王智森

(景德鎮(zhèn)學院 機械電子工程學院，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

挖掘機是機械化施工的工程機械之一，可以完成挖掘、裝卸、壓平等多種土石方作業(yè)，廣泛應用在建筑施工、交通工程、水利建設等領域[1-2]。在國內的工程機械裝備中，70%左右的土石方施工由挖掘機完成[3-4]。隨著城市化進程加快，截至2019年我國挖掘機保有量已經突破170萬臺[5]。

齒輪油泵作為挖掘機液壓系統(tǒng)的核心部件，對提升挖掘機的工作效率和系統(tǒng)運行的可靠性起著至關重要的作用[6-8]。挖掘機液壓系統(tǒng)運行原理復雜，施工作業(yè)工況環(huán)境惡劣多變，因此對齒輪油泵的結構性能和泵送效率提出了很高的要求[9]。一旦挖掘機的液壓系統(tǒng)出現油液的泄漏，不僅會導致系統(tǒng)停機，而且還會造成環(huán)境污染，甚至引發(fā)難以撲滅的火災，危及挖掘機作業(yè)人員的人身安全和延誤工程的進度，如圖1所示。在綠色環(huán)保、節(jié)能高效的發(fā)展趨勢下，研究齒輪油泵的結構優(yōu)化和泵送效率成為挖掘機液壓系統(tǒng)目前亟待解決的關鍵問題。保證挖掘機施工工程中高效率運行，降低裝備泄漏故障發(fā)生率和維護成本，減少油液污染排放，對于發(fā)展節(jié)能高效型挖掘機具有十分重要的現實意義。

圖1 挖掘機齒輪油泵油液泄漏事故

隨著基礎設施建設的迫切需求和工程機械經濟的蓬勃發(fā)展，挖掘機裝備的重要性日益凸顯。齒輪油泵作為挖掘機液壓系統(tǒng)中提供液壓油的關鍵部件，在液壓系統(tǒng)中扮演不可或缺的重要角色，如果施工工程作業(yè)中發(fā)生泄漏，將直接延誤工期。特別是本次新冠肺炎疫情下的火神山和雷神山醫(yī)院工程建設，時間緊、任務重、工作強度大，為了確保工期，采取的措施之一是多種型號挖掘機輪流不間斷作業(yè)。該措施不能從根本上解決齒輪油泵泄漏問題，同時增加了挖掘機維護成本。

本文以某小型挖掘機液壓系統(tǒng)的齒輪油泵作為研究對象，采用UG軟件進行齒輪油泵參數化結構優(yōu)化和ANSYS軟件進行油液泄漏狀態(tài)分析和泵送效率特性仿真研究，提出結構優(yōu)化可行性方案，具體技術路線如圖2所示。

圖2 技術路線流程圖

1 齒輪油泵工作原理及泄漏分析

1.1 工作原理

齒輪油泵主要分為兩種形式：外嚙合和內嚙合。不同嚙合方式的齒輪油泵工作原理不同，其中制造應用較多的是外嚙合布置[10]。外嚙合齒輪油泵結構原理如圖3所示，一對相互嚙合的齒輪將泵殼體分割為兩個密封腔，一個在左，一個在右。泵體的出油口位于齒輪開始嚙合的地方，泵體的吸油口位于齒輪脫離嚙合的地方[11]。

圖3 外嚙合齒輪油泵結構原理

當主動齒輪帶著從動齒輪開始旋轉時，在靠近吸油腔一側的輪齒慢慢地退出嚙合并使得腔室開始形成局部真空，使得油液在外界大氣壓作用下被壓進吸油腔；與此同時在靠近排油腔一側的輪齒便慢慢地進入嚙合狀態(tài)把輪齒之間的油慢慢地擠壓出來并從壓油口流出[12]。當原動機工作時，主動齒輪和從動齒輪轉動一周連續(xù)完成開始嚙合和脫離嚙合這兩個工作，外嚙合齒輪油泵開始壓油、吸油各一次，實現周期性循環(huán)泵送液壓油。

1.2 泄漏分析

某小型挖掘機液壓系統(tǒng)中的外嚙合齒輪油泵如圖4所示，從結構上分析，外嚙合齒輪油泵的工作特點主要有內泄漏與外泄漏、徑向不平衡力、困油等現象，因此流量脈動始終存在。對流量脈動機理進行分析，保證液壓系統(tǒng)泵送液壓油的穩(wěn)定性。

圖4 某小型挖掘機齒輪油泵

內泄漏是指齒輪油泵排油腔的一部分液壓油流出排油口，從內部間隙返回到吸油腔；外泄漏是指齒輪油泵的一部分液壓油從泵體連接處縫隙泄漏到外部[13]。齒輪油泵內的各零部件之間都存在著相對運動，為了防止運行過程中出現卡死現象，因此在設計時齒輪油泵的結構時必須考慮留有合適的間隙，過大的間隙會造成齒輪油泵容積效率下降。其中齒輪油泵的內泄漏主要體現為端面間隙泄漏，隨著一對嚙合齒輪左、右兩端面與襯套之間的磨損，使得端面間隙不斷變大，通過改進并優(yōu)化齒輪油泵殼體的結構補償端面間隙以增大齒輪油泵的容積效率。

由泄漏路徑可知，將端面間隙泄漏等效為齒輪端面和殼體端蓋之間的間隙為δ的平面縫隙流層，如圖5所示。已知端面間隙δ很小，假設液壓油的流動是層流。在半徑r處取寬度為dr的液體，令r處的流速為vr[14]。

1-端蓋 2-傳動軸 3-齒輪

由壓差層流公式可得：

(1)

則齒輪端面間隙泄漏的流量：

(2)

將公式變形并積分可得：

(3)

代入假設模型的邊界條件整理得：

(4)

式中δ、μ、Rf、Rz和ΔP分別為齒輪端面間隙、液壓油動力粘度、齒輪齒根圓半徑、傳動軸半徑和兩端壓差。由于齒輪油泵工作時是一對齒輪嚙合傳動，即4個端面存在泄漏，因此齒輪油泵的端面泄漏總量為：

(5)

齒輪油泵的外泄漏主要體現為端蓋與殼體的間隙泄漏，通過合理布置端蓋與殼體之間的密封接觸面路徑，選擇合適的密封形式解決泄漏問題。結合某小型挖掘機液壓系統(tǒng)中齒輪油泵存在的內泄漏與外泄漏問題，通過對泄漏機理的分析改進泵體的結構。

2 齒輪油泵流量脈動機理分析

2.1 產生機理

在齒輪油泵運行過程中，左側腔體持續(xù)吸進液壓油，右側腔體持續(xù)排出液壓油，嚙合齒輪上的兩個輪齒之間泵送的液壓油體積可以等效為一個輪齒體積。由于嚙合齒輪的嚙合線始終和傳動軸線平行，與此同時每對輪齒泵送的液壓油被擠壓出去，整個過程斷斷續(xù)續(xù)，因此泵送的液壓油流量值是不斷變化的，微觀來看這種輸出的流量是脈動狀的[15]。通過簡化計算，得到齒輪油泵的排量V的公式為：

V=6.66zm2b

(6)

式中z、m、b分別為齒輪齒數、模數、齒寬。根據公式可知，為了在保持泵體體積不變的前提下增大齒輪油泵的排量，因此齒輪油泵在設計和制造過程中采用增大模數、減少齒數的方法。

2.2 影響因素

一般情況下液壓油的可壓縮性是不考慮的，結合齒輪油泵實際運行的高壓環(huán)境，液壓油的體積將隨著壓力的升高而減小，產生流量脈動現象[16]。泵體與前后端面的配合存在間隙，運行過程中流量脈動引起壓力脈動，齒輪油泵開始振動導致各零部件之間縫隙增大，造成液壓油的泄漏。

流量脈動率主要受齒輪油泵轉速、泵送流量及齒輪齒數影響。流量脈動引起的噪聲和振動會造成齒輪的磨損以及錯位，而齒輪油泵的泵體與前后端蓋都是通過螺栓連接的，間接造成螺栓松動使泵體和前后端蓋之間的間隙增大，從而加劇油液的泄漏。主動齒輪、從動齒輪在齒輪油泵工作過程中持續(xù)做往復性周期運動，由于輪齒均勻地分布在齒面上，因此流量也隨之進行周期性變化。通過簡化計算流量脈動率fQ為：

(7)

式中n、z分別為主動齒輪轉速、齒數。由此可知，流量脈動頻率隨轉速增大、齒數增多而增大。當流量脈動的頻率相應減小時，流量脈動和噪聲就能夠相應降低。

3 齒輪油泵優(yōu)化設計及泵送效率研究

3.1 參數化設計與結構優(yōu)化

本文以某小型挖掘機液壓系統(tǒng)的齒輪油泵參數進行優(yōu)化設計，通過實際測繪并合理改進得到其各部件參數，針對挖掘機施工工作中液壓系統(tǒng)實際工況下齒輪油泵運轉情況進行結構優(yōu)化。其齒數z=14，模數m=3，分度圓直徑d=mz=42，齒寬b=20，壓力角α=20°，具體計算公式參見表1所示。

表1 齒輪油泵幾何參數計算公式

基于UG軟件完成齒輪油泵的參數化設計和結構優(yōu)化，在齒輪油泵的結構設計中，參考以往的齒輪油泵結構，關鍵的部位之一是定位止口的設計。齒輪油泵的泵體裝配同軸度要求很高，設計止口的公差配合能夠很好地保證泵體裝配后的同軸度要求及精確定位，并通過螺栓連接泵體結構進行緊固。定位止口的作用是防止液壓油的外泄漏和阻擋異物進入泵體內部。

針對原有的齒輪油泵結構提出了一種雙止口的設計，如圖6所示。相比較以往的單止口設計，雙止口設計能夠使泵體配合更緊密，而單止口則易側位，該設計可以通過改變任一止口的長度來改變止口的大小，方便齒輪油泵泵體結構調整與優(yōu)化。

圖6 單止口與雙止口設計

根據計算公式設計齒輪油泵各部分結構，以主動齒輪軸建模為例，通過UG軟件創(chuàng)建優(yōu)化后的齒輪模型：在工具欄中點擊GC工具箱，在下拉菜單中選擇齒輪建模，選擇柱齒輪，在齒輪操作方式列表中選擇創(chuàng)建齒輪，在漸開線圓柱齒輪類型中點擊選擇直齒輪和外嚙合齒輪，加工選擇為滾齒，單擊確定按鈕進行參數的設定，輸入優(yōu)化后的齒輪參數，點擊確定按鈕，生成優(yōu)化后的齒輪模型。繼續(xù)創(chuàng)建齒輪軸、鍵槽、孔、螺紋特征參數，得到主動齒輪如圖7所示。

圖7 主動齒輪軸

齒輪油泵其余零件參數建模方法同理主動齒輪軸設計，包括從動齒輪、泵體、泵蓋、密封墊片等。對零部件進行裝配，裝配時對嚙合的齒輪進行角度和中心距調整，保證可以連續(xù)傳動。裝配完成后得到齒輪油泵的三維立體模型，如圖8所示。

圖8 齒輪油泵

3.2 泵送效率仿真分析

根據前面簡化計算的流量脈動率公式可知轉速與主動輪齒數是影響齒輪油泵流量脈動的主要因素。為了便捷、直觀的在ANSYS軟件的流場分析模塊仿真齒輪油泵的流量情況和泵送效率，將三維齒輪油泵模型進行二維簡化處理，以齒輪油泵流量出口和流量進口的中間為分界線，做齒輪油泵的剖視圖得到二維簡化的齒輪油泵嚙合模型，如圖9所示。

圖9 齒輪油泵嚙合二維簡化模型

在ANSYS流場仿真分析模塊中，設置液壓油溫度、密度、運動粘度等參數，進行網格劃分，定義邊界條件、齒輪旋轉方向、傳動軸轉速、流場初始化等，計算求解得到齒輪油泵流場云圖。仿真結果表明轉速分別為600r/min、1200r/min時齒輪油泵的輪齒上分布壓差較大，超過了壓力許用值，初始參數設計不合理。在保證齒輪油泵體積不變的前提下，即保證齒輪的分度圓直徑不變，通過修改齒輪的齒數和模數重新設計調整，最終取齒數，模數，并進行適當變位處理得到結構優(yōu)化方案，降低了流量脈動率，增大了排量。對優(yōu)化后的齒輪油泵參數重新建模，生成9個齒數的嚙合齒輪二維簡化模型并進行流場仿真分析，得到流場應力分布如圖10所示。優(yōu)化后的仿真結果表明在一定轉速范圍內齒輪油泵的泵送效果良好，轉速越高，泵送流量越大，泵體兩側壓力差越明顯。

圖10 齒輪油泵流場云圖

4 結論

本文以某小型挖掘機液壓系統(tǒng)的齒輪油泵作為研究對象，結合齒輪油泵工作原理進行泄漏分析和流量脈動機理分析，得到影響齒輪油泵結構泄漏和泵送效率的主要因素。通過UG軟件實現齒輪油泵的參數化設計，并借助ANSYS軟件進行齒輪油泵流場仿真，比較流場云圖分析壓力差的變化趨勢，研究一定轉速范圍內齒輪油泵的泵送效率特性。結合實際工況反向推導改進齒輪油泵的結構參數，得到齒輪分度圓直徑恒定的優(yōu)化方案，降低挖掘機液壓系統(tǒng)泄漏故障發(fā)生率，提升挖掘機施工工程作業(yè)效率。