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文獻綜述
前言
液壓傳動系統(tǒng)中使用的液壓泵是一種能量轉換傳遞裝置,它把原動機的機械能轉換成油液的壓力傳給液壓系統(tǒng),屬于液壓系統(tǒng)中的能源裝置。目前液壓泵按其主要運動構件的形狀和運動方式分,有齒輪泵、螺桿泵、葉片泵、軸向柱塞泵、徑向柱塞泵等類型。齒輪泵以其結構緊湊、體積小、重量輕、自吸性能好、對污物不敏感、工作可靠、壽命長、便于維護修理、成本低。廣泛地應用于各種液壓機械上。而由于齒輪泵本身的結構特點導致齒輪泵產生泄漏、徑向液壓力不平衡和困油現(xiàn)象,影響了齒輪泵的額定壓力和容積效率;導致使用壽命縮短;產生強烈的噪聲并引起振動和氣蝕,影響工作平穩(wěn)性,難以實現(xiàn)高壓化。為了提高齒輪泵的適用范圍,于是就有必要對其進行優(yōu)化,符合人們對其所需要的功能及經濟性能。下面簡述齒輪泵的未來發(fā)展方向及所能達到的功能。
正文
隨著人們環(huán)保意識的增強,對齒輪泵的要求越來越嚴格,如何降低嚙合過程的機械噪聲與困油沖擊產生的液壓噪聲是齒輪泵發(fā)展的趨勢之一;大排量與變排量是齒輪泵適應各種工作環(huán)境的必然要求;集成化是機械設備發(fā)展的必然趨勢,泵與電機的一體化,能夠減小設備的體積,提高傳動效率,控制方便等優(yōu)勢。大家都知道,當一個東西發(fā)展到一定程度時,必然會對該事物進行不斷地升級、優(yōu)化,以便去更加的符合人們的需求,在這種激烈的競爭下,不斷地新產品新事物如雨后春筍般呼之欲出,因為你沒有創(chuàng)新就會被淘汰。
1、齒輪泵的發(fā)展現(xiàn)狀
國內外有關齒輪泵的研究主要集中在以下幾個方面:
1.1齒輪參數(shù)及泵體結構的優(yōu)化設計
作為液壓系統(tǒng)傳動動力源的齒輪泵,在設計齒輪時,主要應考慮以下要求嘲:在滿足油泵排量的要求下,盡可能選取較小的尺寸,以得到較小的油泵外形:齒輪參數(shù)的選擇盡可能考慮減少流量的脈動與噪音的產生;選擇合適的齒頂厚度、齒輪寬度及幅面寬度(齒根圓半徑與齒輪軸半徑的差),能起到減少泄漏及摩擦損失的作用,提高油泵效率:齒輪及輪軸具有適應工況要求的強度,要求尺寸整齊標準,為編制制造工藝創(chuàng)造條件。蘇勇1刀對齒輪泵的模數(shù)、齒數(shù)變位系數(shù)、齒輪間隙的選擇做了些探討。齒輪泵中一對齒輪,是最關鍵的元件.其參數(shù)選擇合理與否,將直接影響著泵的性能、噪聲和壽命。根據(jù)不同的應用場合需要,會有不同的優(yōu)化數(shù)學模型。李志華等人提出了一個多目標離散變量優(yōu)化設計數(shù)學模型,同時考慮到了齒輪泵工作條件不同,設計者按具體條件,考慮主要問題側重面的不同,構建了包括:流量脈動率最小、單位排量體積最小和徑向力最小這三個主要目標函數(shù)。
1.2困油沖擊及卸荷措施
齒輪泵的困油現(xiàn)象對齒輪泵乃至整個液壓系統(tǒng)都產生了很大的危害。困油沖擊與齒輪嚙合的重疊系數(shù)及卸荷是否完全等有很大關系(包括卸荷槽的位置、形狀及面積等)。
1.3齒輪泵噪聲的控制技術
液壓系統(tǒng)噪聲的根源是復雜的和多方面的,它涉及到液壓技術,流體力學,振動力學,聲學及其他學科的滲透和影響,液壓泵產生噪聲,一般與其種類,結構,大小,轉速及工作壓力有關。液壓泵的噪聲隨液壓功率的增加而增加,而液壓功率是由泵的輸出功率P,每轉排量q及轉速n這三個工作參數(shù)的增加而增加。對于齒輪泵,可以采取如下措施來降低噪聲【柳:加大罩殼的厚度、提高零部件的剛性、使油容易吸進、改進困油卸荷槽、改進齒形、使齒輪的模數(shù)減小,加大齒寬,提高零部件尺寸的精度及降低表面粗糙度等。
1.4降低齒輪泵的流量脈動的方法
由于齒輪泵的流量脈動較大,在一些要求較高的液壓系統(tǒng)中,很少采用齒輪泵。關于降低齒輪泵流量脈動的方法已有很多,如合理選擇齒輪的參數(shù);采用剖分式齒輪;采用多齒輪等。
1.5齒輪泵的變量方法研究
齒輪泵不能變量大大限制了它的使用范圍,丁萬榮等人提出了用通過改變齒輪嚙合寬度來改變排量,比較具有實用價值??梢愿鶕?jù)需要做成手動變量操作方式和自動變量操作方式,其排量與嚙合寬度成線性關系。改變嚙合寬度的關鍵是解決齒輪泵的軸向密封。祝海林等人提出兩齒輪式變量,兩齒輪式齒輪大小不等,分別以小齒輪和大齒輪作主動輪可以獲得兩種排量,還有多齒輪式、帶內齒圈式、轉動軸套式、變轉速。
1.6齒輪泵高壓化的研究
高壓齒輪泵和低壓齒輪泵的工作原理是相同的,但低壓齒輪泵卻不能在高壓下使用。其原因有二由于低壓齒輪泵齒輪的端面間隙和徑向間隙都是定值,當工作壓力提高后,其間隙的泄漏量大大增加,使容積效率顯著下降:b)隨著工作壓力的提高,不平衡的徑向力也隨之增大,以致軸承承載能力不足而不能工作。目前研究的解決方法有:a)對齒輪的徑向問隙和軸向間隙進行自動補償;b)減小齒輪泵的徑向力,可通過減小排油口的尺寸、優(yōu)化齒輪參數(shù),改變齒輪密封的齒數(shù);c)提高軸承的承載能力,如采用新型復合材料滑動軸承代替滾針軸承。d)采用多級齒輪泵,即將兩個以上齒輪泵串聯(lián)來提高壓力.
2、輪泵研究進展
2.1外嚙合齒輪泵
外嚙合齒輪泵是應用最廣泛的一種齒輪泵(稱為普通齒輪泵),其設計及生產技術水平也最成熟。多采用三片式結構、浮動軸套軸向間隙自動補償措施、鋁合金殼體徑向“掃膛”工藝,并采用平衡槽以減小齒輪(軸承)的徑向不平衡力。目前,這種齒輪泵的額定壓力可達25 MPa。但是,由于這種齒輪泵的齒數(shù)較少,導致其流量脈動較大。
2.2衛(wèi)星齒輪泵
為了減小普通齒輪泵的流量脈動,作者研制了一種衛(wèi)星齒輪泵(或稱多齒輪泵,復合齒輪泵)。衛(wèi)星齒輪泵的結構原理如圖l所示,在殼體4中安裝1個中心輪1,在中心輪的周圍均勻布置3個衛(wèi)星輪5。殼體的前部安裝1個前端蓋6,其上布置有進液口,殼體的后部安裝1個后端蓋2,其上布置有出液口。中心輪由2個中心輪軸套7支承,每個衛(wèi)星輪分別由2個衛(wèi)星輪軸套3支承。
圖1衛(wèi)星齒輪泵結構原理
1.中心輪2.后端蓋3.衛(wèi)星輪軸套4.殼體5.衛(wèi)星輪6.前端蓋7.中心輪軸套
當衛(wèi)星齒輪泵工作時,原動機動力由中心輪輸人(假設中心輪順時轉動),則中心輪帶動3個衛(wèi)星輪逆時針轉動,形成3個外嚙合齒輪泵(簡稱子泵),液體由前端蓋上的進液口進入,經進液通道分別進入對嚙合齒輪的進液腔(O1、O2、O3),壓力液體則由3對嚙合齒輪的排液腔(Pl、P2、P3)經排液通道由出液1:3排出泵外。研究表明:
(1)當取中心輪齒數(shù)Zl= Nk +1時(N為衛(wèi)星輪的個數(shù),k為自然數(shù)),衛(wèi)星齒輪泵的流量脈動率顯著減小。
(2)由于結構的對稱性,中心輪所受的齒輪嚙合力及徑向液壓力是平衡的,因此,中心輪及其軸套的靜態(tài)徑向力為零。
(3)由于中心輪同時與N個衛(wèi)星輪嚙合,避免了單對齒輪嚙合時所產生的沖擊和噪聲。同時,泵的排量可顯著增加。
2.3平衡式復合齒輪泵
平衡式復合齒輪泵是作者在行星傳動理論與齒輪泵工作原理相結合的基礎上提出的一種新型液壓元件(獲國家自然科學基金資助,編號:59575010)。它保留了普通齒輪泵的優(yōu)點,解決了普通齒輪泵存在的徑向液壓力不平衡問如圖2所示,它主要由中心輪、惰輪、內齒輪、密封塊及前后泵蓋等組成。由于結構的對稱性,使該泵各齒
輪所受靜態(tài)徑向液壓力完全平衡,形成了由中齒輪1、惰輪2構成的外嚙合齒輪泵和由惰輪2、內齒輪3構成的內嚙合齒輪泵的復合結構,即平衡式復合齒輪泵。
題。
圖2平衡式復合齒輪泵工作原理
1.中心輪2.惰輪3.內齒圈4.密封塊
研究表明:平衡式復合齒輪泵具有徑向液壓力平衡、流量大、流量均勻性好等一系列優(yōu)點。同時,由于各齒輪所受徑向液壓力平衡,使各齒輪與泵體之間的間隙可以控制得很小,從而為平衡式復合齒輪泵的高壓化創(chuàng)造了條件。
2.4無嚙合力齒輪泵
無嚙合力齒輪泵的結構原理如圖3所示,主要由輸入軸、同步齒輪、隔板、吸排液齒輪、軸承、泵體及前后泵蓋等組成。原動機動力由輸入軸1通過同步齒輪2、3傳遞給吸排液齒輪7、8。吸排液齒輪分別通過花鍵套裝在輸入軸l和傳動軸9上。齒輪傳動的嚙合力由同步齒輪承受,吸排液齒輪只承受因吸排油而產生的液壓力。對于普通齒輪泵,由于主、從動齒輪所受的徑向力不同,造成2對軸承載荷不均。另外,將排液與動力傳遞合在一起,給齒輪的設計與加工帶來很多困難,齒輪既要滿足動力傳遞方面的強度及齒面
圖3無嚙合力齒輪泵的結構原理
硬度要求,又要滿足吸排液方面的精度及表面粗糙度要求,致使齒輪的材料選擇及加工方法均受到一定的限制,齒輪的加工成本較高。而無嚙合力齒輪泵將吸排液與動力傳遞分開設計。傳遞動力的嚙合力由同步齒輪承擔,其設計方法與一般齒輪傳動相同,主要考慮輪齒的強度及齒面硬度。排液的液壓力由吸排液齒輪承擔,其設計方法以考慮齒輪精度、輪齒表面粗糙度及耐磨性為主,其材料除了采用普通齒輪泵所選用的高性能合金鋼以外,還可以采用普通鋼材(經表面處理)、耐磨鑄鐵、陶瓷及高分子材料等。結構仍然可以采用普通齒輪泵中的端面間隙補償以及復合材料軸承等結構形式。因此,無嚙合力齒輪泵除了可以用于礦物油以外,還可以用于高水基液壓液、水、甚至化學溶劑等有腐蝕性的介質。
3、齒輪泵的發(fā)展趨勢
液壓傳動系統(tǒng)正向著快響應、小體積、低噪聲的方向發(fā)展。為了適應這種要求,齒輪泵除積極采取措施保持其在中低壓定量系統(tǒng),潤滑系統(tǒng)等的霸主地位外,尚需要向以下幾方向發(fā)展。
3.1高壓化
高壓化是系統(tǒng)所要求的,也是齒輪泵與柱塞泵、葉片泵競爭所必須解決的問題。齒輪泵的高壓化工作己取得了較大進展,但因受其本身的限制,要想進一步提高工作壓力是很困難的,必須研制出新結構的齒輪泵。
3.2低流量脈動
流量脈動將引起壓力脈動,從而導致系統(tǒng)產生振動和噪聲,這是與液壓系統(tǒng)的要求不符的。
3.3低噪聲
國外早就有“安靜”的液壓泵之說。隨著人們環(huán)保意識的增強,對齒輪泵的噪聲要求也越來越嚴格。齒輪泵的噪聲主要由兩部分組成,一部分是齒輪嚙合過程中所產生的機械噪聲,另一部分是困油沖擊所產生的液壓噪聲。前者與齒輪的加工精度有關,后者主要取決于泵的卸荷是否徹底。在這方面,內嚙合齒輪泵因具有運轉平穩(wěn)、無困油現(xiàn)象、噪聲低等特點,因此今后將會有較大發(fā)展。
3.4大排量
對于一些要求快速運動的系統(tǒng)來說,大捧量是必需的。但普通齒輪泵排量的提高受到很多因素的限制。這方面,平衡式復合齒輪泵具有顯著優(yōu)勢。
3.5變排量
齒輪泵的排量不可調節(jié),限制了它的使用范圍。為了改變齒輪泵的排量,國內外學者進行了大量的研究工作,并取得了很多研究成果。有關齒輪泵變排量方面的專利已有很多,但真正能轉化為產品的卻不多。
4、齒輪泵的發(fā)展中所存在的問題
針對齒輪泵的發(fā)展,國內外學者對齒輪泵參數(shù)及泵體結構的優(yōu)化設計、齒輪泵噪聲的控制技術、齒輪泵的高壓化途徑、齒輪泵的變量方法研究等方面做了大量研究工作。特別是各種新的泵體結構不斷出現(xiàn),包括多齒輪泵、多級齒輪泵、復合齒輪泵等等,使齒輪泵的高壓化與低流量脈動從根本上得以實現(xiàn)。但是這些新的泵體結構中真正能轉化為產品的很少,尚需要結合生產實際,研制出可轉化為產品、性能穩(wěn)定、質量可靠的齒輪泵。
5、如何解決問題
5.1多齒輪泵采用對稱式結構,從結構上解決了齒輪泵液壓徑向力不平衡的問題。采用瞬態(tài)流量疊加原理,很大程度上降低了齒輪泵的流量脈動。
5.2多聯(lián)齒輪泵是另外一種解決齒輪泵流量脈動大的結構,具有結構簡單、尺寸緊湊、噪聲小、流量脈動小等特點。
5.3平衡式復合齒輪泵是在多齒輪泵基礎上做了進一步的改進,平衡式復合齒輪泵被認為是齒輪泵較為理想的一種結構。既保留了普通齒輪泵的優(yōu)點,又徹底解決了普通齒輪泵存在的徑向液壓力不平衡問題。其排量大,流量均勻性好,易于實現(xiàn)齒輪泵的高壓化。
5.5齒輪泵也不斷向高壓化、低流量脈動、低噪聲、大排量、變排量、集成化的方向發(fā)展。研發(fā)新型泵體結構,從根源上解決齒輪泵液壓徑向力不平衡、流量脈動大的問題,是未來齒輪泵的發(fā)展方向。
6、外嚙合齒輪泵的工作原理
外嚙合齒輪泵的工作原理如圖1.1所示。在泵的殼體內有一對外嚙合齒輪,齒輪兩側有端蓋。泵體、端蓋和齒輪的各個齒間槽組成了許多密封工作容腔。當齒輪按圖示方向旋轉時,右側吸油腔由于相互嚙合的輪齒逐漸脫開,密封工作容積逐漸增大,形成部分真空,油箱中的油液在大氣壓的作用下,經液壓泵的吸油管被吸進來,進入右側吸油腔,將齒間槽充滿,并隨著齒輪的轉動,把油液帶到左側壓油腔去。在壓油區(qū)一側,由于輪齒逐漸進入嚙合,密封工作容積不斷減小,油液便被擠出去。吸油區(qū)和壓油區(qū)是由相互嚙合的輪齒以及泵體分隔開的。兩齒輪不斷地轉動,泵的吸油口和排油口便連續(xù)不斷地吸油與排油,使泵不停的向系統(tǒng)供油。
圖1-1齒輪泵工作原理圖
7、外齒合齒輪泵與CAD的聯(lián)系和展望
7.1聯(lián)系:硬件技術的發(fā)展和微機的普及使CAD技術在各行業(yè)中得到廣泛應用,也促使CAD技術不斷向前發(fā)展。CAD技術的發(fā)展趨勢主要圍繞在標準化、開放式、集成化、智能化四個方面。齒輪泵是液壓系統(tǒng)中的重要元件,由于它具有結構簡單、加工方便、體積小且重量輕等特點,使其在機械、化工、輕工、冶金、能源等領域得到廣泛的應用。隨著計算機技術和CAD技術的發(fā)展,許多廠家將計算機輔助設計技術應用到泵的設計中來。
7.2展望:(1)對齒輪參數(shù)設計計算中應加上強度校核部分,進行計算機有限元分析。(2)運用數(shù)據(jù)庫技術,對泵內一些標準件(如螺栓、軸承等)進行參數(shù)化建模。(3)將泵的CAD設計功能完善、模塊化,即將參數(shù)計算、優(yōu)化、三維模型生成、二維圖紙生成、裝配圖生成等模塊集成在solidworks環(huán)境中。
8、外齒合齒輪泵泵體孔加工工藝改進及專用夾具設計
外嚙合芮輪泵屬于齒輪泵的一種,是利用齒輪嚙合原理工作的液壓泵。由于運動部件與固定部件存在間隙,工作過程中必然存在泄漏,且泄漏置與間隙的立方成正比關系,與壓力差的一次方成正比。其中,端面的間隙泄露量最大,約占80%-85%,徑向問隙泄漏量約占10%一15%,其余為輪齒齒合處的泄漏。影響上述間隙大小的一個重要的因素就是泵體孔的加工精度,大孔對應著齒輪齒頂圓和泵體內圓之間的徑向間隙,小孔和火扎的端面加工影響端面間隙。為減少泄漏量,必須保證加工精度,減小間隙。外嚙合齒輪泵的泵體上的兩對孔加工精度要求較高,但在中小批量生產的條件下,采用數(shù)控加工并不經濟。因此??梢詮漠a品的設計、加工方法、工藝設備等方面提高加工質量以達到規(guī)定要求。
8.1加工工藝規(guī)程
(1)工藝性分析
通過研究零件的圖樣和技術要求,確定主要加工表面是兩孔的內圓柱面。齒輪泵泵體上由于泵體孔較大,因此毛坯選用有鑄造底孔的鑄件。
(2)定位基準的選擇
首先,為保證泵體的寬度,粗基準取小孔對應的端面。其次,由于孔的位置度公差要求較高,大孔和對應的端面G還有垂直度的要求,因此在大孔的加工中應有精基準端面G。還有,精度上大孔和小孔有同軸度要求,因此選擇端面G和孔作為精基準。
8.2夾具設計
在加工外嚙合齒輪泵泵體孔的過程中,第一道工序中使用分度回轉夾具加工鑄造底孔的大孔和鉆小孔。為了簡化設備,使用的夾具為通用的同轉臺。第二道下序是關鍵工序,為保證加工精度,必須使用專用夾具即直線分度夾具。
結論
傳統(tǒng)齒輪泵存在著液壓徑向力不平衡、流量脈動大等缺點,這會易使齒輪泵產生泄露和磨損,降低軸承壽命,難以實現(xiàn)高壓化。這是由齒輪泵的結構特點決定的。多齒輪泵采用對稱式結構,從結構上解決了齒輪泵液壓徑向力不平衡的問題。采用瞬態(tài)流量疊加原理,很大程度上降低了齒輪泵的流量脈動。多聯(lián)齒輪泵是另外一種解決齒輪泵流量脈動大的結構,具有結構簡單、尺寸緊湊、噪聲小、流量脈動小等特點。平衡式復合齒輪泵是在多齒輪泵基礎上做了進一步的改進,平衡式復合齒輪泵被認為是齒輪泵較為理想的一種結構。既保留了普通齒輪泵的優(yōu)點,又徹底解決了普通齒輪泵存在的徑向液壓力不平衡問題。其排量大,流量均勻性好,易于實現(xiàn)齒輪泵的高壓化。齒輪泵也不斷向高壓化、低流量脈動、低噪聲、大排量、變排量、集成化的方向發(fā)展。研發(fā)新型泵體結構,從根源上解決齒輪泵液壓徑向力不平衡、流量脈動大的問題,是未來齒輪泵的發(fā)展方向。
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