齿轮泵三维瞬态流场仿真

若景致如画

齿轮泵三维瞬态流场仿真

摘要：针对外啮合齿轮泵泵体结构对其内部流场的影响，采用 FLUENT 的动网格计算模型，通过变化径向间隙和改变齿轮齿形，对外啮合齿轮泵进行内部流场分析。结果表明，在轮齿啮合区域附近，流体压力呈周期性变化，并在两相邻的啮合齿对间形成了显著的困油现象；中心距越小 (大)，出口处的平均速度越大 (小)，进出口压力差越大 (小)，困油区压力越高 (低)；出口流速和转速呈线性正比关系。此外，双圆弧齿形的齿轮泵比渐开线齿轮泵的出口平均速度更大。

关键词：齿轮泵；内部流场；困油现象；卸荷槽；径向力；困油压力

一、引言

  齿轮泵主要依靠泵缸与啮合齿轮间所形成的工作容积变化来输送液体或使之增压，广泛应用于液压传动系统，是液压机械传动系统的重要部件，泵内流体不仅可以传递能量，而且对泵内摩擦副也起到润滑的作用，流体的流动对泵的性能有较大影响。因此，在齿轮泵设计初期应充分考虑泵体结构对流体的影响，以设计出符合用户要求、效率更高的齿轮泵。对齿轮泵流场进行数值模拟，可以比较精确地提供齿轮泵内流体各点的运动情况。为了设计出结构合理、效率更高的齿轮泵，利用 FLUENT 软件，采用动网格计算模型对外啮合齿轮泵齿轮转动进行模拟，得到了泵内流体各瞬间的速度、压力等数据，以及不同转速和重合度对流场的影响，为外啮合齿轮泵机构的设计和改进提供了理论依据。

二、研究现状

  国内有关齿轮泵的研究，主要表现在振动和噪声及控制，齿轮、滑动轴承和浮动侧板的润滑分析，流体的二维流动及品质分析，困油冲击及卸荷措施，转子的动力学分析，结构及参数的优化设计，寿命及其影响因素研究，液压力分析及其高压化的途径，水介质基础理论研究，齿轮弯曲应力和接触疲劳强度的计算等10个方面，其中，虽然困油现象的研究备受关注，但是研究工作仍侧重于困油、卸荷槽面积计算与量测及卸荷槽的创新设计。

三、存在的问题：

1、轴向间隙问题

  齿轮泵容易漏油的地方较多,例如齿轮端面和端盖间,齿轮外圆和泵体内孔间以及两个齿轮的齿面啮合等处。其中对泄漏影响最大的是齿轮端面和端盖间的轴向间隙。因为这里泄漏面积较大,泄漏路程较短,轴向间隙越大,漏油越多,容积效率也越低。但间隙过小,齿轮端面和端盖之间的机械摩擦增加,也会降低泵的机械效率。因此,必须选择适当的轴向间隙,并要在工艺上容易实现。

2、径向压力不平衡问题

  齿轮泵工作时,作用在齿轮轴颈及轴承上的径向力,是由液压力和齿轮啮合力所组成的。这个径向压力是不均匀分布的,吸油腔的压力最低,一般低于大气压力,压油腔的压力(也就是工作压力)最高。由于齿轮顶与泵体内壁表面间有径向间隙,所以在齿轮外圆上,从压油腔到吸油腔油液的压力是逐步降低的,它的合力作用在齿轮轴上。因此,轴承受到单方向压力。油泵的工作压力越高,这个单向压力就越大。

3、困油问题

  齿轮泵要能连续供压力油,就要求齿轮的重迭系数。大于1,也就是说要求在一对轮齿啮合即将脱开之前,后继的一对齿轮就要开始啮合(这样才能保证泵的吸油腔和压油腔完全分隔开)。在这一段时间内,同时啮合的就有两对轮齿。这时留在齿间的油液就被困在两对啮合的轮齿形成的一个封闭空间内,这就是齿轮泵的困油现象。齿轮泵的困油现象,使泵工作产生噪音,影响泵工作平稳性和寿命,加速了油液老化变质,对齿轮泵极为不利。

四、研究方法

  基于FLUENT动网格模型，对外啮合齿轮泵困油现象进行分析，齿侧间隙的大小是影响齿轮泵困油压力重要因素，在同一转速下齿侧间隙越小，困油现象越突出，适当的增大齿侧间隙，可以缓解齿轮泵的困油现象。基于三维设计和流场仿真软件对卸荷槽进行改进设计、求解出困油容积及其困油压力变化和旋转过程中齿轮泵内部流场，通过对齿轮表面流场压力进行积分获得卸荷槽改进前、后和具有扩大高压区结构以及具有扩大高压区及困油现象三种情况下的齿轮泵径向力的变化规律；通过比较卸荷槽改进后的有、无扩大高压区结构的齿轮泵径向力、径向分力变化曲线，获得径向力在扩大高压区结构影响下的变化规律。

五、总结

  困油现象可进一步加剧外啮合齿轮泵径向力的不平衡，而合理的设计卸荷槽可以有效的降低齿轮泵径向力不平衡，改进卸荷槽后齿轮泵径向力最大值和平均值都有降低。开设高压油槽即具有扩大高压区结构的齿轮泵径向力的最大值和平均值与未开设之前比较均有所减小。高压油槽开设引起的齿轮圆周液压力的改变主要表现在两齿轮中心线方向的分力上，且方向与困油现象引起的在两齿轮中心线方向上的分力相反，这样可以与两齿轮中心线方向上因困油引起的径向力分力相互抵消。齿侧间隙的大小对齿轮泵的困油压力有着重要的影响，在同一转速下齿侧间隙越小，困油现象越突出，适当的增大齿侧间隙，可以缓解齿轮泵的困油现象。

参考文献

何存兴 液压元件 北京:机械工业出版社1982

张勇 王和顺 朱维兵 董霖 外啮合齿轮泵内部流场的数值分析［J］ 矿山机械 2012

栾振辉 齿轮泵研究的现状与发展 [J] 起重运输机械 2005

朱锦彤 周思柱 李宁 严奉林 孟琴 基于ＦＬＵＥＮＴ的外啮合齿轮泵内部流场数值分析 长江大学学报（自科版）2013蔡立新 影响齿轮泵寿命的因素分析 [J] 新疆电机化 2002(2)

臧克江 周欣 顾立志 陈鹰 降低齿轮泵困油压力新方法的研究［J］中国机械工程 2004

司健 外啮合齿轮泵的泵齿轮最佳参数的研究及CAD 申请清华大学工程硕士专业学位论文 2002

学院：能源与动力工程

专业：机械电子工程

姓名：杨 超

学号：122080202006