馬曉三

(國營蕪湖機(jī)械廠，安徽蕪湖 241007)

作為液壓泵的一種常用類型，齒輪泵因其質(zhì)量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、工作可靠、自吸性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。齒輪泵內(nèi)泄漏是指油液通過泵體內(nèi)部齒輪零件的裝配間隙以及其他途徑從泵高壓腔(即排油腔)向低壓腔(即吸油腔)的泄漏。在工程實(shí)踐中，隨著齒輪泵出口壓力的增加，內(nèi)泄漏加劇，導(dǎo)致齒輪泵容積效率下降，工作性能(出口流量和壓力)不能滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求，從而制約了高壓齒輪泵的發(fā)展和應(yīng)用。

目前，針對齒輪泵內(nèi)泄漏及其控制措施的研究［1－6］大都針對齒輪傳動(dòng)部位的內(nèi)泄漏，而針對泵體部位的內(nèi)泄漏研究較少。文中以外嚙合齒輪泵為研究對象，結(jié)合內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對包括齒輪嚙合部位和泵體部位在內(nèi)的齒輪泵內(nèi)泄漏的途徑進(jìn)行了逐類分析，對防止和減少齒輪泵內(nèi)泄漏的措施進(jìn)行了總結(jié)，并就因安全活門部位異常內(nèi)泄漏導(dǎo)致的齒輪泵流量或壓力性能不合格的常見故障進(jìn)行了原因分析，給出了故障排除方法。

1 齒輪泵內(nèi)泄漏的途徑

圖1 某型外嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)

齒輪泵是一種容積式液壓泵，即依靠齒輪傳動(dòng)過程中輪齒進(jìn)入和脫離嚙合，分別在高壓腔和低壓腔形成瞬時(shí)容積的減小和增大，從而實(shí)現(xiàn)排油和吸油。常見齒輪泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由端蓋、齒輪殼體、后蓋組成，一對齒數(shù)相同的齒輪裝在齒輪殼體內(nèi)，用平鍵分別連接在主動(dòng)軸和從動(dòng)軸上。齒輪殼體兩端的密封圈和后蓋內(nèi)的密封皮碗用來防止齒輪泵工作中油液向泵體外部泄漏(又稱外泄漏)。齒輪泵的內(nèi)泄漏途徑主要有以下幾方面。

1.1 齒輪傳動(dòng)部位內(nèi)泄漏

1.1.1 端面間隙泄漏

在圖1 所示的齒輪泵中，齒輪是高速旋轉(zhuǎn)零件，為避免在工作中齒輪端面與端蓋、后蓋的端面發(fā)生刮蹭，在裝配時(shí)，需要保證齒輪端面與端蓋、后蓋的端面有0.03～0.10 mm 的間隙，該間隙一般通過齒輪和齒輪殼體零件的厚度差保證。在齒輪泵工作時(shí)，該間隙構(gòu)成了貫通高壓腔和低壓腔的內(nèi)泄漏通道，從而導(dǎo)致齒輪泵的端面間隙泄漏。端面間隙泄漏由兩部分組成:(1)齒輪齒谷將油液從吸油口帶往排油口過程時(shí)，油液從齒谷經(jīng)端面間隙泄漏到主動(dòng)軸或從動(dòng)軸的軸頸，再通過軸承，回到吸油口;(2)排油口內(nèi)的高壓油液經(jīng)過齒輪端面間隙泄漏回到吸油口，以發(fā)生在主動(dòng)軸和從動(dòng)軸之間的齒輪嚙合處的端面間隙泄漏為主。

端面間隙泄漏存在泄漏通道面積大、泄漏途徑短、泄漏方向與齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致的特點(diǎn)，端面間隙泄漏是齒輪泵最主要的內(nèi)泄漏途徑，約占齒輪傳動(dòng)部位總泄漏量的75%～80%［7］，因此，控制端面間隙泄漏是減少齒輪泵內(nèi)泄漏的最有效的方法。在工程實(shí)踐中，也常用增加或減小齒輪端面間隙的方法，實(shí)現(xiàn)齒輪泵出口流量或壓力等性能參數(shù)降低或增加。

1.1.2 齒頂間隙泄漏

為保證齒輪泵工作中齒輪能夠靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，在裝配時(shí)，需保證齒輪齒頂圓與齒輪殼體上的齒輪裝配孔(俗稱油井孔)裝配間隙為0.10～0.20 mm。在齒輪泵工作中，該間隙構(gòu)成了齒輪泵齒頂間隙泄漏通道。

齒頂間隙泄漏存在泄漏途徑長、泄漏方向與齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的特點(diǎn)，齒頂間隙泄漏約占齒輪傳動(dòng)部位總泄漏量的15%～20%［7］。

1.1.3 嚙合點(diǎn)泄漏

在齒輪泵工作中，有時(shí)會(huì)由于齒形加工誤差等原因造成齒輪傳動(dòng)嚙合點(diǎn)接觸不好，導(dǎo)致油液從高壓腔通過嚙合點(diǎn)泄漏到低壓腔。在正常情況下，通過齒輪嚙合點(diǎn)的泄漏是很少的，約占齒輪傳動(dòng)部位總泄漏量的4%～5%［1］，一般不予考慮。

1.2 泵體部位內(nèi)泄漏

1.2.1 困油卸荷槽內(nèi)泄漏

在齒輪泵工作中，為保證齒輪傳動(dòng)連續(xù)平穩(wěn)，必須保證齒輪傳動(dòng)的重合度εα＞1，即在上一對輪齒尚未脫離嚙合的情況下，下一對輪齒已進(jìn)入嚙合狀態(tài)。這就導(dǎo)致在齒輪泵工作中，油液被封閉在兩對同時(shí)嚙合的輪齒所形成的如圖2 所示的封閉油腔T 內(nèi)。該封閉油腔T 在隨著齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)由排油腔向吸油腔移動(dòng)的過程中，經(jīng)歷了容積先變小后變大的過程。為避免在此過程中，該封閉油腔內(nèi)液壓力急劇升高和降低，即消除困油現(xiàn)象，通常需要在端蓋和后蓋端面上齒輪嚙合點(diǎn)兩側(cè)分別靠近排油腔和吸油腔處開困油卸荷槽，如圖2 中虛線所示。排油腔卸荷槽用于在封閉油腔T 容積由大變小過程中，將油液向排油腔排出，防止油腔T 內(nèi)壓力急劇升高;吸油腔卸荷槽用于在封閉油腔T容積由小變大過程中，從吸油腔及時(shí)補(bǔ)充油液，防止油腔T 內(nèi)形成局部真空。

在圖2 中，封閉油腔T 在最小容積時(shí)兩對輪齒的嚙合接觸點(diǎn)分別為A 和B。為了完全消除困油現(xiàn)象，需要兩個(gè)卸荷槽應(yīng)分別通過點(diǎn)A 和點(diǎn)B。由于零件制造、裝配誤差原因，將導(dǎo)致兩個(gè)卸荷槽通過油腔T 短時(shí)接通，從而造成從排油腔到吸油腔的泄漏。另外兩個(gè)卸荷槽還在一定程度上縮短了端面間隙泄漏通道，加劇了端面泄漏。

圖2 齒輪泵困油及卸荷槽示意圖

1.2.2 潤滑通道泄漏

齒輪泵工作中，主動(dòng)軸和從動(dòng)軸為高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)零件，軸承的潤滑是齒輪泵設(shè)計(jì)過程中必須考慮的問題，尤其是當(dāng)主動(dòng)軸和從動(dòng)軸為滑動(dòng)軸承支撐時(shí)，軸承的潤滑和冷卻問題更為突出。為簡化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，大多數(shù)齒輪泵的軸承采用工作介質(zhì)潤滑，即從泵體的排油腔引入高壓油，然后通過滑動(dòng)軸承上的螺旋形潤滑油通道，實(shí)現(xiàn)對軸承的潤滑后，再引入吸油腔。這也是齒輪泵內(nèi)泄漏不容忽視的一部分。

1.2.3 安全活門泄漏

為對齒輪泵及液壓系統(tǒng)其他元件進(jìn)行高壓保護(hù)，齒輪泵通常帶有安全活門裝置。工作原理如圖3 所示。安全活門一般采用單向閥結(jié)構(gòu)，反向密封類型有壓膠面密封、金屬面錐面密封、鋼球密封等，活門內(nèi)部彈簧的裝配預(yù)緊力用來保證活門的打開壓力。當(dāng)齒輪泵出口壓力大于安全活門所調(diào)定的打開壓力時(shí)，安全活門打開，齒輪泵內(nèi)泄，從而實(shí)現(xiàn)對齒輪泵和其他液壓元件的高壓安全保護(hù)。當(dāng)安全活門正向密封不嚴(yán)時(shí)，也將導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)泄漏加劇。

圖3 齒輪泵安全活門工作原理槽示意圖

2 齒輪泵內(nèi)泄漏的控制

2.1 端面間隙泄漏的控制

端面間隙泄漏是齒輪泵最主要的內(nèi)泄漏途徑，多種關(guān)于端面間隙泄漏研究的數(shù)學(xué)模型均表明:端面間隙泄漏流量ΔQs與端面間隙值s 的三次方成正比［1－2，6］，端面間隙值s 每增加0.1 mm，因?yàn)槎嗣骈g隙泄漏將導(dǎo)致容積效率ηV下降20%［2］。因此，減少端面間隙值s 是減少端面間隙泄漏、提高齒輪泵容積效率的最有效方法。然而，如果在齒輪兩端面與端蓋和后蓋均為剛性接觸的情況下，端面間隙值s 太小，將加劇齒輪和前后端蓋之間的磨損和刮蹭，并且有可能導(dǎo)致齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)卡滯。

目前，為減少端面間隙泄漏而通常采取方法是采用端面間隙自動(dòng)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，主要有彈性側(cè)板式、浮動(dòng)軸套式和浮動(dòng)側(cè)板式3 種類型。浮動(dòng)軸套式和浮動(dòng)側(cè)板式端面間隙自動(dòng)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)工作原理都是軸套或側(cè)板采用浮動(dòng)安裝，從齒輪泵排油腔引入壓力油，使軸套或側(cè)板緊貼在齒輪端面上，從而實(shí)現(xiàn)對端面間隙的自動(dòng)補(bǔ)償［8］。這兩種類型內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且從排油腔引入壓力油作為自動(dòng)補(bǔ)償?shù)膭?dòng)力源，還有可能引起新的內(nèi)泄漏。目前在工程實(shí)踐中應(yīng)用較多的是彈性側(cè)板式自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)。圖1 所示的齒輪泵增加彈性側(cè)板后結(jié)構(gòu)如圖4 所示，在產(chǎn)品內(nèi)部增加了彈簧、固定側(cè)板和活動(dòng)側(cè)板。在彈簧力的作用下，齒輪兩端面分別與活動(dòng)側(cè)板和固定側(cè)板接觸緊貼在一起，既減小了端面間隙，又增加了接觸面的彈性，防止工作中齒輪端面磨損和轉(zhuǎn)動(dòng)卡滯。

圖4 外嚙合齒輪泵彈性側(cè)板結(jié)構(gòu)

彈性側(cè)板和活動(dòng)側(cè)板的外徑與齒輪齒頂圓直徑相同，與齒輪殼體上的齒輪裝配孔(俗稱油井孔)間隙配合。側(cè)板的材料可采用減磨性較強(qiáng)的青銅，還可采用在鋼制基體與齒輪摩擦表面燒結(jié)磷青銅或噴涂特氟隆耐磨層等。彈性側(cè)板可采用一個(gè)彈簧壓緊，也可采用若干個(gè)沿圓周均布的幾個(gè)彈簧壓緊。

在泵體內(nèi)部結(jié)構(gòu)確定的情況下，通過適當(dāng)增加齒輪齒數(shù)或增大齒輪變位的方法增大齒輪齒根圓直徑，也可以減小端面泄漏。

2.2 困油卸荷槽泄漏的控制

對于有困油卸荷槽的齒輪泵而言，減小內(nèi)泄漏的方法就是合理設(shè)計(jì)相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸，提高加工精度。如對于圖2 所示的卸荷槽，在完全消除困油現(xiàn)象的前提下減少內(nèi)泄漏的的方法是提高兩卸荷槽起點(diǎn)的位置精度，使卸荷槽起點(diǎn)分別盡可能與封閉油腔T 最小容積時(shí)兩對輪齒的嚙合接觸點(diǎn)A 和B 重合。另外卸荷槽采用圖2 所示的三角形，即起點(diǎn)橫截面積小，向兩端逐步增大，也有利于減少困油卸荷槽內(nèi)泄漏。

3 齒輪泵安全活門異常內(nèi)泄漏的原因和故障排除

在齒輪泵生產(chǎn)實(shí)踐中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)性能試驗(yàn)時(shí)個(gè)別齒輪泵性能異常的情況，主要表現(xiàn):在規(guī)定的出口壓力下，出口流量達(dá)不到規(guī)定要求;或在規(guī)定的出口流量下，出口壓力達(dá)不到要求。這種故障往往不是產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷所致，而是由于安全活門異常內(nèi)泄漏導(dǎo)致性能不合格。

導(dǎo)致以上故障的可能原因主要有以下3 個(gè)方面:(1)安全活門調(diào)定壓力太小，在產(chǎn)品規(guī)定性能的工作狀態(tài)下，安全活門提前打開;(2)安全活門在活門殼體內(nèi)運(yùn)動(dòng)不靈活，不能在彈簧力的作用下復(fù)位至關(guān)閉狀態(tài);(3)安全活門和活門殼體之間的接觸密封面或閥口不密封，導(dǎo)致產(chǎn)品異常內(nèi)泄漏。

針對以上導(dǎo)致故障的可能原因，當(dāng)齒輪泵性能不合格時(shí)，可采取以下方法進(jìn)行故障排除:(1)在泵出口壓力為零的狀態(tài)下，用液壓靜壓力試驗(yàn)并重新調(diào)定安全活門打開壓力;(2)分解安全活門，檢查安全活門在活門殼體內(nèi)運(yùn)動(dòng)是否靈活，并消除運(yùn)動(dòng)卡滯原因;(3)檢查接觸密封面或閥口的完好性，尤其是在安全活門為金屬面錐面密封的情況下，可通過采用安全活門和活門殼體對研的方法，增加安全活門接觸密封面的接觸貼合度。通過以上辦法，可有效減少安全活門異常內(nèi)泄漏，排除齒輪泵性能不合格故障。

4 結(jié)束語

以外嚙合齒輪泵為例，對齒輪泵內(nèi)泄漏的途徑進(jìn)行了逐類分析，對防止和減少齒輪泵內(nèi)泄漏的措施進(jìn)行了總結(jié)，并就內(nèi)泄漏導(dǎo)致的齒輪泵流量或壓力性能不合格的原因進(jìn)行了分析，指出了故障排除方法。為控制和減少齒輪泵內(nèi)泄漏提供了理論依據(jù)，同時(shí)為柱塞泵、葉片泵等其他種類液壓泵的相關(guān)設(shè)計(jì)和研究提供了參考。

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