齿轮泵研究现状与发展

朱礼浩

                                                                    齿轮泵研究现状与发展

摘要：综合分析了国内外齿轮泵的研究现状，介绍了2种新研制的齿轮泵的工作原理及结构特点。研究表明，这两种新式齿轮泵均保留了普通齿轮泵的优点，还具有各自的特点，可广泛的应用于液压系统中。最后给出鉴别齿轮泵性能的几个指标。

关键词：齿轮泵；现状；研究进展

引言

   齿轮泵是液压传动系统中常用的液压元件, 在结构上可分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵 2 大类。外啮合齿轮泵的优点是结构简单、尺寸小、重量轻、制造维护方便、价格低廉、工作可靠、自吸能力强、对油液污染不敏感等。缺点是齿轮承受不平衡的径向液压力, 轴承磨损严重, 工作压力的提高受到限制; 流量脉动大, 导致系统压力脉动大,噪声高。内啮合齿轮泵结构紧凑、尺寸小、重量轻, 并且由于齿轮同向旋转, 相对滑动速度小、磨损轻微、使用寿命长、流量脉动远比外啮合齿轮泵小, 因而压力脉动和噪声都比较小。内啮合齿轮泵允许使用较高的转速, 可获得较高的容积效率。但是内啮合齿轮泵同样存在着径向液压力不平衡的问题, 限制了其工作压力的进一步提高。另外, 齿轮泵的排量不可调节, 在一定程度上限制了其使用范围。

1.齿轮泵研究现状

   由于齿轮泵在液压传动系统中应用广泛, 因此, 吸引了大量学者对其进行研究。目前, 国内外学者关于齿轮泵的研究主要集中在以下方面:(1)齿轮参数及泵体结构的优化设计；(2)齿轮泵间隙优化及补偿技术；(3)困油冲击及卸荷措施；(4)齿轮泵流量品质研究；(5)齿轮泵的噪声控制技术；(6)轮齿表面涂覆技术；(7)齿轮泵的变量方法研究；(8)齿轮泵的寿命及其影响因素研究；(9)齿轮泵液压力分析及其高压化的途径；(10)水介质齿轮泵基础理论研究。提高齿轮泵的工作压力是齿轮泵的一个发展方向,而提高工作压力所带来的问题是:( 1) 轴承寿命大大缩短;(2)泵泄漏加剧,容积效率下降。产生这2个问题的根本原因在于齿轮上作用了不平衡的径向液压力,并且工作压力越高,径向液压力越大。目前,国内外学者针对以上2个问题所进行的研究是:(1)对齿轮泵的径向间隙进行补偿；(2)减小齿轮泵的径向液压力,如优化齿轮参数、缩小排液口尺寸等；(3)提高轴承承载能力,如采用复合材料滑动轴承代替滚针轴承等。但这些措施都没从根本上解决问题。

2.齿轮泵研究进展

2.1 外啮合齿轮泵

外啮合齿轮泵是应用最广泛的一种齿轮泵(称为普通齿轮泵),其设计及生产技术水平也最成熟。多采用三片式结构、浮动轴套轴向间隙自动补偿措施、铝合金壳体径向 扫膛工艺,并采用平衡槽以减小齿轮(轴承) 的径向不平衡力。目前,这种齿轮泵的额定压力可达25MPa。但是,由于这种齿轮泵的齿数较少,导致其流量脉动较大。

2.2 卫星齿轮泵

为了减小普通齿轮泵的流量脉动,栾振辉研制了一种卫星齿轮泵(或称多齿轮泵,复合齿轮泵)。卫星齿轮泵的结构原理如图1所示,在壳体4中安装1个中心轮1,在中心轮的周围均匀布置3个卫星轮5。壳体的前部安装1个前端盖6,其上布置有进液口,壳体的后部安装1个后端盖2,其上布置有出液口。中心轮由2个中心轮轴套7支承,每个卫星轮分别由2个卫星轮轴套3支承。

图 1 卫星齿轮泵结构原理

1.中心轮2.后端盖3.卫星轮轴套4.壳体

5.卫星轮6.前端盖7.中心轮轴套

当卫星齿轮泵工作时, 原动机动力由中心轮输入(假设中心轮顺时针转动) , 则中心轮带动3个卫星轮逆时针转动, 形成3个外啮合齿轮泵(简称子泵) , 液体由前端盖上的进液口进入, 经进液通道分别进入3对啮合齿轮的进液腔( O1、O2、O3) ,压力液体则由3对啮合齿轮的排液腔 ( P1、P2、P3)经排液通道由出液口排出泵外。研究表明:(1)当取中心轮齿数z1= Nk + 1时( N为卫星轮的个数, k为自然数) ,卫星齿轮泵的流量脉动率显著减小。(2) 由于结构的对称性, 中心轮所受的齿轮啮合力及径向液压力是平衡的, 因此, 中心轮及其轴套的静态径向力为零。

(3)由于中心轮同时与N个卫星轮啮合,避免了单对齿轮啮合时所产生的冲击和噪声。同时,泵的排量可显著增加。

2.3无啮合力齿轮泵

无啮合力齿轮泵的结构原理如图2所示,主要由输入轴、同步齿轮、隔板、吸排液齿轮、轴承、泵体及前后泵盖等组成。原动机动力由输入轴1通过同步齿轮2、3传递给吸排液齿轮7、8。吸排液齿轮分别通过花键套装在输入轴1和传动轴9上。

图 2无啮合力齿轮泵的结构原理

1. 输入轴 2、3.同步齿轮4.隔板 5.滑动轴承

6. 壳体 7、8. 吸排液齿轮 9. 从动轴

齿轮传动的啮合力由同步齿轮承受, 吸排液齿轮只承受因吸排油而产生的液压力。对于普通齿轮泵,由于主、从动齿轮所受的径向力不同, 造成2对轴承载荷不均。另外,将排液与动力传递合在一起, 给齿轮的设计与加工带来很多困难,齿轮既要满足动力传递方面的强度及齿面硬度要求, 又要满足吸排液方面的精度及表面粗糙度要求, 致使齿轮的材料选择及加工方法均受到一定的限制, 齿轮的加工成本较高。而无啮合力齿轮泵将吸排液与动力传递分开设计。传递动力的啮合力由同步齿轮承担, 其设计方法与一般齿轮传动相同, 主要考虑轮齿的强度及齿面硬度。排液的液压力由吸排液齿轮承担, 其设计方法以考虑齿轮精度、轮齿表面粗糙度及耐磨性为主, 其材料除了采用普通齿轮泵所选用的高性能合金钢以外, 还可以采用普通钢材(经表面处理)、耐磨铸铁、陶瓷及高分子材料等。结构仍然可以采用普通齿轮泵中的端面间隙补偿以及复合材料轴承等结构形式。

     因此, 无啮合力齿轮泵除了可以用于矿物油以外, 还可以用于高水基液压液、水、甚至化学溶剂等有腐蚀性的介质。

3.鉴别齿轮泵性能的几个指标

3.1振动和噪音

齿轮泵在液压传动系统中,产生两方面的振动和噪音。一是泵自身的振动和噪音:二是引起液压系统的振动和噪音。下面分别作些分析。

3.1.1泵自身的振动和噪音

    外啮合齿轮泵比其他液压泵明显的缺点是振动大、噪音高。这在很大程度上是 由于困油造成的。发生困油的主要原因是由于所用齿轮一般为渐开线齿形,有一定的齿隙。为保持持续旋转,同时啮合 的齿必须在一 组以上,啮合的齿数为一个齿到两个齿之间。如图3所示,当二组齿在a,b两点相接时,齿间的油液便成为困油状态;图中用斜线表示。困油区的容积从开始到中心点的过程是逐渐减少,使油受到压缩而畸形地成为高压,在中心点到困油终了的过程,容积扩大,变成负压,发生空穴,使吸油率降低。这种困油容积的变化是断续发生的，其结果造成齿轮的振动和噪音。

     

    图3 困油现象及困油区的容积变化

    为消除外啮合齿轮的困油,提高液压泵的性能,一般采用的办法是在齿轮啮合面的侧板上开一个卸荷槽,在困油容积压缩的区域内由槽A与压油腔连通,防止压力上升,在困油容积扩大域内由槽B与吸油腔连通,以防止空穴现象发生。消除困油现象,对中高压齿轮泵来说,是消除齿轮泵的振动和噪声的重要途径。选用的齿轮泵在正常运转下,应该是振动和噪声很小,符合国家有关规定要求,这样的齿轮泵才有较长的使用寿命。

3.1.2液压系统的振动和噪声

    引起液压 系统的振动和噪声的原因很多,主要有两个原因:一是机械性振动所引起的,如驱动泵的电机泵和电机的联轴节以及泵的安装状况等,还有传递振 动的油管、油箱等,都是发生振动的地方。二是液压方面的原因造成的。而齿轮泵是液压 方面主要的振动和噪声的发生源。齿轮泵的每转排量取决于齿轮直径及齿轮宽度。在相同直径下,排量的大小取决于齿槽的深浅。由于齿轮泵的瞬间排量有脉动,齿轮齿数越少,齿槽越深,排量脉动越大。排量的脉动和油流的加压与卸载产生一个压力波动,这个压力波动传递到液压系统中,与管路、其他控制阀件发生固定频率相近时,即发生共振引起整个液压系统的较大振动,振动通过声波媒介发出烦恼的噪声。除泵之外,还有压力波动产生的紊流,泵吸入空气产生的气穴等,都能使液压系统产生振动和噪声。

3.2容积效率

    容积效率是液压 泵的一项重要指标,其表达式为: 式中 —泄漏量 —实际排量 —理论排量

    从式中可知，容积效率与泄漏量成反比。泄漏量对外啮合齿轮泵来讲指内部泄漏量,而内部泄漏量有三种情况：一是在齿轮啮合时,油液经齿隙而泄漏,而这种泄漏只有提高加工技术,严格控制加工公差,使泄漏量控制在最小限度。二是沿齿轮圆周泄漏,这是齿顶与泵壳体的接触不良,要求提高齿轮的径向间隙密封。三是沿齿轮侧面泄漏,这就要求采用轴向压力平衡,减少浮动轴套或浮动侧板与齿轮侧面的轴向间隙来减少轴向齿轮侧面的泄漏量。

3.3总效率

    总效率是衡量泵性能高低的另一重要指标。泵的总效率是指泵的有效功率和输人功率之比,即 ,式中

—泵的有效功率 —泵的输入功率

    由于内泄漏造成了容积效率的损失,解决困油现象而设计的沟槽,内孔道而 造成压力损失,轴与轴承等相对运动零件磨损所造成的机械损失。以上因素使得外啮合齿轮泵的总效率一般不超过90%。

参考文献：

1.殷永法，国产中高压齿轮泵简介[J].

2.栾振辉,齿轮泵研究现状与发展[J].起重运输机械，2005（6）.

3.何存兴，林建亚.液压元件[M].北京：机械工业出版社.1990.

朱礼浩   能源与动力学院 122080202008