多回路齒輪泵設(shè)計(jì)及仿真分析

李麗

(大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司 液壓裝配廠，遼寧大連 116035)*

0 引言

齒輪泵作為機(jī)床中重要的液壓輸出部件，直接影響著產(chǎn)品的性能.目前一些企業(yè)采用單泵分流供油或者單泵單腔供油的方法，不僅影響機(jī)床加工的穩(wěn)定性，也使企業(yè)的成本增加.多齒輪泵的流量不受負(fù)載影響，能夠提供給各潤滑點(diǎn)等量的油液，達(dá)到多個(gè)泵的使用性能，為企業(yè)節(jié)省加工成本.隨著制造技術(shù)的發(fā)展，對數(shù)控機(jī)床的要求將向高精密、大型化方向發(fā)展，所以采用多齒輪泵潤滑的靜壓支承是必然的發(fā)展趨勢［1］.為了縮短多齒輪泵的研發(fā)周期，則需要采用虛擬樣機(jī)技術(shù)構(gòu)建多齒輪泵的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而在計(jì)算機(jī)上對多齒輪泵模型進(jìn)行模擬仿真.

1 多齒輪泵的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 工作原理

多齒輪式泵從結(jié)構(gòu)上說是普通外嚙合齒輪泵的延伸.這種泵是由一個(gè)主動齒輪在泵體中同時(shí)與多個(gè)從動齒輪嚙合傳動，各從動齒輪均勻布置在主動輪中心輪的圓周上，主動齒輪帶動多個(gè)從動齒輪旋轉(zhuǎn)工作，并將油定量分配給各個(gè)油腔［2］.圖1為10個(gè)回路多齒輪泵.

當(dāng)泵工作時(shí)，電動機(jī)動力由中心輪輸入.當(dāng)中心輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動時(shí)，周圍10個(gè)從動輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動，形成10個(gè)外嚙合齒輪泵.對中心輪與1號從動輪構(gòu)成的外嚙合齒輪泵，其嚙合點(diǎn)下側(cè)的輪齒逐漸脫開嚙合，使該處的腔室容積增大.液體在大氣壓力的作用下，經(jīng)吸油口進(jìn)入其中，這就是泵的吸油過程，該處的腔室稱為吸油腔.而嚙合點(diǎn)上側(cè)的輪齒逐漸進(jìn)入嚙合，使該處的腔室容積減小，同時(shí)在齒輪的旋轉(zhuǎn)作用下，輪齒將充滿齒間的液體從嚙合點(diǎn)的下側(cè)帶到上側(cè)，這樣造成嚙合點(diǎn)上側(cè)腔室內(nèi)的液體壓力升高.液體經(jīng)排油口被排出泵體，形成泵的排油過程.同理，該處的腔室成為排油腔.齒輪式多點(diǎn)泵相當(dāng)于多個(gè)外嚙合齒輪泵同時(shí)工作，其流量是多個(gè)普通外嚙合齒輪泵流量的總和.

圖1 10個(gè)回路齒輪泵示意圖

1.2 多齒輪泵的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)

本文所介紹的為20點(diǎn)多回路齒輪泵，可以同時(shí)提供給20個(gè)潤滑點(diǎn)等量的油液.20點(diǎn)多回路齒輪泵通過兩級泵傳輸壓力油，一級泵在電機(jī)驅(qū)動下主要實(shí)現(xiàn)升高油壓的作用，并將電機(jī)轉(zhuǎn)速通過齒輪傳動達(dá)到降速——提速的作用.一級泵輸出的工作油液通過外接油管輸入配油泵，配油泵實(shí)現(xiàn)工作油液的分配任務(wù).在二級泵體上，通過另外一條油路實(shí)現(xiàn)自身的潤滑，從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)供油且達(dá)到自潤滑的目的.因此，多齒輪泵克服了現(xiàn)有齒輪泵不能均勻供給壓力油的不足，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)供油，壓力平穩(wěn)，可以減小流量脈動，使徑向力趨于平衡，有效提高整個(gè)齒輪泵的壽命和工作性能.另外，將兩級泵復(fù)合成一體，達(dá)到結(jié)構(gòu)緊湊的目的.

2 基于Fluent的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)

虛擬樣機(jī)技術(shù)的開發(fā)與實(shí)施涉及到許多關(guān)鍵技術(shù)與相關(guān)的研究領(lǐng)域，比如系統(tǒng)總體技術(shù)、建模/仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、產(chǎn)品建模技術(shù)、模型VV＆A(校驗(yàn)、驗(yàn)證和確認(rèn))技術(shù)和支撐平臺/框架技術(shù)等［3］.在計(jì)算機(jī)上用Proe三維軟件建立多齒輪泵的模型，然后再用模擬仿真軟件Fluent對模型進(jìn)行模擬試驗(yàn)——改進(jìn)——試驗(yàn)的反復(fù)過程，從而達(dá)到優(yōu)化改進(jìn)多齒輪泵的效果.

2.1 測繪過程

數(shù)據(jù)采集技術(shù)是反求工程的關(guān)鍵技術(shù)之一，所采集數(shù)據(jù)的好壞直接影響反求工程的質(zhì)量和實(shí)現(xiàn).因此，在這里先介紹一下要用的測量工具，為數(shù)據(jù)測量采集打好基礎(chǔ)，以便提高測量效率和得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù).本文測量所用的主要工具有:直尺、游標(biāo)卡尺、大型工具顯微鏡和三坐標(biāo)測量機(jī);另外還需要一些輔助工具來探明多齒輪泵的結(jié)構(gòu)，如細(xì)鐵絲等.

2.2 關(guān)鍵件材料的確定

在機(jī)械零件的設(shè)計(jì)和加工過程中，零件材料的選擇是否恰當(dāng)，直接關(guān)系到材料在冷，熱加工過程中的難易程度、制件的質(zhì)量和成本.如果零件材料選用的好，就可以保證甚至提高設(shè)備的工作性能，延長設(shè)備的使用壽命，降低設(shè)備的造價(jià).零件材料的選擇一般要考慮其工作條件、工藝性能要求和材料的經(jīng)濟(jì)性要求，同時(shí)還要根據(jù)生產(chǎn)批量是成批生產(chǎn)還是單件生產(chǎn)［4］.從使用、工藝和經(jīng)濟(jì)三方面來考慮，使用情況一般包括:①零件的工作和受載情況;②對零件尺寸和質(zhì)量的限制;③零件的重要程度.零件的受載情況主要指載荷大小和應(yīng)力種類，若零件的接觸應(yīng)力較高如中心齒輪和小齒輪之間嚙合運(yùn)動就需要選用表面強(qiáng)化處理的材料，因此中心齒輪和小齒輪都選用40Cr;作為多齒輪泵的主要工作部分——配油泵組成的零件:配油泵外端盤、內(nèi)端盤、配油泵泵體，作為單件生產(chǎn)，材料選擇一般選用庫存的，實(shí)在不能滿足要求才會外購 ，而且只要滿足主要性能指標(biāo)就行.因此配油泵各關(guān)鍵件用45鋼就可以滿足.

3 仿真分析與結(jié)果

3.1 計(jì)算條件

對嚙合齒輪泵內(nèi)流場進(jìn)行模擬仿真，在數(shù)值計(jì)算過程中，其模型條件如下:

(1)工作介質(zhì)為46#油，其密度ρ=881 kg/m3，運(yùn)動粘度 v=46 ×10－6m2/s，齒輪的材料為40Cr;

(2)流體為牛頓流體，即在模擬過程中，速度發(fā)生變化時(shí)，其運(yùn)動粘度v保持不變.

(3)通過計(jì)算，此模型中的雷諾數(shù)Re大于臨界雷諾數(shù)Re，因此模型中的液體流動狀態(tài)是湍流，滿足k-e標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，其形式如下:

式中，Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生項(xiàng);Gb為由于浮力影響引起的湍動能產(chǎn)生項(xiàng);YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響;湍流黏性系數(shù) μ = ρCμk2/ε;其中常數(shù):C1s=1.44，C2s=1.92，C3s=0.09;動能k與耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)分別為:σk=1.0，σs=1.3［5］.

3.2 建立幾何模型和網(wǎng)格劃分

首先在CAD軟件中完成齒輪泵的簡單模型，采用10個(gè)外嚙合齒輪進(jìn)行模擬仿真，如圖1所示.10個(gè)齒輪均為標(biāo)準(zhǔn)漸開線圓柱齒輪，其參數(shù)如下:大齒輪轉(zhuǎn)速為2 340 r/min;小齒輪轉(zhuǎn)速為17 403 r/min;大齒輪轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針;大齒輪齒數(shù)為119;小齒輪齒數(shù)為16;模數(shù)為0.4;壓力角為20°;c*為 0.25為1.

完成建模后，需要生成ACIS文件，然后導(dǎo)入到前處理軟件GAMBIT里進(jìn)行網(wǎng)格劃分.多齒輪泵內(nèi)部流場計(jì)算區(qū)域采用三角形網(wǎng)格離散，得到的初始節(jié)點(diǎn)25141個(gè)，網(wǎng)格40566個(gè).初始網(wǎng)格模型如圖2所示.

圖2 齒輪泵初始網(wǎng)格

同時(shí)在Gambit軟件里指定每個(gè)區(qū)域的名稱和類型，進(jìn)出口分別定義為壓力進(jìn)口、壓力出口，結(jié)合圖1可知，中心輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，油液在1號從動輪部分處從吸油口進(jìn)入流場，經(jīng)過齒輪旋轉(zhuǎn)，從排油口流出.其余9個(gè)齒輪部分依次可推出各自的吸油口和排油口.

3.3 齒輪泵的動態(tài)模擬

為了更好地模擬齒輪旋轉(zhuǎn)過程中的流場變化情況，本文采用動網(wǎng)格技術(shù)，編制UDF程序來控制齒輪的轉(zhuǎn)動.在Fluent軟件中，采用有限體積法求解，壓力項(xiàng)用PRESTO!格式離散，擴(kuò)散項(xiàng)用中心差分格式離散，其余項(xiàng)用二階迎風(fēng)格式離散，壓力速度耦合方程采用PISO算法求解.

通過對外嚙合齒輪泵內(nèi)部的水壓流場所進(jìn)行的仿真，可獲得其內(nèi)部的流動速度分布圖和壓力分布圖，并據(jù)此分析內(nèi)部的壓力變化，同時(shí)也可以監(jiān)測出口的排油情況.本文首先模擬輸入壓力、輸出壓力分別為16、18 MPa的內(nèi)部流場壓力和速度矢量分布狀況，同時(shí)監(jiān)測排油口的流量.并對此進(jìn)行分析.

圖3為輸入壓力為16 MPa，輸出壓力為18MPa，齒輪轉(zhuǎn)動0.000 24 s時(shí)的壓力分布圖.由圖中可以看出，在齒輪即將進(jìn)入嚙合的時(shí)候壓力值最大，最大值為18.1 MPa，這是由于齒輪在嚙合的時(shí)候，對排油腔的油液進(jìn)行擠壓，較大的壓力對齒面產(chǎn)生沖擊，而且對齒輪壽命則有一定的影響.在齒輪由嚙合到分離的時(shí)候壓力值最小，最小值為12.5 MPa，和進(jìn)油口壓力有較大的差值.低壓產(chǎn)生在齒面處，極易產(chǎn)生氣泡，引起齒面的氧化腐蝕，進(jìn)而產(chǎn)生氣穴，引發(fā)氣蝕現(xiàn)象［6］.

圖3 齒輪轉(zhuǎn)動0.000 24 s時(shí)的壓力分布云圖

在整個(gè)模擬過程當(dāng)中，可以觀測到排油口的流量情況，如圖4所示.在齒輪旋轉(zhuǎn)0.000 08 s左右時(shí)，流體出現(xiàn)回流情況，隨著齒輪的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，回流出現(xiàn)更大的范圍.如圖5所示，齒輪旋轉(zhuǎn)0.000 2 s時(shí)的速度矢量圖，從圖上可以看出，流體回流占據(jù)了大范圍的流場，使齒輪泵的流量迅速減少.

圖4 排油口流量狀況

圖5 齒輪旋轉(zhuǎn)0.000 2 s時(shí)的速度矢量圖

回流的出現(xiàn)會對齒輪泵造成許多不利的影響，主要的危害有:

(1)回流消耗更多的能量，并且使齒輪泵的效率降低很多;

(2)回流的出現(xiàn)使齒輪泵的流場流動不穩(wěn)定，同時(shí)伴隨著脈動出現(xiàn)，影響齒輪泵的壽命.從控制原理上來分，對回流的控制可分為主動控制，即外加能量的控制;被動控制，即不加能量的控制.前者需要外加的能量消耗，有時(shí)會得不償失;后者雖然不需要外加的能量，但往往是以犧牲某種流體動力性能為代價(jià)的［7］.從本文設(shè)計(jì)的齒輪泵模型，如果采用主動控制的方法，可以提高齒輪的轉(zhuǎn)速.提高轉(zhuǎn)速，則對齒輪的使用壽命有一定的影響，而且對電機(jī)的要求會更高.所以采取被動控制的方法，減小進(jìn)出口的壓力差值.

如圖6所示，設(shè)定齒輪泵輸入壓力為16 MPa，輸出壓力為17 MPa時(shí)，排油口的流量沒有發(fā)生明顯的回流現(xiàn)象，輸出流量在0.000 3 s后趨于穩(wěn)定.

圖6 減小進(jìn)出口壓力差值后的排油口流量監(jiān)測圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了簡易的外嚙合齒輪泵模型，并對齒輪泵內(nèi)部的流場進(jìn)行了分析.通過本文對簡單外嚙合齒輪泵模型的模擬仿真，可以得出以下結(jié)論:

(1)在齒輪即將進(jìn)入或脫離嚙合時(shí)，會和流體進(jìn)出口產(chǎn)生較大的壓力差，從而影響齒輪的使用壽命，因此可以對齒輪齒面進(jìn)行一些強(qiáng)化處理;

(2)流體進(jìn)出口的回流現(xiàn)象對于齒輪泵的效率以及使用壽命都有一定的影響，可以通過減小流體進(jìn)出口壓力差值的方法來減小回流影響的范圍.

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