袁　圓，陳　超，張?zhí)m芳，汪祝芬

(安慶師范學院 物理與電氣工程學院，安徽 安慶 246133)

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齒輪泵
—齒輪馬達一體機軸向泄漏的流場仿真

袁圓，陳超，張?zhí)m芳，汪祝芬

(安慶師范學院 物理與電氣工程學院，安徽 安慶 246133)

摘要：齒輪泵-齒輪馬達一體機的泄漏主要有軸向泄漏、徑向泄漏和嚙合線處的泄漏，其中軸向泄漏占70%，是泄漏的主體。本文介紹了系統(tǒng)的調(diào)速回路和工作原理，利用3維軟件SolidWorks建立齒輪泵齒輪馬達一體機的立體模型，并將模型進行簡化，利用SolidWorks中的插件Flow Simulation對一體機中的軸向泄漏進行仿真分析，將流場仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果進行比較，驗證仿真軟件的可行性。

關(guān)鍵詞：SolidWorks；Flow Simulation；軸向泄漏；徑向泄漏；流場仿真

齒輪泵-齒輪馬達一體機是由復合齒輪泵和多齒輪馬達構(gòu)成的一種新的液壓系統(tǒng)，與普通的齒輪泵馬達相比，有瞬時脈動小、徑向力平衡、噪音低等優(yōu)點；它的主要缺點是存在泄漏。泄漏存在于液壓系統(tǒng)中，是一種常見的故障，不僅影響傳動的平穩(wěn)性、降低系統(tǒng)的效率，流出的油液對環(huán)境也會造成污染。泄漏形式存在兩種情況，一種是在軸套和齒輪軸之間的間隙泄漏，另一種是由高壓區(qū)向低壓區(qū)的油液泄漏。泄漏對液壓系統(tǒng)影響很大，所以研究一體機的泄漏問題是必不可少的。本文運用3維軟件SolidWorks建立一體機的實體模型，利用插件Flow Simulation對一體機中的泵和馬達的軸向泄漏進行仿真，將仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果相比較，得到影響泄漏的主要參數(shù)，從而可以有效減小系統(tǒng)的泄漏問題。

1齒輪泵-齒輪馬達一體機的工作原理

圖1是齒輪泵-齒輪馬達一體機的調(diào)速回路，主要有液壓泵、液壓馬達、溢流閥、換向閥和調(diào)速閥構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)調(diào)速閥的開口量，改變流入液壓馬達的流量，從而控制液壓馬達的轉(zhuǎn)速，三位四通電磁換向閥的開關(guān)可以實現(xiàn)馬達的換向，為了使液壓元件不受壓力沖擊而損壞，系統(tǒng)中接入了溢流閥，不僅可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力，還可以將泵輸出的多余液體流回油箱。

1—液壓泵；2—溢流閥；3—調(diào)速閥；4—換向閥；5—液壓馬達

圖2是一體機的三維模型，有3部分構(gòu)成，中間是殼體、左右兩邊分別是齒輪泵和齒輪馬達，殼體上安裝了凸臺，一共開了7個油口，分別接入換向閥、調(diào)速閥和溢流閥。

圖2　齒輪泵-齒輪馬達一體機三維模型

2一體機的泄漏環(huán)節(jié)

在液壓系統(tǒng)中，各個元部件之間存在縫隙，尤其是相互運動的零部件，泄漏量指的就是流經(jīng)縫隙的液體流量。縫隙流動有兩類：一種是壓差流動，一種為剪切流動，對它們的研究是基于平行平面縫隙流的。由于該系統(tǒng)是由齒輪泵和齒輪馬達組成，如圖2所示，結(jié)構(gòu)比較復雜，用一般的計算機要實現(xiàn)整個系統(tǒng)的流場仿真比較困難，為了減少計算量，只能將模型進行簡化，對泵和馬達分開進行泄漏流場仿真分析。

2.1一體機的軸向泄漏流場仿真

圖3是一體機模型中行星齒輪泵的簡化圖，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，減小齒輪泵中齒輪的寬度，對稱裝配，使配流盤與齒輪之間留有間隙，軸向間隙為10 μm。

打開SolidWorks中的“工具”→“插件”→“SolidWorks Flow Simulation 2009”，選擇46號油液，它的運動粘度為46，密度為0.872 kg/L，運動粘度為0.040 112 Pa*s。網(wǎng)格劃分選擇手動劃分。

圖3 泵簡化后的實體模型圖4 泵簡化內(nèi)部結(jié)構(gòu)

把x和y軸上的基礎(chǔ)網(wǎng)格統(tǒng)一設(shè)置成10，z軸上的基礎(chǔ)網(wǎng)格設(shè)置成50，這樣設(shè)置軸向的網(wǎng)格劃分會更細致些。輸入齒輪泵的進口流量，給定系統(tǒng)的總壓力，選用配流盤的端面為軸向間隙的壓力分布面，經(jīng)過多次仿真，在出口壓力約為2Mpa時得到泵的泄漏流量為1.02L/min。仿真后得到軸向間隙泄漏的流場分布圖，如圖5所示，軸向間隙泄漏的壓力分布如圖6所示。

圖5流場分布圖 圖6壓力分布圖

馬達的實體模型簡化如圖7所示，中心輪、徑向輪和側(cè)板之間留有間隙，間隙也取10 μm，分析方法和參數(shù)設(shè)置與上述相同，經(jīng)過多次仿真，得出在壓差大約為2 Mpa的泄漏量是0.89 L/min，齒輪馬達流場仿真壓力分布如圖8所示。

2.2一體機的軸向泄漏量的理論研究

齒輪泵的軸向泄漏主要是徑向輪的泄漏qa1和中心輪的泄漏qa2，總的軸向泄漏量為

(1)

如果φ1=φ2，rf1與rf2及rzf1與rzf2相差不大，則上式可近似為

(2)

一體機中齒輪馬達的軸向泄漏取決于徑向輪的泄漏qa1和中心輪qa2的泄漏，總的軸向泄漏量：

(3)

其中，h：齒輪和浮動側(cè)板之間的間隙；Δp：進出口壓力差；rf,rf1,rf2：徑向輪齒根圓半徑；rzf,rzf1,rzf2：齒輪軸半徑；φ1,φ2：高壓區(qū)間角，φ=π/2；

將上述的參數(shù)值帶入(2)式、(3)式計算出系統(tǒng)總的軸向泄漏流量：

(4)

將齒輪泵-齒輪馬達一體機的軸向泄漏流場仿真的結(jié)果與理論計算值相比較，軸向間隙、壓差和油液型號是影響泄漏的主要因素，其中齒輪與側(cè)板間隙對系統(tǒng)的影響最大。通過對(4)式求導可得最佳間隙，一般取間隙小于齒側(cè)間隙δ=0.08m，m為齒輪的模數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗h=10 μm最合理。

3總結(jié)

結(jié)合齒輪泵-齒輪馬達一體機的結(jié)構(gòu)及其工作原理，討論了其主要泄漏環(huán)節(jié)。由分析可知，影響系統(tǒng)軸向泄漏的主要因素是側(cè)板與齒輪之間的間隙。運用Flow-Simulation插件對一體機進行軸向泄漏的流場進行仿真，并通過理論推導，將仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果進行比較，誤差在合理范圍之內(nèi)。以上是理論研究，實際的泄漏量只能由實驗獲得，但是可以通過控制出口壓差、軸向間隙以及油液型號來減小泄漏，從而設(shè)計出高效的液壓系統(tǒng)。

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Flow Field Simulation on the Axial Leakage of Gear Pump-Motor Unity Machines

YUAN Yuan, CHEN Chao, ZHANG Lan-fang, WANG Zhu-fen

(School of Physics an d Electrical Engineering, Anqing Teachers College, Anqing, Anhui 246133, China)

Abstract:The performance of gear pump-motor unity machines is highly affected by internal leakage from axial, radial clearance and meshing line. Among them, the axial leakage is dominant, which percentage is over 70%. Based on that, the flow field of the system is studied to show more details of the axial leakage in this paper. Firstly, the operating principles and speed control loop of the unity machine are introduced. Then, the simplified 3D model is built with SolidWorks. The flow field is simulated with flow simulation module to study the axial leakage of the gear pump-motor unity machines afterwards. At last, simulation results and theoretical calculations are compared to show the feasibility of the computer-based simulation.

Key words:solidworks，flow simulation，axial leakage， radial clearance leakage， flow field simulation

文章編號：1007-4260(2016)01-0079-04

中圖分類號：TH325

文獻標識碼：A

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.01.021

作者簡介：袁圓，女，安徽宣城人，碩士，安慶師范學院物理與電氣工程學院講師，主要研究方向為機械工業(yè)中的液壓傳動。E-mail: yuan0554@126.com

基金項目：安慶師范學院青年科研基金(KJ201412)。

*收稿日期：2015-09-25

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-03-15 17:05網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160315.1705.021.html