陳宗斌，何 琳，廖 健

(1.海軍工程大學(xué) 振動與噪聲研究所, 湖北 武漢 430033；2.海軍工程大學(xué) 船舶振動噪聲國家重點實驗室, 湖北 武漢 430033)

引言

內(nèi)嚙合齒輪泵與外嚙合的工作原理基本一致，都是由齒輪嚙合產(chǎn)生容積變化吸排油。但是，內(nèi)嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，且齒輪和齒圈內(nèi)接觸的結(jié)構(gòu)形式，使其接觸點變長，因此有更好的密封效果，更大吸排油壓力角，進而具備更低的噪聲、更小的流量脈動以及更好的吸油能力[1]。內(nèi)嚙合齒輪泵優(yōu)勢明顯，但是造價相對較高，制造難度更大。通常所指的內(nèi)嚙合齒輪泵為楔塊式泵，分為漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵和直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵兩類。近年來，隨著我國液壓系統(tǒng)的升級改造，越來越多的場合，將外嚙合齒輪泵替換為內(nèi)嚙合齒輪泵，以提升性能，降低振動噪聲水平。但我國內(nèi)嚙合齒輪泵的自主研發(fā)能力仍不足，市售產(chǎn)品多借鑒國外產(chǎn)品逆向工程而來，高端開發(fā)和研究不足。為分析兩類內(nèi)嚙合齒輪泵的技術(shù)特點，掌握技術(shù)發(fā)展動向和趨勢。本研究分別介紹了兩類齒輪泵的典型結(jié)構(gòu)形式，總結(jié)提煉了國內(nèi)外產(chǎn)品現(xiàn)狀，梳理了國內(nèi)外研究熱點，指出了未來發(fā)展方向，對深入掌握內(nèi)嚙合齒輪泵的技術(shù)特點，推動內(nèi)嚙合齒輪泵的技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

1 內(nèi)嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)特點

1.1 漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)

如圖1所示，漸開線內(nèi)嚙合齒輪中相互嚙合的外齒輪和內(nèi)齒輪之間被月牙板分成了2個封閉的容腔，當齒輪按逆時針方向旋轉(zhuǎn)時，內(nèi)齒輪也被帶動同向旋轉(zhuǎn)，右側(cè)輪齒脫離嚙合，工作容腔變大，形成了真空，油液在大氣壓的作用下進入吸油腔，左側(cè)齒輪進入嚙合，容積減小，油液被擠壓出去。齒輪泵連續(xù)轉(zhuǎn)動，吸油腔和排油腔不斷的吸排油，從而形成不斷循環(huán)的輸油過程。

圖1 漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵

圖2為漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵分解圖，分離式月牙板包括上下兩部分，用來貼緊內(nèi)外齒輪齒頂形成密封，進行徑向補償，減少徑向泄漏。上下兩月牙板之間插入彈簧片，以支撐上下月牙塊緊貼齒頂形成密封，彈簧片上支撐密封條以防止上下月牙板之間的間隙泄漏，將吸油腔和壓油腔隔開。上下兩月牙板通過止動銷定位在其軸向兩側(cè)的浮動側(cè)板上。內(nèi)嚙合齒輪副前后端面與前后浮動側(cè)板接觸，浮動側(cè)板受力壓緊在齒輪副端面上實現(xiàn)了齒輪泵內(nèi)部壓力容腔的軸向密封；浮動側(cè)板上沿內(nèi)外齒輪的齒根開油槽使其前后軸向端面所受液壓力平衡。

圖2 漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵分解圖[2]

1.2 直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)

直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，其主要由齒輪、齒圈以及月牙板三部分組成。工作時，內(nèi)部齒輪與電機軸相連，帶動齒圈旋轉(zhuǎn)；月牙板用于隔絕吸、排油腔。在吸油口，齒輪和齒圈脫開，吸油區(qū)的容腔體積增大形成真空，完成吸油；吸入的油液通過齒輪、齒圈與月牙板形成的密閉過渡腔將油液運輸至出油口；在出油口齒輪和齒圈互相嚙合，壓縮高壓油進入排油口排油。其中，齒輪為主動輪，齒圈為從動輪，月牙板固定在泵體上。

圖3 直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵

圖4為典型的直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵分解圖，直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵分為單向和雙向兩種，如為單向泵則不存在單獨的泄油口，端面泄漏進入軸套內(nèi)的液壓油與進油口相連，直接流回吸油口；若雙向旋轉(zhuǎn)，則單獨布置泄油口，一般通過傳動軸內(nèi)部設(shè)置泄油流道，將軸套內(nèi)以及骨架密封處的端面泄漏液壓油引出。

圖4 直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵分解圖

1.3 兩類內(nèi)嚙合齒輪泵對比

由于工作齒輪的齒型不同，導(dǎo)致上述兩種液壓泵結(jié)構(gòu)形式也存在較大差異，如圖5所示，漸開線內(nèi)嚙合齒輪運動過程中其傳動比：

圖5 漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵傳動比

(1)

其中O1N1和O2N2分別為兩齒輪的基圓半徑。由于基圓半徑是定值，因此中心距O1O2改變，其傳動比始終不變。由于漸開線內(nèi)嚙合齒輪副存在上述可分性，故可以設(shè)計成徑向間隙補償式結(jié)構(gòu)，使其具有容積效率高，可靠性好等優(yōu)點，也可以適當放寬漸開線齒輪的加工公差，以利于加工和裝配，因此其制造難度較小。徑向補償結(jié)構(gòu)的設(shè)計通常如圖1所示，通過將出口壓力油引入間隙內(nèi)部實現(xiàn)自動補償，也正因如此，導(dǎo)致其無法實現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)[3]。

直線共軛內(nèi)嚙合齒輪副嚙合點一一對應(yīng)，中心距發(fā)生較大變化將導(dǎo)致其難以有效嚙合，改變傳動特性，因此直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵必須采用間隙固定式結(jié)構(gòu)設(shè)計。由于齒型不具備可分性，導(dǎo)致其必須依靠加工精度保證嚙合點的對應(yīng)關(guān)系，并實現(xiàn)高壓下齒輪副之間的密封與潤滑，因此加工難度較大，甚至要求齒輪、齒圈及殼體關(guān)鍵摩擦副之間單配，以保證高壓下的有效密封。如圖3所示，由于不存在徑向間隙補償結(jié)構(gòu)，該泵結(jié)構(gòu)上可實現(xiàn)完全對稱，使得該泵成為目前唯一一款可四象限運行的內(nèi)嚙合齒輪泵。

此外，由于齒型不同，導(dǎo)致其輸出流量脈動特性也不相同。如圖6和圖7所示，為未考慮卸荷槽影響下隨轉(zhuǎn)角θ，兩種內(nèi)嚙合齒輪泵輸出流量q特性的對比圖，其主要差異表現(xiàn)在困油容積V上。漸開線齒輪泵困油容積呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，容積減小過程局部困油區(qū)的壓力會陡增，產(chǎn)生抵抗兩齒輪嚙合的作用力；容積增大過程局部壓力會突減，甚至出現(xiàn)真空發(fā)生氣蝕。相比而言，直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵困油容積更小，且逐漸增大，困油區(qū)局部壓力逐漸降低，液壓徑向力會產(chǎn)生促進齒輪嚙合的力，因此其傳動更平穩(wěn)，輸出流量波動也更小[4-5]。

圖6 流量脈動對比

圖7 困油容積對比

2 產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵

1962年德國人ECKERLE O[6]首先提出了一種漸開線線型的內(nèi)嚙合齒輪泵發(fā)明專利。隨后艾可樂公司針對該型泵申請了一系列專利，主要集中在設(shè)計徑向補償結(jié)構(gòu)以提升高壓下的容積效率方面[7-10]。在1980年申請的專利中，艾可樂公司提出了包括止動銷、分離式月牙、密封條以及簧片式的徑向密封結(jié)構(gòu)[11]，成為了該泵一直沿用至今的關(guān)鍵徑向補償結(jié)構(gòu)。針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域，艾可樂公司針對性開發(fā)出不同類型產(chǎn)品，分為移動液壓領(lǐng)域、工業(yè)液壓領(lǐng)域和農(nóng)業(yè)液壓領(lǐng)域3種，主要包括EIPC，EIPH，EIPS，EIPR等多個系列產(chǎn)品，其工作壓力達32 MPa，容積效率達96%以上，適用黏度為10～300 mm/s2。目前，Rexroth公司也生產(chǎn)該類型齒輪泵，分為PGF，F(xiàn)GM和PGH 3個系列，主要包含中壓25 MPa和高壓35 MPa 2個類型，不同型號區(qū)別在于進出油口的方向。德國VOITH公司生產(chǎn)的齒輪泵主要分為33 MPa高壓泵IPV和25 MPa 中壓泵IPC兩種規(guī)格，其徑向和軸向設(shè)計補償結(jié)構(gòu)，齒輪齒圈采用修正的漸開線齒形，使其有較高的容積效率和機械效率。此外，日本不二越、德國的Hoerbiger 公司、HYDAC公司、意大利的Duplomatic 公司等也生產(chǎn)該種類型高壓泵。

該泵在國內(nèi)的發(fā)展相對比較晚，2000年左右寧波華液機器制造有限公司基于Eckerle的EIP泵，研制漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵，生產(chǎn)出了一系列IGP型號的內(nèi)嚙合齒輪泵，其轉(zhuǎn)速可達3000 r/min，峰值壓力可達33 MPa[12]。海特克液壓早期依托美國SUNNY技術(shù)輔助，借鑒國外成熟產(chǎn)品，于2012年左右開發(fā)出HG和CS兩個系列內(nèi)嚙合齒輪泵，其中CS系列結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)插軸式設(shè)計，主要用于叉車等小排量領(lǐng)域；HG系列與艾克樂EIP系列結(jié)構(gòu)設(shè)計幾乎一致，最高壓力可達31.5 MPa，最高轉(zhuǎn)速3000 r/min，主要運用于注塑機、工程車輛等領(lǐng)域。海特克漸開線內(nèi)嚙合具有高壓、低噪聲、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)越性能，遠銷海外，基本代表了我國漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵的水平。近年來，浙江永靈、威博液壓等單位也在逐步開發(fā)漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵?？傮w來看，我國漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵的發(fā)展和技術(shù)水平已較為接近國際先進水平，產(chǎn)品差異主要體現(xiàn)在可靠性上。

2.2 直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵

1966年，TURNINGER P[13]申請了直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵的發(fā)明專利，首次提出了該類線型的內(nèi)嚙合齒輪泵。專利申請后，授權(quán)在英國、德國、美國和日本生產(chǎn)該型泵，但之后，并沒有針對該泵的相關(guān)技術(shù)資料和研究文獻公開。2000年，Bucher液壓收購瑞典Turninger公司液壓泵分部，至此該泵成為了Bucher公司的主力產(chǎn)品，主要分為適用于0.8～10 mm/s2的低黏度QXV系列和適用于黏度為10～300 mm/s2的QXM系列，針對不同的應(yīng)用場景進一步延伸出QXP型計量泵和QXEM齒輪軸一體式的低噪聲泵。QXM是布赫在第五代產(chǎn)品QX系列上發(fā)展延伸而來，優(yōu)化了齒形、進出口油腔等關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，使得第六代產(chǎn)品具有更低的流量脈動和更小的噪聲。市場上直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵以Bucher公司產(chǎn)品為主，日本住友公司也生產(chǎn)該型泵，但其仍為該型泵的第四代QT系列和第五代QX系列產(chǎn)品。為滿足國內(nèi)注塑機行業(yè)對該型泵的需求，2004年日本住友與寧波海天機械合資成立了中國住精液壓有限公司，專門生產(chǎn)QT系列泵，因此中國市場上較多出現(xiàn)住友產(chǎn)品身影。資料顯示，北美CIRCOR泵業(yè)公司也在開發(fā)該型泵，但尚未見到成熟產(chǎn)品提供[14]。

國內(nèi)關(guān)于直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵的研究最早始于1987年，煤炭科學(xué)院上海研究所周祥[15]研究了該型泵的運動學(xué)和動力學(xué)特性，董信根[16-17]分析了該泵的基本結(jié)構(gòu)形式并研究了加工齒刀的線型，陳忠強等[18]通過解析式法推導(dǎo)了流量脈動特性?；谔剿餮芯浚禾垦芯克c上海航發(fā)合作，以國外第四代產(chǎn)品QT系列為研仿對象，1992年開發(fā)了國內(nèi)首款直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵——上海航發(fā)NB系列[19]。此后，上海航發(fā)又在上海理工大學(xué)技術(shù)支持下，2004年以國外第五代QX系列為研仿對象，形成了國內(nèi)NBX系列直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵，最高壓力21 MPa，容積效率87%[20]。國內(nèi)生產(chǎn)水平最高壓力可達32 MPa，容積效率85%，振動噪聲70 dB(A)左右。目前，國產(chǎn)直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵的生產(chǎn)廠家主要為上海航發(fā)、布赫愗鑫、上海航投、秦川機床廠以及博創(chuàng)液壓等幾家單位，相關(guān)企業(yè)的研發(fā)和設(shè)計投入均有限，開發(fā)產(chǎn)品的基本性能和可靠性不及國外產(chǎn)品。寧波住精液壓也僅在國內(nèi)完成裝配和試驗測試，關(guān)鍵零部件——齒輪齒圈仍由日本進口，國內(nèi)僅生產(chǎn)QT系列的部分產(chǎn)品，且只能滿足單向旋轉(zhuǎn)的使用需求，關(guān)鍵工藝技術(shù)仍對中國保密。

2.3 新型產(chǎn)品開發(fā)

(1) 可多象限運行內(nèi)嚙合泵的開發(fā)：新型直驅(qū)式容積伺服系統(tǒng)通過電機變速變向?qū)崿F(xiàn)液壓系統(tǒng)的容積控制，因此對液壓泵多象限運行的需求越來越高。內(nèi)嚙合齒輪泵具有較好的轉(zhuǎn)速-流量特性，特別適合變轉(zhuǎn)速傳動[21]。由于存在徑向補償式結(jié)構(gòu)，典型漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵只能單向運行，國內(nèi)也大多認為該泵無法實現(xiàn)雙向運行。但是，早在20世紀末期艾克樂公司就認識到了多象限運行內(nèi)嚙合齒輪泵的發(fā)展前景，相繼申請了多項可雙向運行內(nèi)嚙合齒輪泵專利[22-23]，圖8為早期專利產(chǎn)品圖。如今，艾克樂公司已開發(fā)出可雙向運行漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵成熟產(chǎn)品，如圖9、圖10所示，但該產(chǎn)品不公開銷售，且嚴格控制銷售范圍。直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵完全依靠間隙實現(xiàn)摩擦副之間的配合密封和潤滑，易設(shè)計對稱結(jié)構(gòu)，如Bucher公司的QX系列具備四象限運行能力。通過固定式間隙實現(xiàn)密封和潤滑加工難度較大，且加工精度控制不好易引發(fā)摩擦磨損導(dǎo)致可靠性不高。國內(nèi)生產(chǎn)廠家為改善密封性能，均采取了開設(shè)靜壓支撐槽、單向泄油等措施，加上國內(nèi)生產(chǎn)廠家對該泵的理解和開發(fā)能力偏弱，導(dǎo)致現(xiàn)在國內(nèi)仍無法生產(chǎn)制造可多向運行的直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵。

圖8 雙向漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵早期專利圖

圖9 艾克樂展示的雙向泵

圖10 艾克樂運用于汽車等移動液壓領(lǐng)域的雙向泵

(2) 低黏度內(nèi)嚙合泵的開發(fā)：漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵的補償結(jié)構(gòu)使其可適應(yīng)較大范圍黏度，目前成熟產(chǎn)品主要適用于10～300 mm/s2。為了拓展應(yīng)用范圍，浙江大學(xué)周華研究團隊[2，24]持續(xù)開展了水液壓漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵的研究，1500 r/min時輸出壓力可達到3.4 MPa。直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵已有可用于0.8～10 mm/s2的低黏度流體的QXV系列產(chǎn)品，為了拓展應(yīng)用至水傳動領(lǐng)域，博創(chuàng)液壓正在開發(fā)水液壓直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵，如圖11所示，其主要在配合間隙以及表面處理工藝上有較大改進，1500 r/min下可輸出壓力4 MPa。上海航投也正在開發(fā)適用于輸送聚氨酯液體的直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵。

圖11 博創(chuàng)液壓開發(fā)的水液壓直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵

(3) 電液泵的開發(fā)：電液泵取消了傳統(tǒng)的聯(lián)軸器，將電機和液壓泵融合式設(shè)計，具有集成方式靈活、功率密度大、振動噪聲低等眾多優(yōu)勢，是液壓動力源的重要發(fā)展方向[25-26]。德國VOITH公司首先開發(fā)了集成內(nèi)嚙合齒輪泵的電液泵，如圖12所示，早期申請的專利取消了聯(lián)軸器，簡單的將電機和泵同軸集成在了一起[27]。經(jīng)過多年發(fā)展，VOITH公司已形成了成熟的電液泵產(chǎn)品，電機和泵高度融合，如圖13所示。相比常規(guī)的電機和泵組合，噪聲可降低12 dB(A)，體積可減小50%，泵內(nèi)油液可強迫冷卻電機，易損件減少，可靠性進一步提升。艾可樂公司則直接將電機驅(qū)動器、調(diào)速電機以及內(nèi)嚙合齒輪泵三者集成，形成MPU單元，如圖14所示，雖未見產(chǎn)品對外銷售，但資料表明其已完成了電液泵的開發(fā)[28-29]。國內(nèi)北京航空航天大學(xué)基于內(nèi)嚙合齒輪泵和無刷直流電機融合設(shè)計了電液泵，但僅完成了設(shè)計分析及原理樣機加工等基礎(chǔ)工作，距離產(chǎn)品化仍有差距[26]。博創(chuàng)液壓也開展了電液泵的開發(fā)工作，但目前僅將伺服電機和直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵同軸設(shè)計，仍處于初級階段，尚未看到有國內(nèi)其他企業(yè)開展集成內(nèi)嚙合齒輪泵的電液泵產(chǎn)品開發(fā)工作。

圖12 VOITH公司早期電液泵專利圖

圖13 EPAI產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

圖14 MPU產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

3 關(guān)鍵技術(shù)及研究熱點

3.1 齒形的優(yōu)化設(shè)計研究

齒形是內(nèi)嚙合齒輪泵設(shè)計的基礎(chǔ)，優(yōu)化齒形設(shè)計能夠有效降低流量脈動，提升整體性能。漸開線齒輪的設(shè)計體系較為成熟，LITVIN[30]專著論述了漸開線齒輪的數(shù)值設(shè)計方法，我國學(xué)者張展[3]采用解析方法詳細分析了直齒圓柱漸開線齒輪的設(shè)計方法。近年來，為優(yōu)化漸開線齒形，DAMIAN[31]編譯了專門的漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵設(shè)計軟件，SHYUE Cheng[32]設(shè)計了雙包絡(luò)斜齒漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵，宋偉[24]、CUNEYT[33]設(shè)計了全嚙合漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵。

直線共軛內(nèi)嚙合齒輪副不是標準齒形，因此尚未統(tǒng)一定義分度圓、變位等概念。參考漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵的定義和設(shè)計方法，一般直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵的基本參數(shù)包括齒輪和齒圈齒數(shù)、模數(shù)、齒頂高系數(shù)、齒根高系數(shù)、齒輪齒形半角及齒輪齒厚對應(yīng)圓心角?；谏鲜龌驹O(shè)計參數(shù)，煤炭研究所陳忠強等[18]推導(dǎo)了直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵的流量脈動特性和卸荷槽設(shè)計方法，楊國來等[34]給出了基于嚙合角函數(shù)的直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵齒廓方程，魏偉鋒等[35]給出了直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵齒廓的參數(shù)化設(shè)計方法，胡翰林等[36]采用解析法建立數(shù)學(xué)模型優(yōu)化設(shè)計了直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵的齒形參數(shù)，提高了排量，降低了流量脈動系數(shù)。段剛等[37]參照漸開線齒輪規(guī)范了直線齒廓外齒輪的基本參數(shù)，給出了齒形半角、壓力角和最小齒數(shù)的關(guān)系，研究了齒頂高系數(shù)、壓力角和重合度的關(guān)系。宋偉等[38-39]參考LITVIN的數(shù)值計算方法，給出了直線共軛內(nèi)嚙齒輪副的數(shù)值設(shè)計方法，并分析了輸出流量脈動和困油特性，討論了齒形各參數(shù)對輸出流量和流量脈動系數(shù)的影響。國外針對直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵的研究文獻幾乎沒有。國內(nèi)針對直線共軛齒形的設(shè)計和認識也還不深，仍需統(tǒng)一認識，建立完備的設(shè)計體系。

3.2 摩擦副的密封與潤滑特性研究

內(nèi)嚙合齒輪泵中包含多組摩擦副，例如軸與軸套摩擦副，齒輪齒圈端面與殼體摩擦副以及齒輪副之間的摩擦副。摩擦副的配合主要起如下作用：①密封作用，在運動部件摩擦副之間形成密封面，防止高壓油泄漏，降低容積效率；②潤滑作用，通過配合間隙在滑動面之間形成良好的動力潤滑，避免摩擦副的磨損和燒結(jié)損壞；③力傳遞作用，通過配合間隙傳遞驅(qū)動力，完成有效嚙合排油[40]。齒輪軸與軸套摩擦副，齒輪齒圈端面與殼體摩擦副控制難度小，容易在加工過程中得到有效保證。齒輪副之間的摩擦副互相耦合，且在內(nèi)嚙合泵運動過程中動態(tài)變化，是影響內(nèi)嚙合泵可靠性的關(guān)鍵摩擦副。以直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵為例，為了支撐和平衡齒圈的運動，在齒圈和殼體之間形成齒圈殼體摩擦副，如圖15所示；為分隔進出油口，在齒輪/齒圈與月牙之間形成齒輪/齒圈月牙摩擦副，如圖16所示；為實現(xiàn)嚙合傳動，在齒輪齒圈之間形成齒輪嚙合摩擦副，如圖17所示。以上構(gòu)成了直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵最關(guān)鍵的3組摩擦副。

圖15 齒圈與殼體配合摩擦副

圖16 齒頂與月牙配合摩擦副

圖17 齒輪嚙合摩擦副

關(guān)于齒圈殼體摩擦副方面，INAGUMA[41-42]研究了轉(zhuǎn)速、壓力以及油液溫度對齒圈所受摩擦力的影響，在吸油區(qū)設(shè)計凹槽結(jié)構(gòu)以改善摩擦副的潤滑條件。PELLEGRI[43]建立了齒圈微運動軌跡求解模型，結(jié)合試驗驗證了模型的有效性，為摩擦副配合間隙的設(shè)計提供了參考。MAO Jun[44]針對發(fā)現(xiàn)的齒圈與殼體摩擦副磨損黏著現(xiàn)象，基于流體仿真軟件校核了不同工況下齒圈受到的不平衡徑向力。杜睿龍[2，45]基于流體動力潤滑理論求解了齒圈殼體摩擦副間的潤滑特性，將潤滑膜壓力場分解為靜壓壓力場、動壓壓力場以及擠壓壓力場三部分作用的結(jié)果，研究了不同工況下齒圈的微運動軌跡及潤滑膜的變化，但模型未考慮彈性變形及溫度效應(yīng)的影響。PHAM[46]研究了內(nèi)嚙合齒輪泵齒圈與殼體摩擦副，分析了其偏心運動軌跡，指出齒圈偏心直接影響油膜厚度，必須在設(shè)計之初予以考慮。關(guān)于齒輪/齒圈與月牙配合摩擦副方面，吳軍強等[47]以泄漏量和功率損失最小為優(yōu)化目標，優(yōu)化了齒輪齒頂與月牙板間的間隙。郝志勇、張建卓等[48-49]分析了浮動式月牙塊運行中的受力情況，對月牙塊的的角度進行了優(yōu)化以改進摩擦副的密封與潤滑特性。關(guān)于齒輪嚙合摩擦副方面，自1916年MARTIN首先將雷諾方程用于分析解決齒輪潤滑問題以來，現(xiàn)代潤滑理論已能夠比較接近實際的解決齒輪潤滑問題。但目前關(guān)于齒輪潤滑問題的研究集中在常見的外嚙合漸開線齒輪副上，例如黃其柏、楊叔子探討了齒側(cè)間隙與輻射噪聲關(guān)系，并給出了確定低噪聲齒輪副齒側(cè)間隙的方法[50]。李桂華等[51]、袁杰紅等[52]研究了齒側(cè)間隙受熱變形的影響，杜坤等[53]分析了齒側(cè)間隙引發(fā)的嚙合沖擊。相關(guān)研究均以傳動領(lǐng)域的漸開線外嚙合齒輪副為對象，專門針對內(nèi)嚙合齒輪泵摩擦副的研究，幾乎沒有。實際上，齒輪傳動良好的潤滑條件不僅與齒形參數(shù)有關(guān)，更取決于齒廓曲線，因此需分別針對直線共軛和漸開線兩種齒形開展齒輪副的潤滑特性研究[54]。尤其是直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵，其摩擦副之間必須采用固定間隙設(shè)計，實際使用過程中摩擦副之間的配合間隙更易受到熱膨脹和局部變形的影響，特殊性更強，必須綜合考慮熱-流-固耦合作用。

3.3 故障診斷與可靠性研究

可靠性是限制國產(chǎn)元件高端化發(fā)展的關(guān)鍵點。進口元件雖可靠性較高，但對內(nèi)嚙合齒輪泵的故障診斷方法和壽命下降規(guī)律仍不充分，無法給出產(chǎn)品實際運行工況下泵的具體壽命指標，Eckerle技術(shù)手冊中指出其產(chǎn)品預(yù)期壽命不低于10萬次壓力沖擊，但未對運行轉(zhuǎn)速、油溫、清潔度等其他條件給予說明。Bucher技術(shù)手冊指出實驗室環(huán)境下其內(nèi)嚙齒輪泵預(yù)期壽命不低于10000 h。國內(nèi)液壓產(chǎn)商很少針對元件開展可靠性檢測，僅開展出廠性能試驗，后期通過客戶使用反饋產(chǎn)品的可靠性。

故障診斷和可靠性方面的研究主要集中在學(xué)術(shù)研究上，研究對象也大多針對柱塞泵[55-56]。例如馬紀明指出液壓泵主要有疲勞、磨損、老化3種典型失效形式，加速壽命試驗是檢驗泵質(zhì)量穩(wěn)定性和可靠性的有效手段。宣元[57]以直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵為對象，開展了加速壽命試驗及其壽命狀態(tài)的評估檢測研究相關(guān)工作?？梢姡壳皩τ趦?nèi)嚙合齒輪泵的故障診斷和可靠性研究仍然不足，尤其是國產(chǎn)產(chǎn)品，對其基本可靠性數(shù)據(jù)尚不掌握。

3.4 研究及發(fā)展總結(jié)

隨著經(jīng)濟水平發(fā)展和工業(yè)運用需求，內(nèi)嚙合齒輪泵產(chǎn)品發(fā)展在不同時期也呈現(xiàn)出不同的特征：

(1) 高壓化：內(nèi)嚙合齒輪泵發(fā)展初期，主要以提高單泵的輸出壓力為主，例如逐漸發(fā)展并優(yōu)化漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵的補償結(jié)構(gòu)，使單級壓力提升至35 MPa；對配合間隙和關(guān)鍵工藝的優(yōu)化，使直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵單機壓力最高可達到25 MPa，經(jīng)過兩級增壓也可輕易達到35 MPa。

(2) 低噪聲：近年來，工業(yè)設(shè)備的安靜性成為關(guān)注的重點，內(nèi)嚙合齒輪泵產(chǎn)品也逐漸向安靜性發(fā)展。Bucher第六代產(chǎn)品性能的提升就主要聚焦安靜性上，通過優(yōu)化進出油口設(shè)計降低出口流量脈動優(yōu)化泵的振動噪聲水平。

(3) 多元化：單一應(yīng)用場景和性能指標基本達到極限后，產(chǎn)品應(yīng)用場景向多元化發(fā)展，例如近些年熱門發(fā)展的低黏度泵、甚至海水泵，以及為適應(yīng)變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展的可多象限運行的伺服泵。

(4) 智能化：智能化是未來發(fā)展趨勢，液壓元件的發(fā)展最終也將走向智能化，例如發(fā)展電液泵，實現(xiàn)電機、液壓泵的一體化集成設(shè)計，集成多種類型傳感器實現(xiàn)運行狀態(tài)的實時感知，故障監(jiān)測和診斷，達到智能泵的水平。

伴隨著產(chǎn)品發(fā)展特點的變化，研究熱點也隨之變化。齒形的優(yōu)化設(shè)計研究極大促進了內(nèi)嚙合齒輪泵的安靜性，摩擦副密封和潤滑特性的深入研究推動了內(nèi)嚙合齒輪泵多元化場景的應(yīng)用，相信未來伴隨著智能泵的發(fā)展需求，故障診斷和可靠性研究將逐漸成為熱點。

4 發(fā)展思考

自20世紀70年代兩種類型內(nèi)嚙合齒輪泵雛形誕生，發(fā)展至今已有60余年的歷史。國外產(chǎn)品成熟、可靠性高，國內(nèi)針對兩種產(chǎn)品的研究和積累時間不長，近年來隨著國內(nèi)對高端液壓元器件的需求越來越旺盛，才有更多企業(yè)將目光聚焦于內(nèi)嚙合齒輪泵。例如，浙江永靈、威博液壓等企業(yè)逐步從原先的葉片泵、外嚙合齒輪泵轉(zhuǎn)型至生產(chǎn)漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵。整體來看，相比直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵，漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵制造精度要求較低，易于實現(xiàn)批量化，且補償結(jié)構(gòu)使其使用可靠性更高，因此國內(nèi)企業(yè)更多將目光聚焦與漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵。但是，代表了國內(nèi)漸開線內(nèi)嚙齒輪泵的制造商——海特克液壓，其關(guān)鍵原材料——月牙板金屬材料仍依賴進口。

直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵雖在國內(nèi)發(fā)展更早，但齒輪齒圈的單配以及較高的制造精度導(dǎo)致國內(nèi)生產(chǎn)和制造企業(yè)望而卻步，這也直接導(dǎo)致國內(nèi)直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵產(chǎn)品性能差距更大。尤其是可靠性上，作者曾開展液壓沖擊試驗對比了國產(chǎn)直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵和進口產(chǎn)品的可靠性，進口產(chǎn)品可承受超速超壓沖擊高達78.7萬次，國產(chǎn)泵目前僅能承受沖擊9.2萬次。

總體來看，國產(chǎn)內(nèi)嚙合齒輪泵與國外產(chǎn)品差距還是較大，研究不夠集中和專注，研究積累也略顯不足。高校側(cè)重于理論研究，企業(yè)側(cè)重于產(chǎn)品開發(fā)，理論研究和產(chǎn)品開發(fā)未形成合力，導(dǎo)致相關(guān)研究比較零散。必須摒棄研仿跟隨的思路，解決好基礎(chǔ)問題，將目光聚焦在提升產(chǎn)品競爭力上，以支撐國產(chǎn)內(nèi)嚙合齒輪泵后續(xù)發(fā)展。為提升國內(nèi)內(nèi)嚙合齒輪泵技術(shù)水平，可從以下幾方面入手。

(1) 基礎(chǔ)材料特性研究：漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵在材料耐磨性差，動密封設(shè)計不優(yōu)的情形下仍能通過補償結(jié)構(gòu)實現(xiàn)較好的性能。但是要提高可靠性，尤其是提升直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵的可靠性難度較大，必須開展基礎(chǔ)材料的特性研究。對比了國產(chǎn)某型內(nèi)嚙合齒輪泵和進口內(nèi)嚙合齒輪泵泵體材料，如圖18所示，發(fā)現(xiàn)進口材料石墨等級達到1級，石墨圓度達到6級，鐵素體含量也更低。定性來看，由于球化級別高使材料潤滑性能好，鐵素體含量高使材料的導(dǎo)熱性更好，因此使摩擦副的耐熱、抗磨減摩性能更好。此外，關(guān)鍵材料的特性研究也是支撐低黏度和水液壓內(nèi)嚙合泵研發(fā)的基礎(chǔ)[58-59]。

圖18 進口泵體金相對比

(2) 關(guān)鍵設(shè)計方法研究：針對不同應(yīng)用場合，進口產(chǎn)品均針對性的開發(fā)了不同類型的產(chǎn)品，但差異性在哪？為什么會有差異性設(shè)計？國產(chǎn)企業(yè)基本不掌握，因此國產(chǎn)泵多是開發(fā)的通用系列產(chǎn)品，導(dǎo)致產(chǎn)品的針對性不強。此外，進出油口、月牙、卸荷槽、密封間隙等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的細節(jié)性結(jié)構(gòu)，國內(nèi)研究也不多，無法指導(dǎo)廠商開展定量設(shè)計，國內(nèi)廠家主要通過仿制國外產(chǎn)品或試驗摸索得出經(jīng)驗值，這也限制了高端元件的開發(fā)。

(3) 加工工藝控制研究：加工工藝是實現(xiàn)設(shè)計落地，提升產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵步驟。尤其是直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵，必須依賴加工工藝保證良好的配合間隙和密封潤滑，上海航發(fā)[60]總結(jié)多年制造經(jīng)驗明確指出，直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵制造精度高，制造工藝復(fù)雜，在如今銷量上升的同時，仍發(fā)現(xiàn)質(zhì)量方面還不穩(wěn)定，影響高端市場銷售，解決這些問題的關(guān)鍵是重視加工工藝和制造技術(shù)。

5 結(jié)語

本研究總結(jié)了內(nèi)嚙合齒輪泵技術(shù)特點，梳理了產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀，歸納了當前的研究熱點，針對國產(chǎn)化內(nèi)嚙合齒輪泵面臨的不足提出了發(fā)展思考，對國產(chǎn)化元器件的發(fā)展具有借鑒意義和指導(dǎo)作用。