方 波，楊麗華，屈盛官，李小強

(華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640)

引言

目前，外嚙合齒輪泵性能的研究主要涉及困油特性[1]、空化特性[2-3]、噪聲[4]、齒輪齒廓[5-6]、脈動特性[7]等。齒輪泵最重要的性能指標之一是工況下的容積效率，影響其容積效率的關鍵則是齒輪泵的內泄漏問題，包括端面泄漏、嚙合泄漏和徑向泄漏[8-9]。零件在工作時的變形情況影響間隙大小和泄漏，從而影響齒輪泵性能提升。張淵等[10]對兩種材料的泵體進行仿真分析，得到溫度和壓力變化對泵體變形的影響；宋寶玉等[11]通過有限元方法對高速高壓小型圓弧齒輪泵泵體進行分析，得到總變形量和等效應力，并對泵體質量進行優(yōu)化；李永東等[12]為優(yōu)化低噪聲海水泵，對泵的關鍵零件進行靜力學及動力學有限元分析，分析其受力情況、振動特性和動力學特性。

本研究對理論設計后的齒輪泵主要零件泵體進行ANSYS結構靜力學分析，模擬在實際工況下發(fā)生應力、應變和熱變形分布等情況。相較于直接進行試驗研究，能更加簡單直觀獲得泵體受力和變形分布情況，從而為準確進行結構優(yōu)化提供改進方向，同時可以減少試驗次數(shù)，降低齒輪泵研制成本。

1 有限元分析流程

有限元分析方法是工程應用中廣泛使用的數(shù)值分析方法，ANSYS是一款功能強大的有限元分析軟件，ANSYS Workbench是集成結構靜力學、結構動力學、流體力學、結構熱等多種有限元分析模塊的協(xié)同仿真平臺，使用方便，功能強大[13]。越來越多學者通過結合有限元分析方法來模擬和提高齒輪泵的性能[14-15]。

利用ANSYS Workbench對齒輪泵泵體進行靜力學和結構熱綜合分析，研究泵體在油液工作溫度和油液壓力作用下的總體變形和應力分布情況，工作原理流程圖如圖1所示。

圖1 齒輪泵泵體靜力學和結構熱綜合分析的流程圖

2 有限元分析模型建立

本研究針對齒輪泵主要零件泵體進行有限元分析，為了能更準確的施加螺栓載荷及泵體與端蓋之間的接觸載荷，準確模擬泵體的工作狀態(tài)的受載荷情況，同時建立了前端蓋和后端蓋模型進行仿真。采用SolidWorks建立如圖2a所示的齒輪泵前后端蓋和泵體的三維模型并裝配成組件，將模型以中間格式導入ANSYS Workbench Geometry中。SpaceClaim具有便捷的模型簡化和修復功能，可以方便地將不重要的結構進行刪除或修改，還能修復錯誤線面、細小線面、合并曲面等，有利于模型后續(xù)劃分出高質量網(wǎng)格。導入Geometry的幾何模型通過SpaceClaim修復簡化后如圖2b所示。

圖2 幾何模型的建立及簡化

高壓齒輪泵泵體材料采用鋁合金，通過擠壓鑄造的方法制造能有效提高工作壓力，減少滲漏[16]。本研究采用7系Al-Si合金材料7005，因其具有較好的機械性和熱穩(wěn)定性、耐高壓、重量輕、可靠性高等特點，兼顧了力學性能和鑄造性能，是目前應用最廣泛的壓鑄鋁合金[17-19]。根據(jù)一般工業(yè)用鋁及鋁合金擠壓型材國家標準[20]，材料的各項屬性見表1。

表1 7005鋁合金材料屬性

用四面體網(wǎng)格單元通過智能網(wǎng)格劃分工具對模型進行網(wǎng)格劃分，劃分后總體網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量為178884，單元數(shù)量為109826。

3 載荷及約束設置

高壓齒輪泵正常工作時油液溫度可達55 ℃，因此設置泵內壁溫度邊界條件為55 ℃，暴露在環(huán)境中的外表面為簡化的空氣熱對流，設置穩(wěn)態(tài)熱載荷及求解結果如圖3所示。

圖3 穩(wěn)態(tài)熱載荷的設置及求解結果

高壓齒輪泵工作壓力可以達到25 MPa，供油壓力為2.5 MPa，即泵體出口容腔內壁面的壓力為25 MPa，入口容腔內壁面的壓力為2.5 MPa。而泵體內壁面的壓力介于入口和出口壓力之間，不同位置壓力大小不同。利用流體分析模塊Fluent對齒輪泵內流場進行模擬，得到油液壓力的二維分布情況如圖4a所示，由此繪制泵體內壁面壓力分布曲線如圖4b所示。結果表明，作用在泵體內壁的油液壓力不是恒定的，而是遞增的，可以將其簡化為線性遞增的壓力載荷。

圖4 齒輪泵內流場仿真結果及泵體內壁面壓力分布

常用齒輪泵為經典三段式結構，即殼體組件包括前端蓋、泵體和后端蓋3個部分。前端蓋與泵體、泵體與后端蓋為摩擦系數(shù)為0.2的有摩擦接觸，三者之間通過螺栓壓緊。螺栓強度等級為12.9，擰緊扭矩為84 N·m，預緊力為45200 N，將螺栓簡化為等尺寸梁單元，通過施加螺栓預緊力的方式添加螺栓載荷。根據(jù)上述內容設置約束及載荷如圖5所示。

圖5 靜力學約束及載荷的設置

4 結果分析

將穩(wěn)態(tài)熱分布作為載荷導入到靜力學計算中，采用系統(tǒng)自動控制的求解器進行求解計算，可以求解得到總應力分布云圖如圖6所示，最大應力發(fā)生在泵體出油口內壁，最大應力值σmax=166.25 MPa，顯然小于材料的屈服強度290 MPa，因此能滿足使用強度要求。

圖6 靜力學等效應力分布云圖

考慮穩(wěn)態(tài)熱載荷的總變形云圖如圖7所示，最大變形量為0.11321 mm，發(fā)生在泵體出口附近。泵體的穩(wěn)態(tài)熱應變及總應變分布云圖如圖8所示，最大熱應變量為0.0003884 mm，最大總應變量為0.0008322 mm。

圖7 泵體包含穩(wěn)態(tài)熱的總變形云圖

圖8 泵體的穩(wěn)態(tài)熱應變及總應變分布云圖

5 結構優(yōu)化

在控制齒輪泵重量前提下，為減小泵體變形，從結構上對泵體進行優(yōu)化。泵體最大變形發(fā)生在出油口處，進油口和出油口處分別有4個安裝螺紋孔，出油口兩螺紋孔截面上對應進油口有2個螺紋孔，有效截面積降低，影響承載能力。因此，考慮將出油口4個螺紋孔旋轉45°，使其與進油口螺紋孔錯開以提高泵體剛度。對修改后的泵體進行相同設置的仿真計算，得到總變形和應力情況如圖9所示，發(fā)生的最大變形量為0.033379 mm，最大應力為131.78 MPa，改進后的泵體總變形和應力值都有所減低，說明改進方案可行。

圖9 優(yōu)化后的泵體仿真結果

6 結論

本研究模擬接近實際的工作溫度、油液壓力及受力，對在三者綜合作用下的泵體進行有限元仿真，并對其結構進行優(yōu)化分析，得出如下結論：

(1)泵體在出油口附近總體變形量較大，最大應力發(fā)生在泵體出油孔內壁；

(2)通過仿真結果分析，泵體結構設計和材料選用能滿足強度安全使用要求；

(3)將泵體出油口對應4個螺栓孔位置轉動45°可以減小泵體的應力及變形，達到優(yōu)化泵體結構的目的。

有限元仿真為優(yōu)化泵體結構提供思路，對于縮短研發(fā)周期、節(jié)約研發(fā)成本和提高產品質量有一定的作用，同時為進一步開展試驗研究提供參考。