羅小梅，韓顏瑩，毛福合，潘嘉明，楊磊

(中國(guó)北方車(chē)輛研究所車(chē)輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100072)

內(nèi)嚙合齒輪泵作為液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵元件之一，由于具有高效、低耗、長(zhǎng)壽命、多用途、無(wú)脈沖、可定量性、便于調(diào)整、結(jié)構(gòu)緊湊、噪聲低和可靠性與經(jīng)濟(jì)性等十大優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于各種液壓機(jī)械。

文中所分析的是一種可應(yīng)用于特殊環(huán)境的內(nèi)嚙合齒輪泵，其顯著特點(diǎn)是耐高溫，可在油溫為95 ～130℃范圍內(nèi)正常工作，比一般民用油泵的使用溫度條件高。由于該泵在工作中油液溫度很高，泄漏量無(wú)形增加，加之，其高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)工況占整個(gè)工況的80%以上，因此，對(duì)其高轉(zhuǎn)速流量性能要求較高，然而該泵在正常高轉(zhuǎn)速下容積效率偏低。因此，著重從影響其容積效率的因素來(lái)分析及采取措施對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 內(nèi)嚙合齒輪泵樣機(jī)性能分析

1.1 樣機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

(1)整個(gè)結(jié)構(gòu)采用兩片式結(jié)構(gòu)，定位精度高，同時(shí)又減小了泄漏環(huán)節(jié);

(2)主、從動(dòng)齒輪為漸開(kāi)線(xiàn)齒形，結(jié)構(gòu)可靠，加工方便，易于實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn);

(3)有軸向間隙補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，徑向間隙靠加工公差保證;

(4)泵內(nèi)設(shè)計(jì)有合理的卸油和回油槽，使齒輪在工作中承受的扭矩力最小，因此軸承負(fù)荷小，磨損小，泵壽命長(zhǎng);

(5)采用滾針軸承以減小體積，且軸承潤(rùn)滑采用吸油口內(nèi)油道潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，改善了軸承的使用壽命。

1.2 性能試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及分析

該泵排量為60 mL/r，在各轉(zhuǎn)速下按效率為85%計(jì)算其對(duì)應(yīng)流量。加工好的成品在未作任何更改前做試驗(yàn)，測(cè)得的各轉(zhuǎn)速點(diǎn)流量見(jiàn)圖1，效率見(jiàn)圖2。

圖1 未做更改試驗(yàn)流量曲線(xiàn)圖

圖2 內(nèi)齒泵試驗(yàn)效率曲線(xiàn)圖

由以上曲線(xiàn)圖可以看出:該泵的容積效率在各轉(zhuǎn)速點(diǎn)都不高，尤其是在高轉(zhuǎn)速下容積效率非常低。在1 MPa，1 200 ～2 400 r/min 時(shí)，泵容積效率為67% ～74%，在3 000 r/min 時(shí)其效率為56%，3 600 r/min時(shí)僅為48%。

要求泵的工作轉(zhuǎn)速高于3 000 r/min，因此，它在高轉(zhuǎn)速下的流量?jī)?yōu)先關(guān)注。由圖1 可以看出:泵的流量在2 400 r/min 以后基本保持不變。由泵的排量60 mL/r 可以算出2 400 r/min 下該泵的理論流量應(yīng)該為148 L/min，而實(shí)測(cè)值只有102 L/min 。由效率曲線(xiàn)可知其效率不到70%。那么大于2 400 r/min 下的流量更加達(dá)不到要求。一般的，內(nèi)嚙合齒輪泵的容積效率都在85%以上，該泵的容積效率在任一個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)下都無(wú)法滿(mǎn)足要求，對(duì)該泵采取一定的改進(jìn)措施勢(shì)在必行。

一般的，影響內(nèi)齒泵容積效率的因素很多，關(guān)系到從設(shè)計(jì)、加工、裝配到試驗(yàn)的一系列過(guò)程。齒形的設(shè)計(jì)合理與否、齒輪各參數(shù)選擇是否得當(dāng)、加工是否精確、裝配中各間隙大小是否合適、進(jìn)油口大小是否合適等都可能影響該泵容積效率。通過(guò)一步一步分析排除，可知:設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題主要就是進(jìn)油側(cè)進(jìn)油口太小，成品泵的進(jìn)油口在高轉(zhuǎn)速下進(jìn)油流速過(guò)高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了限制的最大流速，因此進(jìn)油口大小必須進(jìn)行更改;另外，加工中也可能存在問(wèn)題，但是加工中的問(wèn)題在實(shí)驗(yàn)室條件下很難判斷，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的工具來(lái)測(cè)量加工精度等，因此先不去考慮加工問(wèn)題，首先假設(shè)加工都符合要求，在這種情況下，再考慮其他因素的影響。作者用手轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)齒泵的主動(dòng)齒輪，發(fā)現(xiàn)其基本不能轉(zhuǎn)動(dòng)，按照技術(shù)要求，裝配好的泵應(yīng)該用手能夠輕松轉(zhuǎn)動(dòng)，因此可以推知其軸向間隙可能太小。原因之一可能是浮動(dòng)板背面的橡膠密封條壓縮量太大;原因之二可能由于在泵的裝配過(guò)程中，本身測(cè)量的間隙大小就不夠準(zhǔn)確，間隙過(guò)小，導(dǎo)致泵裝配好之后側(cè)板和泵體接觸過(guò)于緊密，因此轉(zhuǎn)動(dòng)困難。但由于時(shí)間關(guān)系，作者只對(duì)其中之一——進(jìn)油側(cè)做了試驗(yàn)研究，以后的工作將進(jìn)一步對(duì)其他因素進(jìn)行改進(jìn)，并做試驗(yàn)以尋求各影響因素的關(guān)系大小。

2 設(shè)計(jì)改進(jìn)措施及試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)遵循以下幾點(diǎn):

(1)油泵出口壓力:1 MPa、1.5 MPa、2 MPa;

(2)轉(zhuǎn)速點(diǎn):1 200、1 800、2 400、3 000、3 600 r/min;

(3)油泵工作溫度不大于130 ℃，試驗(yàn)溫度為95 ～130 ℃;

(4)油泵在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)口油箱液面應(yīng)保持一定的高度，可設(shè)置其高于供油泵進(jìn)口150 mm以上。

2.1 第一次更改及試驗(yàn)情況

由上可知，該泵在高轉(zhuǎn)速下流量很低，容積效率相應(yīng)地也就很低。一般的，高轉(zhuǎn)速下容積效率低的一個(gè)明顯原因是進(jìn)油不充分所導(dǎo)致。改進(jìn)中，考慮要更改量最好最小，因此決定只對(duì)上下浮動(dòng)板做一次更改:在泵下浮動(dòng)板進(jìn)油側(cè)增加一條填進(jìn)油槽，主要目的是延長(zhǎng)高轉(zhuǎn)速下的進(jìn)油時(shí)間，并且因?yàn)楸迷诟咚傩D(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力使油液甩向齒頂部處，而齒根處產(chǎn)生負(fù)壓使油液稀薄，如不及時(shí)補(bǔ)充油，嚴(yán)重時(shí)甚至產(chǎn)生氣蝕，試驗(yàn)過(guò)程中可以明顯聽(tīng)到泵的噪聲較大，與進(jìn)油口的氣蝕有一定的關(guān)系;將槽所占的角度也就是“進(jìn)油室包角”在原來(lái)的基礎(chǔ)上增加一定值;把泵上浮動(dòng)板進(jìn)油側(cè)槽的深度增加，達(dá)到增加進(jìn)油量的目的。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3、4。

圖3 同壓力、同轉(zhuǎn)速下第一次更改前后流量對(duì)比

圖4 第一次更改前后容積效率對(duì)比

經(jīng)過(guò)此次更改后的零件裝配好之后，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其高轉(zhuǎn)速下的流量有所提高，由圖4 可以看出:在更改之后泵的容積效率在高轉(zhuǎn)速下有一定量的提高，在2 400 r/min 時(shí)效率達(dá)到了77%，比更改前提高了10%;在3 000 r/min 時(shí)效率達(dá)到了68%，提高了12%，效果比較明顯;同時(shí)泵的流量拐點(diǎn)已對(duì)應(yīng)從2 400 r/min 提高到3 000 r/min。由于第一次更改后該泵容積效率雖然已有提高，但是距離作者的目標(biāo)還較遠(yuǎn)，因此作第二次更改。

2.2 第二次更改及試驗(yàn)情況

此次更改主要針對(duì)進(jìn)油口結(jié)構(gòu)，利用軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)、流場(chǎng)仿真等優(yōu)化改進(jìn)，獲得了最優(yōu)結(jié)構(gòu)的進(jìn)油，減小了進(jìn)油阻力，降低了進(jìn)油的流速，提高了進(jìn)油的通油能力。另外，在此次試驗(yàn)中同時(shí)采取這種更改目的還有一個(gè):通過(guò)更改后的泵來(lái)驗(yàn)證補(bǔ)充填進(jìn)油槽的深度是否合適。

試驗(yàn)后各轉(zhuǎn)速點(diǎn)流量折線(xiàn)圖(同壓力、同轉(zhuǎn)速)見(jiàn)圖5，容積效率折線(xiàn)圖見(jiàn)圖6。

圖5 第一、二次更改后與未做更改流量對(duì)比

圖6 第一、二次更改后與未做更改容積效率對(duì)比

可以看出:每一次更改后泵的流量拐點(diǎn)都有顯著提高，第二次更改后流量拐點(diǎn)又從第一次的3 000 r/min 提高到3 600 r/min，在后來(lái)的試驗(yàn)中測(cè)得它在3 600 r/min 后的流量基本保持在150 L/min。

由圖6 可知:經(jīng)過(guò)這兩次結(jié)構(gòu)上的更改設(shè)計(jì)后，該泵的容積效率有了顯著提高，高轉(zhuǎn)速下的容積效率由原來(lái)的不到50%提高了30%左右。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)成品泵的更改設(shè)計(jì)，從最后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的較大變化，即更改后流量的顯著提高可以得出:進(jìn)油室包角、進(jìn)油口結(jié)構(gòu)及一系列進(jìn)油口處的涉及尺寸、結(jié)構(gòu)、深度等的參數(shù)對(duì)于泵高轉(zhuǎn)速區(qū)域的容積效率有著重要的影響，更改前后泵的流量變化很大，說(shuō)明在內(nèi)齒泵的設(shè)計(jì)中，合適的進(jìn)口結(jié)構(gòu)、大小及包角是必須要保證的，這樣對(duì)泵容積效率的提高有著很大的意義。

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