齒輪泵無(wú)軸向泄漏的新結(jié)構(gòu)研究*

(宿遷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 江蘇宿遷 223800)

目前，減小軸向間隙、加大泄漏路徑、縮小高壓油的作用區(qū)域等，都是比較有效的控制措施，尤其軸向間隙的減小，效果最為明顯。但限于軸向摩擦副的摩擦、磨損、潤(rùn)滑的性能要求和加工工藝要求，軸向間隙總存在一個(gè)取值下限的問(wèn)題。現(xiàn)有文獻(xiàn)主要涉及了最優(yōu)間隙的計(jì)算方法[3]，側(cè)板傾斜對(duì)軸向泄漏的影響[4]，軸向間隙的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償機(jī)制[5]和計(jì)算[6]，保持適宜軸向間隙的補(bǔ)償面設(shè)計(jì)[7]，加大泄漏路徑的大徑向尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)[8]，縮小高壓油作用區(qū)域的高壓區(qū)1～2齒密封結(jié)構(gòu)[2]，軸向摩擦副油楔的動(dòng)壓潤(rùn)滑和性能改善[9-10]等。以上這些研究主要體現(xiàn)在軸向泄漏的控制方面，并沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的突破，從而從產(chǎn)生的源頭上消除軸向泄漏。為此，本文作者擬從消除軸向摩擦副的角度，提出一種無(wú)軸向泄漏的新結(jié)構(gòu)，并對(duì)相應(yīng)的性能參數(shù)做進(jìn)一步的深入研究和分析。

1 無(wú)軸向泄漏結(jié)構(gòu)方案

在常規(guī)齒輪泵中，主、從齒輪的兩端面分別與對(duì)偶面構(gòu)成了2對(duì)運(yùn)動(dòng)副，其間的間隙是造成軸向泄漏的主要途徑。如能從結(jié)構(gòu)上消除這2對(duì)運(yùn)動(dòng)副，即能最大限度地降低常規(guī)齒輪泵的軸向泄漏，甚至還能改善軸承的潤(rùn)滑性能、降低軸向尺寸的輕量化設(shè)計(jì)等。提出的無(wú)軸向泄漏的結(jié)構(gòu)方案，如圖1所示，所對(duì)應(yīng)的泵稱為改進(jìn)泵。

其主要部件包括：主動(dòng)輪前同步旋轉(zhuǎn)圓盤1，主動(dòng)輪2，主動(dòng)輪后同步旋轉(zhuǎn)圓盤3；從動(dòng)輪前同步旋轉(zhuǎn)圓盤4，從動(dòng)輪5，從動(dòng)輪后同步旋轉(zhuǎn)圓盤6；前浮動(dòng)側(cè)板7，后浮動(dòng)側(cè)板8；2根大聯(lián)結(jié)螺釘9，8根小聯(lián)結(jié)螺釘10，2根定位銷11。其中，零件1、2、3通過(guò)1根大聯(lián)結(jié)螺釘9、4根小聯(lián)結(jié)螺釘10和1根定位銷11，緊緊固定在一起，作為主動(dòng)輪-軸，零件1、2、3的分開設(shè)計(jì)與加工，目的是易于彼此的加工與實(shí)現(xiàn)；部件4、5、6按同樣方法緊緊固定在一起，作為從動(dòng)輪-軸。聯(lián)結(jié)螺釘?shù)穆菁y方向與齒輪的旋轉(zhuǎn)方向相反，實(shí)現(xiàn)了工作時(shí)的自鎖功能。另外，滑動(dòng)軸承直接加工在前、后浮動(dòng)側(cè)板上，簡(jiǎn)稱為浮動(dòng)側(cè)板軸承。

圓盤1、3、4、6與主、從動(dòng)齒輪2、5具有圓凸臺(tái)-圓凹腔的配合，結(jié)合2根定位銷，實(shí)現(xiàn)了彼此間的精確裝配與定位。前、后浮動(dòng)側(cè)板7、8的齒輪側(cè)接合面，均采用吸油側(cè)2齒密封的引油槽結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了徑向力的最小化。上、下兩端均采用圓形引油通孔，將高壓油引到前、后浮動(dòng)側(cè)板的外側(cè)面，實(shí)現(xiàn)軸向間隙的自動(dòng)補(bǔ)償。

圖1 齒輪泵無(wú)軸向泄漏結(jié)構(gòu)方案

針對(duì)圖1所示的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，下面將對(duì)改進(jìn)前后的軸向泄漏和軸承潤(rùn)滑情況，進(jìn)行計(jì)算與比較。

2 壓緊力和壓緊力系數(shù)

以從動(dòng)輪O2為例，將對(duì)應(yīng)于從動(dòng)輪的浮動(dòng)側(cè)板

內(nèi)側(cè)面，首先分成分別對(duì)應(yīng)于吸油低壓區(qū)、過(guò)渡區(qū)和排油高壓區(qū)的三大區(qū)域[11]，如圖2所示。

每一區(qū)域的面積為

(1)

式中:si、sg、so為浮動(dòng)側(cè)板上分別對(duì)應(yīng)低壓區(qū)、過(guò)渡區(qū)、高壓區(qū)的面積，mm2；αi為低壓區(qū)包角，rad；αg為過(guò)渡區(qū)包角，rad；ra為齒頂圓半徑，mm；rz為同步圓盤半徑，mm；r′為節(jié)圓半徑，mm；δ為連線aO2與中心線O1O2間的夾角，rad；h為點(diǎn)a到中心線O1O2的距離，mm。

其中

(2)

則

Fin=2(pisi+pgsg+poso);Fout=2po(si+sg+so)

(3)

式中:Fin為浮動(dòng)側(cè)板內(nèi)側(cè)面上的油壓作用力，N；Fout為外側(cè)面上的油壓作用力，N；pi為進(jìn)口油壓力，MPa；po為出口油壓力，MPa；pg為泵過(guò)渡區(qū)內(nèi)的油壓力，MPa，簡(jiǎn)記pg=0.5(pi+po)。

則

(4)

式中:K為浮動(dòng)側(cè)板的壓緊力系數(shù)，一般控制在1～1.2[2]。

圖2 壓緊力計(jì)算

3 圓盤軸的潤(rùn)滑計(jì)算

依據(jù)文獻(xiàn)[12]滑動(dòng)軸承的相關(guān)承載計(jì)算，得

(5)

式中:F為軸承動(dòng)潤(rùn)滑油膜力，N；η為潤(rùn)滑油在軸承平均工作溫度下的動(dòng)力黏度，Pa·s；ω為圓盤軸角速度，rad/s；φ為圓盤軸寬徑比；γ為圓盤軸-浮動(dòng)側(cè)板軸承的相對(duì)偏心率；dz為圓盤軸直徑，mm；Δ為圓盤軸-浮動(dòng)側(cè)板軸承的直徑間隙，mm；b為圓盤軸寬度，mm；e為圓盤軸-浮動(dòng)側(cè)板軸承的偏心距，mm；CF為圓盤軸的承載量系數(shù)，為偏心率和寬徑比的擬合曲面函數(shù)[13]。

則

hmin=0.5Δ1-γ

(6)

式中：hmin為圓盤軸動(dòng)壓潤(rùn)滑副的最小油膜厚度，mm。

對(duì)于已知軸徑和軸寬的圓盤軸，由單個(gè)圓盤軸上的油膜力和外載荷(徑向力)相等，可求出相應(yīng)的相對(duì)偏心率γ，即

F(φ,γ)-0.5Fr=0?γ

(7)

式中：Fr為從動(dòng)軸上的總徑向力，N，該力由前、后兩對(duì)滑動(dòng)副共同平分。

在徑向滑動(dòng)軸承工作中，由于圓盤軸頸旋轉(zhuǎn)壓力的作用，導(dǎo)致潤(rùn)滑油從圓盤軸前后兩端泄出，稱之為端泄量，可近似等于潤(rùn)滑油流量。由潤(rùn)滑油流量系數(shù)公式[12]

CQ(φ,γ)=Q/(ψvbdz)

(8)

得

(9)

式中:CQ為潤(rùn)滑油流量系數(shù)，是偏心率和寬徑比的函數(shù)，查表可得[13]；Q為潤(rùn)滑油的流量，mm3/s；Ψ為相對(duì)間隙；v圓盤軸頸圓周速度，mm/s。

4 軸向泄漏改善率分析

在圖3所示的圓盤軸-浮動(dòng)側(cè)板軸承的截面圖上，依據(jù)其徑向間隙的不同，可分為1、2、3的不同間隙區(qū)域。其中，區(qū)域1的間隙比較大，且軸承兩端均布有排油的高壓，故這一區(qū)間的壓差泄漏幾乎為0。區(qū)域3、2的間隙比較小，且軸承外端為排油的高壓、內(nèi)側(cè)近似為吸油的低壓，故這一區(qū)間壓差泄漏的上限，可采用潤(rùn)滑油流量來(lái)計(jì)算。圖1中，由于軸向存在著4個(gè)徑向滑動(dòng)軸承，故總的軸向泄漏量4倍于單一部位的泄漏量Q0。

圖3 軸向泄漏計(jì)算

對(duì)于常規(guī)的齒輪泵，簡(jiǎn)記為普通泵，仍采用吸油側(cè)2齒密封結(jié)構(gòu)。則其軸向泄漏量[8]為

(10)

式中:Q0為普通泵的軸向泄漏量，mm3/s；cz為軸向間隙，mm；rz0為軸半徑，mm；rf為齒根圓半徑，mm。

則

λ=1-Q/Q0

(11)

式中:λ為改進(jìn)泵較普通泵軸向泄漏量的改善百分比，%。

5 實(shí)例運(yùn)算和分析

設(shè)計(jì)的原始參數(shù)：po=3 MPa，pi=0.1 MPa，η=0.09 Pa·s，額定流量28 L/min，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min(即ω=314.16 rad/s)，pg=1.55 MPa。

齒形的原始參數(shù)：模數(shù)為3，齒數(shù)為10，齒頂高系數(shù)為1.159 4，頂隙系數(shù)為0.25，分度圓壓力角為20°，變位系數(shù)為0.496，齒寬為15 mm。則，節(jié)圓嚙合角為29.58°，重合度為1.155，ra=19.4 mm，r′=16.2 mm，rf=12.26 mm。

結(jié)構(gòu)的原始參數(shù)：取αi=30°起始角和αi+αg=102°終止角的吸油側(cè)2齒密封的減少?gòu)较蛄Y(jié)構(gòu)。取dz=26 mm，b=10 mm；rz0=6 mm，b0=15 mm。Δ=0.03 mm，滑動(dòng)副的綜合粗糙度為0.002 mm，cz=0.05 mm。

壓緊力的相關(guān)計(jì)算結(jié)果，如表1所示。壓緊系數(shù)為K=1.18<1.2，符合要求。

表1 壓緊力的相關(guān)計(jì)算結(jié)果

普通泵與改進(jìn)泵分別依據(jù)軸承潤(rùn)滑計(jì)算后的相關(guān)結(jié)果，如表2所示。改進(jìn)后泵的λ=93%，可視為無(wú)軸向泄漏。且γ降低了11%，hmin增加了4%，利于潤(rùn)滑改善；軸寬由15 mm變?yōu)?0 mm，利于降低軸向尺寸和泵的輕量化設(shè)計(jì)。

表2 普通泵與改進(jìn)泵的軸承潤(rùn)滑計(jì)算結(jié)果

6 結(jié)論

(1)改進(jìn)泵的壓緊力系數(shù)為K=1.18，符合小于1.2的要求；泄漏改善率為93%，即泄漏率僅為原結(jié)構(gòu)的7%，因此新結(jié)構(gòu)可視為無(wú)軸向泄漏。

(2)改進(jìn)泵的偏心率降低了11%，最小油膜厚度增加了4%，有利于潤(rùn)滑改善；軸寬由15 mm變?yōu)?0 mm，有利于降低軸向尺寸和輕量化設(shè)計(jì)。

(3)齒輪泵的無(wú)軸向泄漏新結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易。