胡 明 袁偉東 陳文華 錢(qián) 萍 陳 明 張 堯

1.浙江理工大學(xué)機(jī)電產(chǎn)品可靠性技術(shù)研究浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州，310018 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150001

0 引言

泵是被廣泛應(yīng)用的通用機(jī)械設(shè)備之一，轉(zhuǎn)子式容積泵則是種類(lèi)最多的常用泵，但轉(zhuǎn)子式容積泵存在排量小、壓力脈動(dòng)較大、徑向力不平衡、易泄漏、磨損快和噪聲較大等關(guān)鍵技術(shù)難題［1－2］。在容積泵相關(guān)的技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，研究者們一直致力于把機(jī)構(gòu)學(xué)的研究成果應(yīng)用于容積泵的創(chuàng)新發(fā)明和性能提高中。轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪式葉片差速泵即是一種新型轉(zhuǎn)子式容積泵，主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、葉輪和泵殼等部分組成。其中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)與齒輪機(jī)構(gòu)的組合形式，可實(shí)現(xiàn)葉輪工作所需的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；葉輪和泵殼共同形成差速泵的封閉腔，兩葉輪通過(guò)不等速轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)封閉腔容積的變化以完成排液和吸液。葉片差速泵的兩個(gè)吸液腔和兩個(gè)排液腔始終對(duì)稱(chēng)，因此高壓液體作用在葉輪上的徑向力始終平衡；泵的內(nèi)殼表面與葉片形狀較其他類(lèi)型泵簡(jiǎn)單，加工制造方便。由于葉片差速泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、容積效率高、排量體積比大、徑向工作載荷可平衡、輸送介質(zhì)黏度范圍寬、加工制造成本低等特點(diǎn)，適用于要求輸出高壓力、大排量的場(chǎng)合，如油田注水、市政領(lǐng)域的樓房供水、供暖及消防設(shè)施等。關(guān)于葉片差速泵的研究，前期研究者主要進(jìn)行了構(gòu)型的綜合設(shè)計(jì)與相關(guān)技術(shù)分析［3］。本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪式葉片差速泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、力學(xué)特性分析及實(shí)驗(yàn)研究。

1 轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪式葉片差速泵驅(qū)動(dòng)原理

轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪式葉片差速泵的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿與齒輪機(jī)構(gòu)的組合使用來(lái)實(shí)現(xiàn)葉輪的正確運(yùn)動(dòng)規(guī)律的，進(jìn)而保證葉片差速泵的綜合性能。轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪式葉片差速泵的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括動(dòng)力源（即電機(jī)）、轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)及其他輔助部件，如圖1所示。轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪式葉片差速泵的驅(qū)動(dòng)原理是：齒輪2同時(shí)與齒數(shù)相同的齒輪3和齒輪14嚙合，使齒輪3和齒輪14同向等速轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪3和齒輪14分別與轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的導(dǎo)桿4和13固連，其安裝角按設(shè)計(jì)要求設(shè)定。通過(guò)滑塊5和滑塊12，導(dǎo)桿4和導(dǎo)桿13作為主動(dòng)件分別驅(qū)動(dòng)曲柄6和11做周期性的非勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使曲柄6和11的角速度按照不同的相位輸出。曲柄6和11分別與齒輪7和10固連，而齒輪7和10分別與齒輪8和9嚙合。齒輪8和9分別與葉片差速泵的兩個(gè)葉輪15、16固連，使葉輪15、16做周期性的不等速轉(zhuǎn)動(dòng)，滿(mǎn)足葉輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律的要求。

圖1 轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

由于葉片差速泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中所采用的轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)是雙曲柄機(jī)構(gòu)的演化形式，具有主動(dòng)件為曲柄或?yàn)閷?dǎo)桿兩種類(lèi)型，這兩種類(lèi)型的主動(dòng)件均可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)件勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)從動(dòng)件的變速整周轉(zhuǎn)動(dòng)，即與齒輪機(jī)構(gòu)組合后均可滿(mǎn)足葉片差速泵的驅(qū)動(dòng)要求。根據(jù)前期研究發(fā)現(xiàn)：相同條件下導(dǎo)桿為主動(dòng)件的葉片差速泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更具優(yōu)越性，具體表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，排量更大［4－5］。因此，本文以導(dǎo)桿為主動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、力學(xué)特性分析及實(shí)驗(yàn)研究。

2 轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪式葉片差速泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的三維模型如圖2所示，其中輸入軸1與電動(dòng)機(jī)連接并帶動(dòng)齒輪2，齒輪2同時(shí)與齒輪3和齒輪14嚙合。齒輪3和齒輪14上分別固連滑槽盤(pán)4、13?；郾P(pán)4、13分別隨齒輪3、14轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)偏置滾子5、12。齒輪7、10分別固連在曲柄6、11上并隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪7、10分別與齒輪8、9嚙合，而齒輪8和齒輪9分別與葉輪15和葉輪16固連并帶動(dòng)兩個(gè)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。按照上述運(yùn)動(dòng)傳遞路徑，可實(shí)現(xiàn)葉片差速泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

圖2 轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)

2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)

轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪式葉片差速泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪式葉片差速泵技術(shù)參數(shù)

3 轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)力學(xué)分析

轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各構(gòu)件所受的工作阻力矩如圖1所示。齒輪7、齒輪10分別與齒輪8、齒輪9嚙合，且齒數(shù)比均為u。由此可知，齒輪7和齒輪10所受的工作阻力矩為

同時(shí)，齒輪7和齒輪10分別與曲柄6和曲柄11固連，故其所受的工作阻力矩M7＝M6、M10＝M11。而轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的主動(dòng)件導(dǎo)桿4和導(dǎo)桿13所受的工作阻力矩M4和M13分別為

式中，λ為導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征系數(shù)（導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)兩回轉(zhuǎn)中心距離d與曲柄長(zhǎng)度a的比值）；σ1、φ4分別為導(dǎo)桿4的安裝角和轉(zhuǎn)角；σ2、φ13分別為導(dǎo)桿13的安裝角和轉(zhuǎn)角。

導(dǎo)桿4和導(dǎo)桿13分別與齒輪3和齒輪14固連，而齒輪3和齒輪14同時(shí)與齒輪2嚙合。齒輪2、齒輪3、齒輪14的齒數(shù)分別為z2、z3、z14，于是得到齒輪2所受的工作阻力矩為

令

整理后得到齒輪2所受的工作阻力矩為

由于圖1所示的齒輪8和齒輪9分別與葉片差速泵的兩葉輪固連，設(shè)泵的排液孔壓力為po，吸液孔壓力為pi，葉輪的小徑為D1，大徑為D2，葉輪的葉片能夠形成有效容積的軸向尺寸為h，由此確定齒輪8和齒輪9的力矩M8和M9分別是兩葉輪上所受的工作阻力矩，即

式中，ω8、ω9分別為齒輪8和齒輪9的角速度。

將式（8）、式（9）代入式（7），當(dāng)u＝2，i12＝2，po－pi＝1MPa時(shí)，可得到圖1中齒輪2的工作阻力矩變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可知，隨著運(yùn)動(dòng)特征系數(shù)λ的增大，齒輪2所受的工作阻力矩的波動(dòng)幅度逐漸增大。

圖3 轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作阻力矩線圖

4 轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)條件

轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪式組合驅(qū)動(dòng)的葉片差速泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)布置如圖4所示。其中電動(dòng)機(jī)1與轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪式驅(qū)動(dòng)箱2連接，通過(guò)驅(qū)動(dòng)箱2驅(qū)動(dòng)泵體3中的葉輪工作。泵體3上分別設(shè)有吸液口4和排液口5，吸液口和排液口分別由管路與儲(chǔ)油箱7連通。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪式葉片差速泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)由變頻器控制以便調(diào)速，葉片差速泵的泵體上各單向閥則由管路直接通到油箱，用于觀察困液的排出與泵的泄漏情況。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)采用46號(hào)抗磨液壓油。

圖4 轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪式葉片差速泵原理樣機(jī)

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)變頻調(diào)速器使電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸增大，觀察排液口的液體排出情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可知，轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪式葉片差速泵可實(shí)現(xiàn)自吸與排液，證明轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪式葉片差速泵的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正確。

由表2可知，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪式葉片差速泵驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速n＜209r/min時(shí)不能排液，說(shuō)明葉片差速泵原理樣機(jī)的制造精度和密封性能欠佳，致使較低轉(zhuǎn)速下泵無(wú)法實(shí)現(xiàn)自吸；當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪式葉片差速泵的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速在209r/min≤n＜375r/min范圍時(shí)，葉片差速泵斷續(xù)排液；當(dāng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速n≥375r/min時(shí)，葉片差速泵連續(xù)排液。

此外，實(shí)驗(yàn)中葉片差速泵的困液排出量極小，在單向閥的輸出端幾乎觀察不到。但葉片差速泵在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生了明顯的噪聲，原因是轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪式葉片差速泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)承受交變載荷，產(chǎn)生齒輪嚙合噪聲，且各運(yùn)動(dòng)副間隙較大時(shí)也會(huì)引起沖擊噪聲，在后續(xù)的研究中將予以修正。

5 結(jié)論

（1）以導(dǎo)桿為主動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)角速度符合葉片差速泵驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)要求。

（2）通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的力學(xué)特性分析，確定了其輸入工作阻力矩隨運(yùn)動(dòng)特征系數(shù)的變化規(guī)律。

（3）對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿—齒輪式葉片差速泵原理樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，確定了其無(wú)法排液、斷續(xù)排液及連續(xù)排液的速度區(qū)間。

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