大吸排油壓力角，進(jìn)而具備更低的噪聲、更小的流量脈動(dòng)以及更好的吸油能力[1]。內(nèi)嚙合齒輪泵優(yōu)勢(shì)明顯，但是造價(jià)相對(duì)較高，制造難度更大。通常所指的內(nèi)嚙合齒輪泵為楔塊式泵，分為漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪泵和直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵兩類。近年來(lái)，隨著我國(guó)液壓系統(tǒng)的升級(jí)改造，越來(lái)越多的場(chǎng)合，將外嚙合齒輪泵替換為內(nèi)嚙合齒輪泵，以提升性能，降低振動(dòng)噪聲水平。但我國(guó)內(nèi)嚙合齒輪泵的自主研發(fā)能力仍不足，市售產(chǎn)品多借鑒國(guó)外產(chǎn)品逆向工程而來(lái)，高端開(kāi)發(fā)和研究不足。為分析兩類內(nèi)嚙合齒輪泵的技術(shù)特點(diǎn)，掌握技術(shù)發(fā)展動(dòng)向和趨勢(shì)。本研究分別介紹了兩類齒輪泵的典型結(jié)構(gòu)形式，總結(jié)提煉了國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品現(xiàn)狀，梳理了國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，指出了未來(lái)發(fā)展方向，對(duì)深入掌握內(nèi)嚙合齒輪泵的技術(shù)特點(diǎn)，推動(dòng)內(nèi)嚙合齒輪泵的技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

1 內(nèi)嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)

如圖1所示，漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪中相互嚙合的外齒輪和內(nèi)齒輪之間被月牙板分成了2個(gè)封閉的容腔，當(dāng)齒輪按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)齒輪也被帶動(dòng)同向旋轉(zhuǎn)，右側(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(jìn)入吸油腔，左側(cè)齒輪進(jìn)入嚙合，容積減小，油液被擠壓出去。齒輪泵連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，吸油腔和排油腔不斷的吸排油，從而形成不斷循環(huán)的輸油過(guò)程。

圖1 漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪泵

圖2為漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪泵分解圖，分離式月牙板包括上下兩部分，用來(lái)貼緊內(nèi)外齒輪齒頂形成密封，進(jìn)行徑向補(bǔ)償，減少?gòu)较蛐孤?。上下兩月牙板之間插入彈簧片，以支撐上下月牙塊緊貼齒頂形成密封，彈簧片上支撐密封條以防止上下月牙板之間的間隙泄漏，將吸油腔和壓油腔隔開(kāi)。上下兩月牙板通過(guò)止動(dòng)銷定位在其軸向兩側(cè)的浮動(dòng)側(cè)板上。內(nèi)嚙合齒輪副前后端面與前后浮動(dòng)側(cè)板接觸，浮動(dòng)側(cè)板受力壓緊在齒輪副端面上實(shí)現(xiàn)了齒輪泵內(nèi)部壓力容腔的軸向密封；浮動(dòng)側(cè)板上沿內(nèi)外齒輪的齒根開(kāi)油槽使其前后軸向端面所受液壓力平衡。

圖2 漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪泵分解圖[2]

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(shí)，內(nèi)部齒輪與電機(jī)軸相連，帶動(dòng)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(kāi)，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(guò)齒輪、齒圈與月牙板形成的密閉過(guò)渡腔將油液運(yùn)輸至出油口；在出油口齒輪和齒圈互相嚙合，壓縮高壓油進(jìn)入排油口排油。其中，齒輪為主動(dòng)輪，齒圈為從動(dòng)輪，月牙板固定在泵體上。

圖3 直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵

圖4為典型的直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵分解圖，直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵分為單向和雙向兩種，如為單向泵則不存在單獨(dú)的泄油口，端面泄漏進(jìn)入軸套內(nèi)的液壓油與進(jìn)油口相連，直接流回吸油口；若雙向旋轉(zhuǎn)，則單獨(dú)布置泄油口，一般通過(guò)傳動(dòng)軸內(nèi)部設(shè)置泄油流道，將軸套內(nèi)以及骨架密封處的端面泄漏液壓油引出。

圖4 直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵分解圖

1.3 兩類內(nèi)嚙合齒輪泵對(duì)比

由于工作齒輪的齒型不同，導(dǎo)致上述兩種液壓泵結(jié)構(gòu)形式也存在較大差異，如圖5所示，漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪運(yùn)動(dòng)過(guò)程中其傳動(dòng)比：

圖5 漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪泵傳動(dòng)比

(1)

其中O1N1和O2N2分別為兩齒輪的基圓半徑。由于基圓半徑是定值，因此中心距O1O2改變，其傳動(dòng)比始終不變。由于漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪副存在上述可分性，故可以設(shè)計(jì)成徑向間隙補(bǔ)償式結(jié)構(gòu)，使其具有容積效率高，可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，也可以適當(dāng)放寬漸開(kāi)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。徑向補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)通常如圖1所示，通過(guò)將出口壓力油引入間隙內(nèi)部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償，也正因如此，導(dǎo)致其無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)[3]。

直線共軛內(nèi)嚙合齒輪副嚙合點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，中心距發(fā)生較大變化將導(dǎo)致其難以有效嚙合，改變傳動(dòng)特性，因此直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵必須采用間隙固定式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于齒型不具備可分性，導(dǎo)致其必須依靠加工精度保證嚙合點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并實(shí)現(xiàn)高壓下齒輪副之間的密封與潤(rùn)滑，因此加工難度較大，甚至要求齒輪、齒圈及殼體關(guān)鍵摩擦副之間單配，以保證高壓下的有效密封。如圖3所示，由于不存在徑向間隙補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，該泵結(jié)構(gòu)上可實(shí)現(xiàn)完全對(duì)稱，使得該泵成為目前唯一一款可四象限運(yùn)行的內(nèi)嚙合齒輪泵。

此外，由于齒型不同，導(dǎo)致其輸出流量脈動(dòng)特性也不相同。如圖6和圖7所示，為未考慮卸荷槽影響下隨轉(zhuǎn)角θ，兩種內(nèi)嚙合齒輪泵輸出流量q特性的對(duì)比圖，其主要差異表現(xiàn)在困油容積V上。漸開(kāi)線齒輪泵困油容積呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，容積減小過(guò)程局部困油區(qū)的壓力會(huì)陡增，產(chǎn)生抵抗兩齒輪嚙合的作用力；容積增大過(guò)程局部壓力會(huì)突減，甚至出現(xiàn)真空發(fā)生氣蝕。相比而言，直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵困油容積更小，且逐漸增大，困油區(qū)局部壓力逐漸降低，液壓徑向力會(huì)產(chǎn)生促進(jìn)齒輪嚙合的力，因此其傳動(dòng)更平穩(wěn)，輸出流量波動(dòng)也更小[4-5]。

圖6 流量脈動(dòng)對(duì)比

圖7 困油容積對(duì)比

2 產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪泵

1962年德國(guó)人ECKERLE O[6]首先提出了一種漸開(kāi)線線型的內(nèi)嚙合齒輪泵發(fā)明專利。隨后艾可樂(lè)公司針對(duì)該型泵申請(qǐng)了一系列專利，主要集中在設(shè)計(jì)徑向補(bǔ)償結(jié)構(gòu)以提升高壓下的容積效率方面[7-10]。在1980年申請(qǐng)的專利中，艾可樂(lè)公司提出了包括止動(dòng)銷、分離式月牙、密封條以及簧片式的徑向密封結(jié)構(gòu)[11]，成為了該泵一直沿用至今的關(guān)鍵徑向補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，艾可樂(lè)公司針對(duì)性開(kāi)發(fā)出不同類型產(chǎn)品，分為移動(dòng)液壓領(lǐng)域、工業(yè)液壓領(lǐng)域和農(nóng)業(yè)液壓領(lǐng)域3種，主要包括EIPC，EIPH，EIPS，EIPR等多個(gè)系列產(chǎn)品，其工作壓力達(dá)32 MPa，容積效率達(dá)96%以上，適用黏度為10～300 mm/s2。目前，Rexroth公司也生產(chǎn)該類型齒輪泵，分為PGF，F(xiàn)GM和PGH 3個(gè)系列，主要包含中壓25 MPa和高壓35 MPa 2個(gè)類型，不同型號(hào)區(qū)別在于進(jìn)出油口的方向。德國(guó)VOITH公司生產(chǎn)的齒輪泵主要分為33 MPa高壓泵IPV和25 MPa 中壓泵IPC兩種規(guī)格，其徑向和軸向設(shè)計(jì)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，齒輪齒圈采用修正的漸開(kāi)線齒形，使其有較高的容積效率和機(jī)械效率。此外，日本不二越、德國(guó)的Hoerbiger 公司、HYDAC公司、意大利的Duplomatic 公司等也生產(chǎn)該種類型高壓泵。

該泵在國(guó)內(nèi)的發(fā)展相對(duì)比較晚，2000年左右寧波華液機(jī)器制造有限公司基于Eckerle的EIP泵，研制漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪泵，生產(chǎn)出了一系列IGP型號(hào)的內(nèi)嚙合齒輪泵，其轉(zhuǎn)速可達(dá)3000 r/min，峰值壓力可達(dá)33 MPa[12]。海特克液壓早期依托美國(guó)SUNNY技術(shù)輔助，借鑒國(guó)外成熟產(chǎn)品，于2012年左右開(kāi)發(fā)出HG和CS兩個(gè)系列內(nèi)嚙合齒輪泵，其中CS系列結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)插軸式設(shè)計(jì)，主要用于叉車等小排量領(lǐng)域；HG系列與艾克樂(lè)EIP系列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)幾乎一致，最高壓力可達(dá)31.5 MPa，最高轉(zhuǎn)速3000 r/min，主要運(yùn)用于注塑機(jī)、工程車輛等領(lǐng)域。海特克漸開(kāi)線內(nèi)嚙合具有高壓、低噪聲、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)越性能，遠(yuǎn)銷海外，基本代表了我國(guó)漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪泵的水平。近年來(lái)，浙江永靈、威博液壓等單位也在逐步開(kāi)發(fā)漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪泵。總體來(lái)看，我國(guó)漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪泵的發(fā)展和技術(shù)水平已較為接近國(guó)際先進(jìn)水平，產(chǎn)品差異主要體現(xiàn)在可靠性上。

2.2 直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵

1966年，TURNINGER P[13]申請(qǐng)了直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵的發(fā)明專利，首次提出了該類線型的內(nèi)嚙合齒輪泵。專利申請(qǐng)后，授權(quán)在英國(guó)、德國(guó)、美國(guó)和日本生產(chǎn)該型泵，但之后，并沒(méi)有針對(duì)該泵的相關(guān)技術(shù)資料和研究文獻(xiàn)公開(kāi)。2000年，Bucher液壓收購(gòu)瑞典Turninger公司液壓泵分部，至此該泵成為了Bucher公司的主力產(chǎn)品，主要分為適用于0.8～10 mm/s2的低黏度QXV系列和適用于黏度為10～300 mm/s2的QXM系列，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)一步延伸出QXP型計(jì)量泵和QXEM齒輪軸一體式的低噪聲泵。QXM是布赫在第五代產(chǎn)品QX系列上發(fā)展延伸而來(lái)，優(yōu)化了齒形、進(jìn)出口油腔等關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，使得第六代產(chǎn)品具有更低的流量脈動(dòng)和更小的噪聲。市場(chǎng)上直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵以Bucher公司產(chǎn)品為主，日本住友公司也生產(chǎn)該型泵，但其仍為該型泵的第四代QT系列和第五代QX系列產(chǎn)品。為滿足國(guó)內(nèi)注塑機(jī)行業(yè)對(duì)該型泵的需求，2004年日本住友與寧波海天機(jī)械合資成立了中國(guó)住精液壓有限公司，專門生產(chǎn)QT系列泵，因此中國(guó)市場(chǎng)上較多出現(xiàn)住友產(chǎn)品身影。資料顯示，北美CIRCOR泵業(yè)公司也在開(kāi)發(fā)該型泵，但尚未見(jiàn)到成熟產(chǎn)品提供[14]。

國(guó)內(nèi)關(guān)于直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵的研究最早始于1987年，煤炭科學(xué)院上海研究所周祥[15]研究了該型泵的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，董信根[16-17]分析了該泵的基本結(jié)構(gòu)形式并研究了加工齒刀的線型，陳忠強(qiáng)等[18]通過(guò)解析式法推導(dǎo)了流量脈動(dòng)特性。基于探索研究，煤炭研究所與上海航發(fā)合作，以國(guó)外第四代產(chǎn)品QT系列為研仿對(duì)象，1992年開(kāi)發(fā)了國(guó)內(nèi)首款直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵——上海航發(fā)NB系列[19]。此后，上海航發(fā)又在上海理工大學(xué)技術(shù)支持下，2004年以國(guó)外第五代QX系列為研仿對(duì)象，形成了國(guó)內(nèi)NBX系列直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵，最高壓力21 MPa，容積效率87%[20]。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)水平最高壓力可達(dá)32 MPa，容積效率85%，振動(dòng)噪聲70 dB(A)左右。目前，國(guó)產(chǎn)直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵的生產(chǎn)廠家主要為上海航發(fā)、布赫愗鑫、上海航投、秦川機(jī)床廠以及博創(chuàng)液壓等幾家單位，相關(guān)企業(yè)的研發(fā)和設(shè)計(jì)投入均有限，開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的基本性能和可靠性不及國(guó)外產(chǎn)品。寧波住精液壓也僅在國(guó)內(nèi)完成裝配和試驗(yàn)測(cè)試，關(guān)鍵零部件——齒輪齒圈仍由日本進(jìn)口，國(guó)內(nèi)僅生產(chǎn)QT系列的部分產(chǎn)品，且只能滿足單向旋轉(zhuǎn)的使用需求，關(guān)鍵工藝技術(shù)仍對(duì)中國(guó)保密。

2.3 新型產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

(1) 可多象限運(yùn)行內(nèi)嚙合泵的開(kāi)發(fā)：新型直驅(qū)式容積伺服系統(tǒng)通過(guò)電機(jī)變速變向?qū)崿F(xiàn)液壓系統(tǒng)的容積控制，因此對(duì)液壓泵多象限運(yùn)行的需求越來(lái)越高。內(nèi)嚙合齒輪泵具有較好的轉(zhuǎn)速-流量特性，特別適合變轉(zhuǎn)速傳動(dòng)[21]。由于存在徑向補(bǔ)償式結(jié)構(gòu)，典型漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪泵只能單向運(yùn)行，國(guó)內(nèi)也大多認(rèn)為該泵無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)行。但是，早在20世紀(jì)末期艾克樂(lè)公司就認(rèn)識(shí)到了多象限運(yùn)行內(nèi)嚙合齒輪泵的發(fā)展前景，相繼申請(qǐng)了多項(xiàng)可雙向運(yùn)行內(nèi)嚙合齒輪泵專利[22-23]，圖8為早期專利產(chǎn)品圖。如今，艾克樂(lè)公司已開(kāi)發(fā)出可雙向運(yùn)行漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪泵成熟產(chǎn)品，如圖9、圖10所示，但該產(chǎn)品不公開(kāi)銷售，且嚴(yán)格控制銷售范圍。直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵完全依靠間隙實(shí)現(xiàn)摩擦副之間的配合密封和潤(rùn)滑，易設(shè)計(jì)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，如Bucher公司的QX系列具備四象限運(yùn)行能力。通過(guò)固定式間隙實(shí)現(xiàn)密封和潤(rùn)滑加工難度較大，且加工精度控制不好易引發(fā)摩擦磨損導(dǎo)致可靠性不高。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家為改善密封性能，均采取了開(kāi)設(shè)靜壓支撐槽、單向泄油等措施，加上國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家對(duì)該泵的理解和開(kāi)發(fā)能力偏弱，導(dǎo)致現(xiàn)在國(guó)內(nèi)仍無(wú)法生產(chǎn)制造可多向運(yùn)行的直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵。

圖8 雙向漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪泵早期專利圖

圖9 艾克樂(lè)展示的雙向泵

圖10 艾克樂(lè)運(yùn)用于汽車等移動(dòng)液壓領(lǐng)域的雙向泵

(2) 低黏度內(nèi)嚙合泵的開(kāi)發(fā)：漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪泵的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)使其可適應(yīng)較大范圍黏度，目前成熟產(chǎn)品主要適用于10～300 mm/s2。為了拓展應(yīng)用范圍，浙江大學(xué)周華研究團(tuán)隊(duì)[2，24]持續(xù)開(kāi)展了水液壓漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪泵的研究，1500 r/min時(shí)輸出壓力可達(dá)到3.4 MPa。直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵已有可用于0.8～10 mm/s2的低黏度流體的QXV系列產(chǎn)品，為了拓展應(yīng)用至水傳動(dòng)領(lǐng)域，博創(chuàng)液壓正在開(kāi)發(fā)水液壓直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵，如圖11所示，其主要在配合間隙以及表面處理工藝上有較大改進(jìn)，1500 r/min下可輸出壓力4 MPa。上海航投也正在開(kāi)發(fā)適用于輸送聚氨酯液體的直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵。

圖11 博創(chuàng)液壓開(kāi)發(fā)的水液壓直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵

(3) 電液泵的開(kāi)發(fā)：電液泵取消了傳統(tǒng)的聯(lián)軸器，將電機(jī)和液壓泵融合式設(shè)計(jì)，具有集成方式靈活、功率密度大、振動(dòng)噪聲低等眾多優(yōu)勢(shì)，是液壓動(dòng)力源的重要發(fā)展方向[25-26]。德國(guó)VOITH公司首先開(kāi)發(fā)了集成內(nèi)嚙合齒輪泵的電液泵，如圖12所示，早期申請(qǐng)的專利取消了聯(lián)軸器，簡(jiǎn)單的將電機(jī)和泵同軸集成在了一起[27]。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，VOITH公司已形成了成熟的電液泵產(chǎn)品，電機(jī)和泵高度融合，如圖13所示。相比常規(guī)的電機(jī)和泵組合，噪聲可降低12 dB(A)，體積可減小50%，泵內(nèi)油液可強(qiáng)迫冷卻電機(jī)，易損件減少，可靠性進(jìn)一步提升。艾可樂(lè)公司則直接將電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、調(diào)速電機(jī)以及內(nèi)嚙合齒輪泵三者集成，形成MPU單元，如圖14所示，雖未見(jiàn)產(chǎn)品對(duì)外銷售，但資料表明其已完成了電液泵的開(kāi)發(fā)[28-29]。國(guó)內(nèi)北京航空航天大學(xué)基于內(nèi)嚙合齒輪泵和無(wú)刷直流電機(jī)融合設(shè)計(jì)了電液泵，但僅完成了設(shè)計(jì)分析及原理樣機(jī)加工等基礎(chǔ)工作，距離產(chǎn)品化仍有差距[26]。博創(chuàng)液壓也開(kāi)展了電液泵的開(kāi)發(fā)工作，但目前僅將伺服電機(jī)和直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵同軸設(shè)計(jì)，仍處于初級(jí)階段，尚未看到有國(guó)內(nèi)其他企業(yè)開(kāi)展集成內(nèi)嚙合齒輪泵的電液泵產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。

圖12 VOITH公司早期電液泵專利圖

圖13 EPAI產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

圖14 MPU產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

3 關(guān)鍵技術(shù)及研究熱點(diǎn)

3.1 齒形的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

齒形是內(nèi)嚙合齒輪泵設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，優(yōu)化齒形設(shè)計(jì)能夠有效降低流量脈動(dòng)，提升整體性能。漸開(kāi)線齒輪的設(shè)計(jì)體系較為成熟，LITVIN[30]專著論述了漸開(kāi)線齒輪的數(shù)值設(shè)計(jì)方法，我國(guó)學(xué)者張展[3]采用解析方法詳細(xì)分析了直齒圓柱漸開(kāi)線齒輪的設(shè)計(jì)方法。近年來(lái)，為優(yōu)化漸開(kāi)線齒形，DAMIAN[31]編譯了專門的漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪泵設(shè)計(jì)軟件，SHYUE Cheng[32]設(shè)計(jì)了雙包絡(luò)斜齒漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪泵，宋偉[24]、CUNEYT[33]設(shè)計(jì)了全嚙合漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪泵。

直線共軛內(nèi)嚙合齒輪副不是標(biāo)準(zhǔn)齒形，因此尚未統(tǒng)一定義分度圓、變位等概念。參考漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪泵的定義和設(shè)計(jì)方法，一般直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵的基本參數(shù)包括齒輪和齒圈齒數(shù)、模數(shù)、齒頂高系數(shù)、齒根高系數(shù)、齒輪齒形半角及齒輪齒厚對(duì)應(yīng)圓心角?；谏鲜龌驹O(shè)計(jì)參數(shù)，煤炭研究所陳忠強(qiáng)等[18]推導(dǎo)了直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵的流量脈動(dòng)特性和卸荷槽設(shè)計(jì)方法，楊國(guó)來(lái)等[34]給出了基于嚙合角函數(shù)的直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵齒廓方程，魏偉鋒等[35]給出了直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵齒廓的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，胡翰林等[36]采用解析法建立數(shù)學(xué)模型優(yōu)化設(shè)計(jì)了直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵的齒形參數(shù)，提高了排量，降低了流量脈動(dòng)系數(shù)。段剛等[37]參照漸開(kāi)線齒輪規(guī)范了直線齒廓外齒輪的基本參數(shù)，給出了齒形半角、壓力角和最小齒數(shù)的關(guān)系，研究了齒頂高系數(shù)、壓力角和重合度的關(guān)系。宋偉等[38-39]參考LITVIN的數(shù)值計(jì)算方法，給出了直線共軛內(nèi)嚙齒輪副的數(shù)值設(shè)計(jì)方法，并分析了輸出流量脈動(dòng)和困油特性，討論了齒形各參數(shù)對(duì)輸出流量和流量脈動(dòng)系數(shù)的影響。國(guó)外針對(duì)直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵的研究文獻(xiàn)幾乎沒(méi)有。國(guó)內(nèi)針對(duì)直線共軛齒形的設(shè)計(jì)和認(rèn)識(shí)也還不深，仍需統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，建立完備的設(shè)計(jì)體系。

3.2 摩擦副的密封與潤(rùn)滑特性研究

內(nèi)嚙合齒輪泵中包含多組摩擦副，例如軸與軸套摩擦副，齒輪齒圈端面與殼體摩擦副以及齒輪副之間的摩擦副。摩擦副的配合主要起如下作用：①密封作用，在運(yùn)動(dòng)部件摩擦副之間形成密封面，防止高壓油泄漏，降低容積效率；②潤(rùn)滑作用，通過(guò)配合間隙在滑動(dòng)面之間形成良好的動(dòng)力潤(rùn)滑，避免摩擦副的磨損和燒結(jié)損壞；③力傳遞作用，通過(guò)配合間隙傳遞驅(qū)動(dòng)力，完成有效嚙合排油[40]。齒輪軸與軸套摩擦副，齒輪齒圈端面與殼體摩擦副控制難度小，容易在加工過(guò)程中得到有效保證。齒輪副之間的摩擦副互相耦合，且在內(nèi)嚙合泵運(yùn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)態(tài)變化，是影響內(nèi)嚙合泵可靠性的關(guān)鍵摩擦副。以直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵為例，為了支撐和平衡齒圈的運(yùn)動(dòng)，在齒圈和殼體之間形成齒圈殼體摩擦副，如圖15所示；為分隔進(jìn)出油口，在齒輪/齒圈與月牙之間形成齒輪/齒圈月牙摩擦副，如圖16所示；為實(shí)現(xiàn)嚙合傳動(dòng)，在齒輪齒圈之間形成齒輪嚙合摩擦副，如圖17所示。以上構(gòu)成了直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵最關(guān)鍵的3組摩擦副。

圖15 齒圈與殼體配合摩擦副

圖16 齒頂與月牙配合摩擦副

圖17 齒輪嚙合摩擦副

關(guān)于齒圈殼體摩擦副方面，INAGUMA[41-42]研究了轉(zhuǎn)速、壓力以及油液溫度對(duì)齒圈所受摩擦力的影響，在吸油區(qū)設(shè)計(jì)凹槽結(jié)構(gòu)以改善摩擦副的潤(rùn)滑條件。PELLEGRI[43]建立了齒圈微運(yùn)動(dòng)軌跡求解模型，結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性，為摩擦副配合間隙的設(shè)計(jì)提供了參考。MAO Jun[44]針對(duì)發(fā)現(xiàn)的齒圈與殼體摩擦副磨損黏著現(xiàn)象，基于流體仿真軟件校核了不同工況下齒圈受到的不平衡徑向力。杜睿龍[2，45]基于流體動(dòng)力潤(rùn)滑理論求解了齒圈殼體摩擦副間的潤(rùn)滑特性，將潤(rùn)滑膜壓力場(chǎng)分解為靜壓壓力場(chǎng)、動(dòng)壓壓力場(chǎng)以及擠壓壓力場(chǎng)三部分作用的結(jié)果，研究了不同工況下齒圈的微運(yùn)動(dòng)軌跡及潤(rùn)滑膜的變化，但模型未考慮彈性變形及溫度效應(yīng)的影響。PHAM[46]研究了內(nèi)嚙合齒輪泵齒圈與殼體摩擦副，分析了其偏心運(yùn)動(dòng)軌跡，指出齒圈偏心直接影響油膜厚度，必須在設(shè)計(jì)之初予以考慮。關(guān)于齒輪/齒圈與月牙配合摩擦副方面，吳軍強(qiáng)等[47]以泄漏量和功率損失最小為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化了齒輪齒頂與月牙板間的間隙。郝志勇、張建卓等[48-49]分析了浮動(dòng)式月牙塊運(yùn)行中的受力情況，對(duì)月牙塊的的角度進(jìn)行了優(yōu)化以改進(jìn)摩擦副的密封與潤(rùn)滑特性。關(guān)于齒輪嚙合摩擦副方面，自1916年MARTIN首先將雷諾方程用于分析解決齒輪潤(rùn)滑問(wèn)題以來(lái)，現(xiàn)代潤(rùn)滑理論已能夠比較接近實(shí)際的解決齒輪潤(rùn)滑問(wèn)題。但目前關(guān)于齒輪潤(rùn)滑問(wèn)題的研究集中在常見(jiàn)的外嚙合漸開(kāi)線齒輪副上，例如黃其柏、楊叔子探討了齒側(cè)間隙與輻射噪聲關(guān)系，并給出了確定低噪聲齒輪副齒側(cè)間隙的方法[50]。李桂華等[51]、袁杰紅等[52]研究了齒側(cè)間隙受熱變形的影響，杜坤等[53]分析了齒側(cè)間隙引發(fā)的嚙合沖擊。相關(guān)研究均以傳動(dòng)領(lǐng)域的漸開(kāi)線外嚙合齒輪副為對(duì)象，專門針對(duì)內(nèi)嚙合齒輪泵摩擦副的研究，幾乎沒(méi)有。實(shí)際上，齒輪傳動(dòng)良好的潤(rùn)滑條件不僅與齒形參數(shù)有關(guān)，更取決于齒廓曲線，因此需分別針對(duì)直線共軛和漸開(kāi)線兩種齒形開(kāi)展齒輪副的潤(rùn)滑特性研究[54]。尤其是直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵，其摩擦副之間必須采用固定間隙設(shè)計(jì)，實(shí)際使用過(guò)程中摩擦副之間的配合間隙更易受到熱膨脹和局部變形的影響，特殊性更強(qiáng)，必須綜合考慮熱-流-固耦合作用。

3.3 故障診斷與可靠性研究

可靠性是限制國(guó)產(chǎn)元件高端化發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。進(jìn)口元件雖可靠性較高，但對(duì)內(nèi)嚙合齒輪泵的故障診斷方法和壽命下降規(guī)律仍不充分，無(wú)法給出產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行工況下泵的具體壽命指標(biāo)，Eckerle技術(shù)手冊(cè)中指出其產(chǎn)品預(yù)期壽命不低于10萬(wàn)次壓力沖擊，但未對(duì)運(yùn)行轉(zhuǎn)速、油溫、清潔度等其他條件給予說(shuō)明。Bucher技術(shù)手冊(cè)指出實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下其內(nèi)嚙齒輪泵預(yù)期壽命不低于10000 h。國(guó)內(nèi)液壓產(chǎn)商很少針對(duì)元件開(kāi)展可靠性檢測(cè)，僅開(kāi)展出廠性能試驗(yàn)，后期通過(guò)客戶使用反饋產(chǎn)品的可靠性。

故障診斷和可靠性方面的研究主要集中在學(xué)術(shù)研究上，研究對(duì)象也大多針對(duì)柱塞泵[55-56]。例如馬紀(jì)明指出液壓泵主要有疲勞、磨損、老化3種典型失效形式，加速壽命試驗(yàn)是檢驗(yàn)泵質(zhì)量穩(wěn)定性和可靠性的有效手段。宣元[57]以直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵為對(duì)象，開(kāi)展了加速壽命試驗(yàn)及其壽命狀態(tài)的評(píng)估檢測(cè)研究相關(guān)工作?？梢?jiàn)，目前對(duì)于內(nèi)嚙合齒輪泵的故障診斷和可靠性研究仍然不足，尤其是國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品，對(duì)其基本可靠性數(shù)據(jù)尚不掌握。

3.4 研究及發(fā)展總結(jié)

隨著經(jīng)濟(jì)水平發(fā)展和工業(yè)運(yùn)用需求，內(nèi)嚙合齒輪泵產(chǎn)品發(fā)展在不同時(shí)期也呈現(xiàn)出不同的特征：

(1) 高壓化：內(nèi)嚙合齒輪泵發(fā)展初期，主要以提高單泵的輸出壓力為主，例如逐漸發(fā)展并優(yōu)化漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪泵的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，使單級(jí)壓力提升至35 MPa；對(duì)配合間隙和關(guān)鍵工藝的優(yōu)化，使直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵單機(jī)壓力最高可達(dá)到25 MPa，經(jīng)過(guò)兩級(jí)增壓也可輕易達(dá)到35 MPa。

(2) 低噪聲：近年來(lái)，工業(yè)設(shè)備的安靜性成為關(guān)注的重點(diǎn)，內(nèi)嚙合齒輪泵產(chǎn)品也逐漸向安靜性發(fā)展。Bucher第六代產(chǎn)品性能的提升就主要聚焦安靜性上，通過(guò)優(yōu)化進(jìn)出油口設(shè)計(jì)降低出口流量脈動(dòng)優(yōu)化泵的振動(dòng)噪聲水平。

(3) 多元化：?jiǎn)我粦?yīng)用場(chǎng)景和性能指標(biāo)基本達(dá)到極限后，產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)景向多元化發(fā)展，例如近些年熱門發(fā)展的低黏度泵、甚至海水泵，以及為適應(yīng)變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展的可多象限運(yùn)行的伺服泵。

(4) 智能化：智能化是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，液壓元件的發(fā)展最終也將走向智能化，例如發(fā)展電液泵，實(shí)現(xiàn)電機(jī)、液壓泵的一體化集成設(shè)計(jì)，集成多種類型傳感器實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知，故障監(jiān)測(cè)和診斷，達(dá)到智能泵的水平。

伴隨著產(chǎn)品發(fā)展特點(diǎn)的變化，研究熱點(diǎn)也隨之變化。齒形的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究極大促進(jìn)了內(nèi)嚙合齒輪泵的安靜性，摩擦副密封和潤(rùn)滑特性的深入研究推動(dòng)了內(nèi)嚙合齒輪泵多元化場(chǎng)景的應(yīng)用，相信未來(lái)伴隨著智能泵的發(fā)展需求，故障診斷和可靠性研究將逐漸成為熱點(diǎn)。

4 發(fā)展思考

自20世紀(jì)70年代兩種類型內(nèi)嚙合齒輪泵雛形誕生，發(fā)展至今已有60余年的歷史。國(guó)外產(chǎn)品成熟、可靠性高，國(guó)內(nèi)針對(duì)兩種產(chǎn)品的研究和積累時(shí)間不長(zhǎng)，近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)對(duì)高端液壓元器件的需求越來(lái)越旺盛，才有更多企業(yè)將目光聚焦于內(nèi)嚙合齒輪泵。例如，浙江永靈、威博液壓等企業(yè)逐步從原先的葉片泵、外嚙合齒輪泵轉(zhuǎn)型至生產(chǎn)漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪泵。整體來(lái)看，相比直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵，漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪泵制造精度要求較低，易于實(shí)現(xiàn)批量化，且補(bǔ)償結(jié)構(gòu)使其使用可靠性更高，因此國(guó)內(nèi)企業(yè)更多將目光聚焦與漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪泵。但是，代表了國(guó)內(nèi)漸開(kāi)線內(nèi)嚙齒輪泵的制造商——海特克液壓，其關(guān)鍵原材料——月牙板金屬材料仍依賴進(jìn)口。

直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵雖在國(guó)內(nèi)發(fā)展更早，但齒輪齒圈的單配以及較高的制造精度導(dǎo)致國(guó)內(nèi)生產(chǎn)和制造企業(yè)望而卻步，這也直接導(dǎo)致國(guó)內(nèi)直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵產(chǎn)品性能差距更大。尤其是可靠性上，作者曾開(kāi)展液壓沖擊試驗(yàn)對(duì)比了國(guó)產(chǎn)直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵和進(jìn)口產(chǎn)品的可靠性，進(jìn)口產(chǎn)品可承受超速超壓沖擊高達(dá)78.7萬(wàn)次，國(guó)產(chǎn)泵目前僅能承受沖擊9.2萬(wàn)次。

總體來(lái)看，國(guó)產(chǎn)內(nèi)嚙合齒輪泵與國(guó)外產(chǎn)品差距還是較大，研究不夠集中和專注，研究積累也略顯不足。高校側(cè)重于理論研究，企業(yè)側(cè)重于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，理論研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)未形成合力，導(dǎo)致相關(guān)研究比較零散。必須摒棄研仿跟隨的思路，解決好基礎(chǔ)問(wèn)題，將目光聚焦在提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力上，以支撐國(guó)產(chǎn)內(nèi)嚙合齒輪泵后續(xù)發(fā)展。為提升國(guó)內(nèi)內(nèi)嚙合齒輪泵技術(shù)水平，可從以下幾方面入手。

(1) 基礎(chǔ)材料特性研究：漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪泵在材料耐磨性差，動(dòng)密封設(shè)計(jì)不優(yōu)的情形下仍能通過(guò)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)較好的性能。但是要提高可靠性，尤其是提升直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵的可靠性難度較大，必須開(kāi)展基礎(chǔ)材料的特性研究。對(duì)比了國(guó)產(chǎn)某型內(nèi)嚙合齒輪泵和進(jìn)口內(nèi)嚙合齒輪泵泵體材料，如圖18所示，發(fā)現(xiàn)進(jìn)口材料石墨等級(jí)達(dá)到1級(jí)，石墨圓度達(dá)到6級(jí)，鐵素體含量也更低。定性來(lái)看，由于球化級(jí)別高使材料潤(rùn)滑性能好，鐵素體含量高使材料的導(dǎo)熱性更好，因此使摩擦副的耐熱、抗磨減摩性能更好。此外，關(guān)鍵材料的特性研究也是支撐低黏度和水液壓內(nèi)嚙合泵研發(fā)的基礎(chǔ)[58-59]。

圖18 進(jìn)口泵體金相對(duì)比

(2) 關(guān)鍵設(shè)計(jì)方法研究：針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合，進(jìn)口產(chǎn)品均針對(duì)性的開(kāi)發(fā)了不同類型的產(chǎn)品，但差異性在哪？為什么會(huì)有差異性設(shè)計(jì)？國(guó)產(chǎn)企業(yè)基本不掌握，因此國(guó)產(chǎn)泵多是開(kāi)發(fā)的通用系列產(chǎn)品，導(dǎo)致產(chǎn)品的針對(duì)性不強(qiáng)。此外，進(jìn)出油口、月牙、卸荷槽、密封間隙等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)性結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)研究也不多，無(wú)法指導(dǎo)廠商開(kāi)展定量設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)廠家主要通過(guò)仿制國(guó)外產(chǎn)品或試驗(yàn)摸索得出經(jīng)驗(yàn)值，這也限制了高端元件的開(kāi)發(fā)。

(3) 加工工藝控制研究：加工工藝是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)落地，提升產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵步驟。尤其是直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵，必須依賴加工工藝保證良好的配合間隙和密封潤(rùn)滑，上海航發(fā)[60]總結(jié)多年制造經(jīng)驗(yàn)明確指出，直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵制造精度高，制造工藝復(fù)雜，在如今銷量上升的同時(shí)，仍發(fā)現(xiàn)質(zhì)量方面還不穩(wěn)定，影響高端市場(chǎng)銷售，解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵是重視加工工藝和制造技術(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究總結(jié)了內(nèi)嚙合齒輪泵技術(shù)特點(diǎn)，梳理了產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀，歸納了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，針對(duì)國(guó)產(chǎn)化內(nèi)嚙合齒輪泵面臨的不足提出了發(fā)展思考，對(duì)國(guó)產(chǎn)化元器件的發(fā)展具有借鑒意義和指導(dǎo)作用。