內(nèi)嚙合齒輪潤(rùn)滑脂泵端面間隙流場(chǎng)數(shù)值模擬及分析

摘 "要：端面間隙泄漏是內(nèi)嚙合齒輪泵的主要泄漏方式，且潤(rùn)滑脂具有黏溫和剪切特性。該文采用數(shù)值模擬的方法探究?jī)?nèi)嚙合齒輪潤(rùn)滑脂泵端面間隙流場(chǎng)與溫度及間隙大小關(guān)系。得出潤(rùn)滑脂在間隙中呈層流狀態(tài)，且溫度越高，端面間隙越大，間隙流場(chǎng)流速越快；剪切速率越靠近間隙中心處剪切速率越低，壁面處剪切速率最高。

關(guān)鍵詞：內(nèi)嚙合齒輪泵；潤(rùn)滑脂；端面間隙；數(shù)值模擬；間隙流場(chǎng)

中圖分類號(hào)：TH117 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號(hào)：2095-2945（2024）20-00７８-0４

Abstract： The leakage of end clearance is the main leakage mode of internal meshing gear pump， and the grease has viscosity-temperature and shear characteristics. In this paper， the numerical simulation method is used to explore the relationship between the flow field of the end clearance of the internal gear grease pump and the temperature and the size of the clearance. It is concluded that the grease is in the state of laminar flow in the gap， and the higher the temperature， the larger the end gap and， the faster the flow velocity of the clearance flow field is; the closer the shear rate is to the center of the gap， the lower the shear rate is， and the shear rate at the wall is the highest.

Keywords： internal meshing gear pump; grease; end clearance; numerical simulation; clearance flow field

在集中潤(rùn)滑系統(tǒng)泵送潤(rùn)滑脂時(shí)，內(nèi)嚙合齒輪泵由于其泵送壓力大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常作為潤(rùn)滑系統(tǒng)的動(dòng)力源。在內(nèi)嚙合齒輪泵工作時(shí)，端面間隙泄漏是影響其效率的主要因素，國(guó)內(nèi)外學(xué)者為提高泵的效率做了大量研究，浙江大學(xué)周華團(tuán)隊(duì)通過(guò)研究得出了內(nèi)嚙合齒輪泵端面間隙泄漏機(jī)理，并得出了最佳間隙大小[1]。蘭州理工大學(xué)楊國(guó)來(lái)等[2]對(duì)端面浮動(dòng)側(cè)板做了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高了泵的工作效率。國(guó)外學(xué)者Eckerle[3]發(fā)明了可以自動(dòng)補(bǔ)償端面間隙的內(nèi)嚙合齒輪泵。奧地利Wolffgang等[4]通過(guò)仿真的方法得到了轉(zhuǎn)子內(nèi)嚙合泵端面間隙泄漏影響因素。目前對(duì)于內(nèi)嚙合齒輪泵的研究主要是以油液為泵送介質(zhì)，而潤(rùn)滑脂為非牛頓流體具有黏溫和剪切特性[5]，本文以潤(rùn)滑脂為泵送介質(zhì)，研究?jī)?nèi)嚙合齒輪泵端面間隙流場(chǎng)，探究其間隙流動(dòng)特性

1 "研端面間隙流場(chǎng)分析

內(nèi)嚙合齒輪泵在泵送潤(rùn)滑脂的過(guò)程中，端面間隙泄漏是其主要的泄漏通道，會(huì)直接影響泵的工作效率，且潤(rùn)滑脂具有獨(dú)特的流動(dòng)特性，其流動(dòng)特性符合H-B模型[6]

式中：τ0為剪切屈服強(qiáng)度，k表示稠度系數(shù)，n表示潤(rùn)滑脂剪切稀化指數(shù)。潤(rùn)滑脂具有黏溫特性，溫度升高其屈服強(qiáng)度會(huì)降低，潤(rùn)滑脂流動(dòng)性增強(qiáng)，潤(rùn)滑脂剪切速率增加，黏度也會(huì)下降[3]，流動(dòng)性也會(huì)增強(qiáng)。潤(rùn)滑脂流動(dòng)性加強(qiáng)，內(nèi)嚙合齒輪泵端面間隙泄漏必然增加，另外端面間隙的大小也是影響端面間隙泄漏的一大因素，后續(xù)通過(guò)數(shù)值模擬的方法探究端面間隙流場(chǎng)與溫度、間隙的關(guān)系。

2 "研究對(duì)象

本文以IPH型內(nèi)嚙合齒輪泵為研究對(duì)象，如圖1所示，端面間隙為浮動(dòng)側(cè)板與齒輪端面之間的間隙。表1列出了齒輪泵尺寸參數(shù)，泵送介質(zhì)為NLGI 1鋰基潤(rùn)滑脂，根據(jù)之前的研究成果[5]其主要參數(shù)見(jiàn)表2。

3 "數(shù)值計(jì)算方法

潘家保等[7]分析了潤(rùn)滑脂流動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑脂臨界雷諾數(shù)高于常規(guī)雷諾數(shù)2個(gè)數(shù)量級(jí)，其間隙流動(dòng)狀態(tài)為層流，潤(rùn)滑脂屬于典型的非牛頓流體，流動(dòng)方程符合H-B模型，齒輪泵在泵送潤(rùn)滑脂時(shí)，端面間隙流動(dòng)為壓差流動(dòng)，入口壓力為25 MPa，出口壓力為0.1 MPa，采用二階迎風(fēng)方式求解。端面間隙流場(chǎng)模型及網(wǎng)格劃分如圖2和圖3所示。

4 "計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 "不同溫度下流速分布

取端面間隙0.03 mm，25、45、65和85 ℃下潤(rùn)滑脂的流變參數(shù)代入模擬。計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，端面間隙流場(chǎng)為層流流動(dòng)，沿間隙中心成對(duì)稱分布。模擬結(jié)果表明，間隙內(nèi)潤(rùn)滑脂流動(dòng)速度隨溫度的升高而明顯增大，這是因?yàn)闈?rùn)滑脂皂纖維結(jié)構(gòu)在溫度升高時(shí)會(huì)不同程度的打開(kāi)，表現(xiàn)為溫度越高潤(rùn)滑脂屈服強(qiáng)度和黏度都會(huì)下降。由此可以得出泵送溫度升高，內(nèi)嚙合齒輪泵的端面間隙泄漏也會(huì)增加。但是在較低的溫度下，潤(rùn)滑脂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及黏度較大，設(shè)備啟動(dòng)困難，且潤(rùn)滑脂流動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦損耗也較大，需要綜合考慮各因素選擇其泵送溫度。

4.2 "不同間隙下流速分布

端面間隙的增加必然會(huì)導(dǎo)致端面間隙泄漏的增加，端面間隙過(guò)小又會(huì)使得端面磨損增加，降低了泵的使用壽命，選65 ℃時(shí)潤(rùn)滑脂流變參數(shù)，間隙分別為0.03、0.04、0.05和0.06 mm，進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，內(nèi)嚙合齒輪泵端面間隙潤(rùn)滑脂流速隨間隙的增大而增大，流核區(qū)域會(huì)更多，端面間隙的泄漏也會(huì)更多，泵的容積效率下降。

4.3 "端面間隙流場(chǎng)流動(dòng)剪切速率分布

潤(rùn)滑脂是典型的非牛頓流體，其屈服強(qiáng)度隨溫度的升高而降低，其黏度隨剪切速率的增加而降低，根據(jù)前述模擬結(jié)果，導(dǎo)出剪切速率分布。圖6為0.03 mm間隙時(shí)不同溫度下入口處剪切速率分布。

從圖6可以看出，潤(rùn)滑脂在間隙內(nèi)流動(dòng)時(shí)，在靠近壁面處剪切速率最大，則壁面處潤(rùn)滑脂黏度最低，且隨著溫度的升高，壁面處剪切速率逐漸增大，潤(rùn)滑脂壁面處的黏度也更低，由此可以得出，溫度升高潤(rùn)滑脂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，流動(dòng)性變好，且壁面處剪切速率增大，黏度下降，在2個(gè)因數(shù)影響下，溫度升高端面間隙泄漏增加，泵的容積效率下降。

4.4 "端面間隙流場(chǎng)壓力分布

潤(rùn)滑脂在端面間隙流動(dòng)時(shí)，入口壓力為泵的額定壓力25 MPa，出口為大氣壓0.1 MPa，間隙取0.03 mm代入計(jì)算，則不同溫度下間隙流場(chǎng)壓力分布結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，入口到出口壓力逐漸降低，但是不同溫度下壓力下降的趨勢(shì)明顯不同，溫度低時(shí)，潤(rùn)滑脂屈服強(qiáng)度大，在入口處消耗更多的壓力，溫度高時(shí)潤(rùn)滑脂黏度低，流動(dòng)性好，壓力下降更為均勻。

5 "結(jié)論

作者使用數(shù)值模擬的方法，對(duì)在不同溫度及間隙下的內(nèi)嚙合齒輪潤(rùn)滑脂泵端面間隙流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，得出主要結(jié)論如下。

1）潤(rùn)滑脂泵送溫度越高，潤(rùn)滑脂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，壓力下降更均勻，端面間隙流速增大，泄漏增加，泵容積效率下降。

2）潤(rùn)滑脂在端面間隙流動(dòng)時(shí)，越靠近間隙中心處剪切速率越低，壁面處剪切速率最高，且溫度越高壁面處剪切速率越大。

參考文獻(xiàn)：

[1] 杜睿龍，袁海輝，周華，等.內(nèi)嚙合齒輪泵齒輪端面平面度對(duì)出口壓力脈動(dòng)的影響[J].液壓與氣動(dòng)，2022，46（3）：86-90.

[2] 楊國(guó)來(lái)，朱佳斌，張守印，等.對(duì)內(nèi)嚙合齒輪泵浮動(dòng)側(cè)板中緩沖槽作用的分析[J].機(jī)床與液壓，2010，38（13）：163-165，70.

[3] ECKERLE O. Wear and ter-compensating high-pressure gear pump[Z].Google Patents，1970.

[4] WOLFFGANG S， WERNER S， ANDREA V. A Study on the Sealing Gaps of Internal Gear Ring Pumps for Automotive Drivetrain [Z].Chiago，Illinois，United States：2011.

[5] 潘家保，程延海，錢(qián)明，等.鋰基潤(rùn)滑脂熱流變特性及其變化機(jī)理[J].化工進(jìn)展，2018，37（4）：1509-1515.

[6] RADULESCU A V， RADULESCU I. Rheological models for lithium and calcium greases[J]. Mechanika， 2006，59（3）：67-70.

[7] 潘家保，程延海，曹帥，等.熱流變對(duì)潤(rùn)滑脂圓管內(nèi)部流場(chǎng)影響的數(shù)值模擬[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2015，36（7）：1563-1567.