齒輪泵的結構改進設計

I 摘 要 齒輪泵是液壓系統(tǒng)中最重要的動力源 ,在 液壓傳動系統(tǒng)中應用廣泛 , 因此 , 吸引了大量學者對其進行研究 ,其主要部件是內部相互嚙合的一對齒輪。 現(xiàn)代機械工程對齒輪泵提出很多新要求，如壓強高、排量大、脈動低、噪音低等，所以對齒輪泵的性能分析與改進成為了很重要的課題。 本課題以齒輪泵為研究對象，總結了齒輪泵的特點，深入研究了齒輪泵整體結構及其原理，并利用 UG三維建模軟件對其進行實體建模，對齒輪泵的流量特征、徑向嚙合力進行理論分析和數(shù)值計算，為齒輪泵的設計提供必要的理論依據(jù)。研究了多種齒輪泵的齒廓類型，并推導出這些齒廓線方程。最后學習了流體動力學相關的基礎理論知識，利用 CFD前處理軟件 Gambit和后處理軟件 Fluent對以上五種齒廓齒輪泵進行流體分析，并比較不同齒廓分析后的結果，分別計算了齒輪泵齒間區(qū)的流量、齒輪嚙合區(qū)域的流量，最后就得到了齒輪泵的流量。在時間和轉速確定的情況下，得到齒輪泵的流速。外嚙合齒輪泵的結構對其內部的流場有很大的影響，采用 fluent有限元法求解計算模型，就不同齒廓的變化特點進行對比，可以得出每種類型齒廓的相應的優(yōu)缺點，從而得出最優(yōu)的分析結果并在此基礎上改進設計出新的齒廓線。 本文對齒輪泵的輸出特性研究，推到出齒廓線方程，最后結合流體動力學理論，運用CFD前處理軟件 Gambit和后處理軟件 Fluent對以上五種不同的齒廓齒輪泵進行流體分析，在相同的轉速下，比較不同齒廓的分析結果，漸開線齒廓在齒輪泵中的增壓效果最好，并提出一些優(yōu)化方案。 關鍵詞：齒輪泵；齒廓；有限元法；輸出特性；流體分析Abstract Gear pump is the most important source of power in the hydraulic system, widely used in the hydraulic drive system, therefore, attracted a large number of scholars study, and its main components are a pair of gears meshing with each other by the internal。 Modern mechanical engineering have made a lot of new requirements to gear pump ,such as high pressure, large displacement, low ripple and low noise, Performance Analysis and Improvement of the gear pump has become a very important issue. The topics to gear pump for the study, summed up the characteristics of the gear pump, in-depth study of the overall structure and principle of the gear pump and UG three-dimensional modeling software, solid modeling, the flow characteristics of the gear pump, theoretical analysis and numerical calculation of the radial direction meshing force of radial direction, to provide the necessary theoretical basis for the design of gear pump. A variety of the type tooth profile of the gear pump and derive the equations of these tooth profile. Finally learn the basic theoretical knowledge of fluid dynamics, to CFD pre-processing software Gambit and post-processing software Fluent for more than five tooth profile gear pump fluid analysis, and comparison results of different tooth profile analysis were calculated flow rate of the area of the interdental, gear meshing area of flow of the gear pumpthe, and finally got the flow of the gear pump. In the case of time and speed determined to obtain flow rate of the gear pump. Structure of the external gear pump has a great influence on its internal flow field, using the fluent finite element method for solving the calculation model, comparison of the changes in the characteristics of the different tooth profile can be drawn from the corresponding advantages and disadvantages of each type of tooth profileto arrive at the best results of the analysis to improve the design of a new tooth profile on this basis. The output characteristics of the gear pump onto the tooth profile equation and finally the theory of fluid dynamics, the use of pre-processing of software CFD Gambit and post-processing software Fluent fluid analysis more than five different tooth profile of the gear pump in the same speed, different tooth profile analysis result of that the best of booster effect is involute line tooth profile of the gear pump, and put forward some optimization program of it. Keywords: gear pump； tooth profile； finite element method； output characteristics； fluid analysisIII 目錄 摘 要 . I Abstract . II 目錄 . III 1 緒論 . 1 1.1 齒輪泵的研究內容及 意義 . 1 1.2 齒輪泵國內外的發(fā)展概況 . 1 1.3 本課題應達到的要求 . 3 2 齒輪泵的工作原理及三維建模 . 4 2.1 外嚙合液壓齒輪泵的工作原理 . 4 2.2 齒輪泵分類、用途、應用范圍 . 4 2.2.1 齒輪泵的分類 . 4 2.2.2 齒輪泵的用途及應用范圍 . 5 2.3 齒輪泵的三維建模 . 5 3 齒輪泵的流量特性 . 8 3.1 齒輪泵流量的研究 . 8 3.1.1 齒輪泵平均流量 . 10 3.1.2 齒輪泵瞬態(tài)流量 . 10 3.2 齒輪泵排量的研究 . 11 3.2.1 根據(jù)齒槽有效容積的排量計算方法 . 11 3.2.2 根據(jù)輪齒有效體積的排量計算方法 . 12 3.3 本章小結 . 13 4 流體動力學理論知識研究 . 14 4.1 流體力學簡介 . 14 4.2 流體動力學的基本思想 . 14 4.3 計算流體動力學的特點 . 15 4.4 計算流體力學的基本步驟 . 15 4.5 流體力學基本方 程 . 17 4.6 流體流動模型的確定 . 19 4.7 一般結構 . 19 4.7.1 前處理 . 19 4.7.2 求解器 . 19 4.7.3 后處理 . 19 4.8 本章小結 . 19 5 齒輪泵不同齒廓的流體動力學分析 . 20 5.1 Fluent 簡介 . 20 5.2 齒輪泵的流體力學分析 . 20 5.2.1 建立流體模型 . 20 5.2.2 劃分流體模型的網(wǎng)格 . 20 5.2.3 設置流體模型的邊界條件 . 20 5.3 齒輪泵不同齒廓的流體分析 . 21 5.3.1 漸開線齒廓齒輪泵的流體分析 . 21 5.3.2 余弦齒廓齒輪泵的流體分析 . 23 5.3.3 圓弧齒廓齒輪泵的流體分析 . 26 5.3.4 三齒擺線齒廓齒輪泵的流體分析 . 29 5.3.5 二齒擺線齒廓齒輪泵的流體分析 . 32 5.4 齒輪泵的結構改進設計 . 36 5.4.1 齒輪泵齒廓的改進 . 36 5.5 本章小結 . 39 6 結論 與展望 . 40 6.1 課題總結 . 40 6.2 課題展望 . 40 致謝 . 41 參考文獻 . 42 齒輪泵的結構改進設計 1 1 緒論 1.1 齒輪泵 的研究內容及意義 在 21 世紀，節(jié)約能源使我們亙古不變的話題，在工業(yè)中也一直提倡能源的節(jié)約，動力源是液壓系統(tǒng)中最重要的部分，這個動力源也包含齒輪泵，所以我們要對齒輪泵的齒輪優(yōu)化設計，以達到提高齒輪泵的效率和節(jié)約能源的問題，最主要的部件是 內部相嚙合的一對齒輪，在結構上可分為內嚙合齒輪泵和外嚙合齒輪泵兩大類。 由于它具有結構簡單、加工方 便、體積小、自吸能力強且重量輕等特點 ,使它在機械、國防、能源、冶金、交通、石化、輕工、食品等領域得到廣泛的應用。現(xiàn)在齒輪泵的制造已經(jīng)很成熟，我們可以對齒廓加已修理，對齒輪泵進行改良設計， 所以 齒輪的工作原理 我們是必須要掌握的 ， 然后 利用相關 CAD/CAM軟件建立計算機實體模型，借助有限元分析法進行詳細的受力和變形分析，依據(jù)機構運動分析法進行實際的動作仿真，并將根據(jù)分析和仿真結果指導該齒輪裝置進行修正，結合現(xiàn)代自動控制理論對齒輪裝置進行有效的控制，最后盡可能考慮裝置和有關零部件的標準化和參數(shù)化。 優(yōu)化好齒輪后，效率 就能提高，從而可以節(jié)約能源。 當大家在倡導可持續(xù)發(fā)展的時候，節(jié)約能源就變得越來越重要了。 隨著技術的不斷進步， 齒輪泵 產品必將向 環(huán)保、節(jié)能、智能化 方向發(fā)展 。 1.2 齒輪泵 國內外的 發(fā)展概況 由于我國工業(yè)基礎溥弱 ,齒輪油泵行業(yè)起步較慢，但其發(fā)展速度比較快。齒輪油泵在發(fā)展的過程中，存在相當嚴重的問題 。 綜合多方面原因 ,陳列出如下幾條： 1、國家缺乏對機械基礎件齒輪油泵行業(yè)有力的政策支持 ； 2、企業(yè)基礎薄弱：機械基礎件行業(yè)基礎差，底子薄，科技投入少，開 發(fā)力量薄弱；經(jīng)由二十余年消化吸收國外提高前輩技術以及自主立異。 我 國 齒輪油泵 設備制造行業(yè)有了奔騰發(fā)展。 齒輪油泵的進一步發(fā)展得靠多方面的支持，國家政策的支持，科研技術的大量投入，機械基礎件工藝 行業(yè) 的提高等等。 齒輪油 泵 行業(yè) 2010 年全國業(yè)標準化發(fā)展規(guī)劃 ,齒輪油泵全國協(xié)會提出了全面建設小康社會的宏偉目標，明確了 21 世紀前 20 年我國經(jīng)濟建設和改革的主要任務。 “十一五 ”時期，是全面建設小康社會承前啟后的關鍵時期， “十一五 ”規(guī)劃，是全面建設 小康社會的第一個五年規(guī)劃。標準作為經(jīng)濟建設和行業(yè)發(fā)展的技術支撐，是 “十一五 ”規(guī)劃不可缺少的重要組成部分，是指導生產、實施產業(yè)政策、行業(yè)規(guī)劃、規(guī)范市場秩序、進行宏觀調控和市場準入的重要基礎。為此，根據(jù)機械科學研究院的要求，特編制 “十一五 ”全國泵行業(yè)標準化發(fā)展規(guī)劃。 齒輪油泵行業(yè)及其產業(yè)基本情況概述 1、齒輪油泵行業(yè)及其主要產業(yè)的內涵和構成齒輪油泵行業(yè)主要由生產各類離心油泵、重油煤焦油泵 ,渣油泵 ,導熱油泵 ,自吸油泵、輸油泵、旋渦泵、回轉式容積泵、往復式容積泵和水環(huán)真空泵等企業(yè)構成。在這些泵類產品中，按臺份計， 離心泵約占接近 70%，回轉式容積泵和往復式容積泵約占 18%。全國具有一定規(guī)模的泵制造廠約有 2000 家，產品種太湖學院學士學位論文 類約有 450 個系列， 5000 多個品種。 2002 年統(tǒng)計，在這些泵制造廠中，較大的 699 家泵制造廠共生產 2663 萬臺，總產值約為 208 億元。這些泵被廣泛用于國民經(jīng)濟各部門，基本滿足了我國經(jīng)濟發(fā)展對泵的需要，其中也包括具備為各種大型成套裝置提供配套用泵的能力。 據(jù)不完全統(tǒng)計，約有 21%的電機用于驅動各類泵，在能源中約有近五分之一的能源用于驅動各類泵。在火電和核電業(yè)中，泵已成為最重要的輔機，在石化業(yè)中泵已成為 重要的設備之一，泵在通用機械中已成為最量大面廣的產品，已經(jīng)成為裝備制造業(yè)重要的裝置之一。 2、國外齒輪油泵行業(yè)及其主要產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 世界泵業(yè)一直在不斷發(fā)展，近幾年的增長率平均 4.5%左右， 2002年泵業(yè)產值約 270億美元，約有近萬家制造廠，其中 10大家泵制造廠的產值約占世界泵業(yè)總產值的 31%。這 10家泵制造廠中，美國 4家，德國 2家，日本、英國、丹麥、瑞士各 1家。 世界泵業(yè)的發(fā)展趨勢：（ 1）競爭和壟斷進一步加劇，跨國齒輪油泵業(yè)公司的壟斷勢頭進一步加劇。如世界泵業(yè)最大的前五家泵制造廠壟斷著世界泵業(yè)總產 值 22%。世界泵業(yè)中的一些主要制造廠的制造技術已達到相當成熟和完善的水平，其產品有極高的知名度，在特定的領域中有很高的市場占有率； (2）世界齒輪油泵業(yè)中泵制造廠家數(shù)量會不斷減少，自 2000年以來，世界泵業(yè)已有 80起大的合并和收購，通過這種集團化的合作發(fā)展戰(zhàn)略，不僅可以得到最大的經(jīng)濟規(guī)模，還有利于利用原來的商標和知名度，實現(xiàn)持續(xù)發(fā)展；（ 3）世界齒輪油泵業(yè)會持續(xù)發(fā)展，預計今后 35年中，世界齒輪油泵業(yè)將會以每年 5.5左右的增長率發(fā)展；（ 4）不斷開拓新的市場范圍和領域，中國加入 WTO后，世界各大泵制造廠都非常關注 中國的用泵市場，世界泵業(yè)前 20家制造廠絕大多數(shù)都準備或已經(jīng)在中國建制造分廠。 3、國內泵行業(yè)及其主要產業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 泵行業(yè)現(xiàn)狀：（ 1）通過執(zhí)行國家提出的 “以市場換技術 ”合作生產的方式，使我國泵業(yè)中具有極高技術水平的關鍵用泵的技術水平與國外發(fā)達國家的同類泵產品水平接近；（ 2）近幾年，齒輪油泵類產品的產值皆以 11%12%的速率發(fā)展；（ 3）股份制和民營制造廠在我國泵業(yè)中占主導地位；（ 4）齒輪油泵制造廠都在進行產品結構調整和技術改造，企業(yè)都在做強、做大，每年新增泵制造廠的數(shù)量明顯減少；（ 5）市場競爭更激烈，齒 輪油泵產品中的普通泵供大于求的局面沒有改變，單臺泵的利潤率在逐年降低。由于材料漲價等因素影響，泵制造廠的利潤增長率明顯降低。 發(fā)展趨勢：（ 1）由于執(zhí)行 “以市場換技術合作生產 ”的方式，關鍵用泵，如：百萬級核電用泵、火電用泵、大型輸水泵，近幾年會快速增長；（ 2）在經(jīng)濟全球化、市場國際化形勢的影響下，對貫徹國際標準和執(zhí)行國外先進標準的意識會強烈和自覺；（ 3）隨著我國裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，我國泵業(yè)還會以高出我國機械工業(yè)增長速度 2-3%的速度持續(xù)發(fā)展；（ 4）泵制造廠的合并和聯(lián)合必然增多，向集團化發(fā)展是趨勢。今后我國的 泵制造廠的數(shù)量將逐年減少；（ 5）我國 2002年出口齒輪油泵為 4.73億美元 (同年進口泵為 7.76億美元 )，今后幾年出口泵會明顯增加，尤其是通用泵的出口量會更快增加 。 齒輪泵的結構改進設計 3 1.3 本課題應達到的要求 對 齒輪泵的結構及基本原理 有簡單了解。 運用 UG軟件完成設計工作，對產品進行造型、結構設計，在設計階段完成傳統(tǒng)的設計方法， 分析齒輪泵的流量特性，了解流量對齒輪泵的影響。 運用 Gambit和 Fluent軟件對齒輪泵的不同齒廓主動件和從動件進行流體分析， 得出壓力圖和速度圖， 分析比較結果， 選擇一條在綜合性能上都比較好的齒廓， 并 在其基礎上改進設計出一條新的齒廓， 以達到 提高齒輪泵效率 的功效 。 太湖學院學士學位論文 2 齒輪泵的工作原理及 三維建模 2.1 外嚙合液壓齒輪泵的工作原理 圖 2.1 外嚙合齒輪泵工作原理圖 圖 1 是外嚙合齒輪泵的工作原理圖。由圖可見，這種泵的殼體內裝有 一 對外嚙合齒輪。當齒輪按圖示方向旋轉時， 右側的齒輪逐漸脫離嚙合，露出齒間。因此這 一側的密封容腔的體積逐漸增大，形成局部真空，油箱中的油液在大氣壓力的作用下經(jīng)泵的吸油 口進入這個腔體，因此這個容腔稱 為 吸油腔。隨著齒輪的轉動，每個齒間中的油液從右側被帶到 了左側。在左側的密封容腔中，輪齒逐漸進入嚙合 ,使左側密封容腔的體積逐漸減小，把齒間的油 液從壓油口擠壓輸出的容腔稱為壓油腔。當齒輪泵不斷地旋轉時，齒輪泵的吸、壓油口不斷地吸油 和壓油，實現(xiàn)了向液壓系統(tǒng)輸送油液的過程。 2.2 齒輪泵 分類 、 用途、應用范圍 2.2.1 齒輪泵的分類 按 其結構 分： 齒 輪泵、葉片泵、柱塞泵和螺桿泵； 按其壓力 分： 低壓泵、中壓泵、中高壓泵、高壓泵和超高壓泵； 按其輸出流量能否調節(jié) 分： 定量泵和變量泵 ； 按 齒輪泵按齒輪嚙合形式分：外嚙合齒輪泵和內嚙合齒輪泵 ； 按工作壓力分：低壓齒輪泵、中高壓齒輪泵、高壓齒輪泵 ； 按齒輪采用的齒形分：直齒齒輪泵、螺旋齒齒輪泵、人字齒齒輪泵、擺線齒齒輪泵 ； 齒輪泵的結構改進設計 5 按泵工作齒輪對數(shù)分：一對齒齒輪泵、多對齒齒輪泵 ； 按泵的結構形式分：單級齒輪泵、多級齒輪泵、雙聯(lián)齒輪泵 ； 2.2.2 齒輪泵的用途 及應用范圍 齒輪泵 利用兩齒間空間的變化來輸送液體， 用于輸送粘 性較大的液體，如潤滑油和燃燒油，不宜輸送粘性較低的液體（例如水和汽油等），不宜輸送含有顆粒雜質的液體（影響泵的使用壽命） ，可作為潤滑系統(tǒng)油泵和液體系統(tǒng)油泵，廣泛用于發(fā)動機、汽輪機、離心壓縮機、機床以及其他設備。齒輪泵工藝要求高，不易獲得精確的匹配 。 2.3 齒輪泵的三維建模 該課題使用軟件 UG，此軟件具有強大的 實體造型和裝配的功能。齒輪泵的主要零件有機座、前端蓋、后端蓋、長齒輪軸（主動輪）、短齒輪軸（從動輪）等。 機座、前端蓋和后端蓋 都是齒輪泵的主要部分， 機座 內有吸油孔和出油孔 ，內部是油泵能夠增壓的關鍵部 分，通過齒輪在其中的嚙合從而改變齒輪兩側的內部體積，使得出油孔一側內部壓力增大，達到增壓的效果。 機座 的下面一部分是機架部分，主要起到固定齒輪泵位置的作用。 具體的三維建模如下圖： 圖 2.2 機座的三維模型 圖 2.3 后端蓋的三維模型 太湖學院學士學位論文 圖 2.4 前端蓋的三維模型 前端蓋與長齒輪軸的一段配合（ 基孔制 ），一段接輸入裝置， 齒輪的齒數(shù)為 10，模數(shù)為 3，壓力角為 20 。 短 齒輪軸一端與 前端蓋 基孔制配合，一端與 后端蓋 基孔制配合。 長 動齒輪和 短 動齒輪的三維 建模如下圖： 圖 2.5 長齒輪軸的三維模型 齒輪泵的結構改進設計 7 圖 2.6 短齒輪軸的三維模型 除了以上五個主要部件，還需一些附加部件，如下面的齒輪泵裝配圖： 圖 2.7 齒輪泵裝配圖太湖學院學士學位論文 3 齒輪泵的 流量特性 齒輪泵是液壓系統(tǒng)中廣泛采用的一種液壓泵，以 外嚙合齒輪泵 的應用最廣，它的的優(yōu)點是結構簡單，尺寸小，重量輕，制造方面，價格低廉，工作可靠，自吸能力強（容許的吸油真空度大），對油液污染不敏感，維護容易。液壓泵的主要性能參數(shù)是壓力、流量和排量。本課題從 外嚙合齒輪泵 的結構 和工作原理出發(fā)，導出 排量計算公式。 由于自身結構特點的原因 ,其輸出的流量是隨轉動軸的轉角按拋物線的規(guī)律變化。這種變化的流量被稱為瞬時流量 ,而這種輸出流量的不均勻現(xiàn)象被稱為流量脈動。 去大多數(shù)學者沿用“能量法”和“掃過面積法”來計算齒輪泵的流量 ,本文利用幾何法計算了泵齒輪從剛剛開始嚙合到泵齒輪轉過一個基節(jié)時端面密封面積的變化量 ,從而推導出了齒輪泵的流量公式。 3.1 齒輪泵流量 的 研究 漸開線、漸開線發(fā)生線和基圓所圍成的面積如圖 1所示 ,當用直角坐標來表示漸開線時 ,其方程式為 c o ss in rbrbux （ 3.1） s inc o s)( rbrby （ 3.2） 式中 參數(shù)變量 (等于漸開線的展角與壓力角之和 ) rb基圓半徑 通過計算 ,可以求得漸開線 PK、發(fā)生線 KB和基圓弧 PB所圍成的面積 326)( urS b 圖 3.1 漸開線、 漸開線 發(fā)生線、基圓所圍的 面積 齒輪轉過一個基節(jié)端面密封面積的變化 S 如圖 3-2所示 , 1、 2、 3、 4的值計算如下 ： 11121 t a n2 zr KNb （ 3.3）齒輪泵的結構改進設計 9 11222 ta n zr KNb （ 3.4）22213 ta n zr KNb （ 3.5） 22114 t a n2 zr KNb （ 3.6） 式中 rb1、 rb2主、從動齒輪基圓半徑 z1、 z2主、從動齒輪齒數(shù) 齒輪嚙合重合度 嚙合角 圖 3.2 漸開線齒輪泵流量計算 在齒輪泵排油腔 ,泵齒輪從嚙合始點至泵齒輪轉過一個基節(jié) (即泵齒輪轉 2 /z1角 )端面密封面積的變化量為 S。 S的計算公式如下 SSSSS 321 (3.7) 式中 S1、 S2分別指主、從動齒輪轉過 2 z1角由齒頂與基圓所圍成的扇形面積 S3、 S4分別指主、從動齒輪轉過 2 z1角由漸開線、嚙合線和基圓所圍成的面積 通過計算得 )463(12)11()(1 22222221211 baa pirrirrzS （ 3.8） 式中 i傳動比 ra1、 ra2主、從動齒輪齒頂圓半徑 r1、 r2 主、從動齒輪節(jié)圓半徑 pb基節(jié) 太湖學院學士學位論文 3.1.1 齒 輪泵平均流量 單齒排量等于端面密封面積的變化量乘以齒寬則單齒排量的 )463(12)11()(1 22222221211 baa pirrirrz bSbV （ 3.9） 式中 b 齒寬 平均流量 q為 )463(12)11()(1 22222221211 baa pirrirrnbn V zq (3.10) 當兩齒輪的齒數(shù)相同時 ,式 (10)可簡化為 )463(1222222 ba Prrnbq （ 3.11） 式中 ra齒頂圓半徑 r 節(jié)圓半徑 n主動齒輪轉速 3.1.2 齒輪泵瞬態(tài)流量 在如圖 3-3所示的外嚙合齒輪泵中 , 主動輪 1 轉過 1 時 , 位于壓油腔的齒面所掃過的體積為 : 121211211211 5.022 kaka rrbrrBV (3.12) 從動輪 2 位于壓油腔的齒面所掃過的體積為 : 222222222222 5.022 kaka rrubrrBV (3.13) 齒輪泵的結構改進設計 11 圖 3.3 齒輪泵工作示意圖 從壓油 腔排除的體積為： 22222121121 5.0 kaka