极端低温下外啮合齿轮泵流量脉动特性分析_訚耀保.pdf
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1、2023年 6月流体测量与控制第 4卷第 3期(总第 16期)极端低温下外啮合齿轮泵流量脉动特性分析Flow Pulsation Characteristics of External Gear Pump under Extreme Low Temperature訚耀保1,赵帅峰1,王东1,金桦涛1,简洪超2(1.同济大学 机械与能源工程学院,上海 201804;2.中国北方车辆研究所,北京 100072)YIN Yaobao1,ZHAO Shuaifeng1,WANG Dong1,JIN Huatao1,JIAN Hongchao2(1.School of Mechanical Engine
2、ering,Tongji University,Shanghai 201804,China;2.China Northern Vehicle Research Institute,Beijing 100072,China)摘要:油液黏度随着温度降低而增大,严重影响齿轮泵在低温中的运转性能。针对外啮合齿轮泵在极端低温下的流量脉动及启动力矩大的问题,建立低温下外啮合齿轮泵的数学模型,通过有限元计算分析了不同温度下齿轮泵的启动力矩、流量脉动特性,获得了在-400 温度范围内外啮合齿轮泵的启动力矩、流量脉动、流量不均匀系数和容积效率的变化规律。研究结果表明:当齿轮泵转速和进出口压力一定时,由于-400
3、 低温环境中齿轮泵油液黏度增加,齿顶间隙泄漏减小,齿轮泵容积效率提高;而齿轮泵黏性摩擦功率损失增加,导致驱动转矩增加。关键词:外啮合齿轮泵;极端低温;流量脉动;驱动转矩;有限元分析Abstract:This paper aims at the phenomenon of high flow ripple and high starting torque of external gear pump under extreme low temperature,the correlative characteristic parameters of external gear pump are an
4、alyzed theoretically,and the mathematical model of gear pump leakage is established.Using geometric processing software to extract the internal flow channel of gear pump,the finite element analysis model of external gear pump is established.And the drive torque and flow ripple characteristics of gea
5、r pump in wide temperature range were analyzed.The dynamic parameters of external gear pump of drive torque and flow ripple in a wide range of temperature are concluded.When the gear pump speed and outlet pressure is certain,the uneven coefficient of gear pump flow will decrease with the increase of
6、 temperature,the driving torque required by the gear pump decreases with the increase of temperature.Key words:external gear pump;extreme low temperature;flow ripple;drive torque;finite element analysis中图分类号:TH 137 文献标志码:A 文章编号:2096-9023(2023)03-0001-061前言齿轮泵按结构可分为外啮合和内啮合 2 种类型。齿轮泵具有结构简单、体积小、抗污能力强、可
7、靠性高及成本低等特点,被广泛用作液压泵、润滑泵和输液泵1。驱动转矩和流量脉动特性是决定齿轮泵性能的重要指标。文献2使用图解法分析齿轮泵的流量脉动特性。文献3通过建模分析了外啮合齿轮泵的流量脉动,齿顶与泵体之间的间隙泄漏、端面间隙泄漏以及啮合区的泄漏特性,同时分析了齿轮泵径向压力分布特征、齿轮的驱动转矩的大小,以及对齿轮泵偏心状态下的受力进行了分析。文献4运用透明材料可视化的实验泵,在不同进口压力、温度以及转速下,观察了泵体内部流体的运动现象。文献5通过软件对齿轮泵的出口压力脉动、齿腔建压过程,以及齿轮受力进行了仿真。文献6通过计算流体力学进行高压外啮合齿轮泵建模,理论与实验研究了容积效率、吸收
8、扭矩、出口压力脉动性能。已有研究解决了齿轮泵泄漏、流量脉动特性等诸多实践中存在的问题。但是极端低温下油液黏温特性对齿轮泵的性能影响规律尚不明确。本文采用计算流体力学研究低温环境(400)下外啮合齿轮泵的性能,如流量脉动、驱动转矩等的规律。2实践实验现象某型履带车辆液压换挡系统采用 KRACHT 公司外啮合齿轮泵结构,如图 1 所示。型号为 KP/1/8A10A XXF4NL2/271,其参数见表 1。履带车辆在 分析设计 基金项目:国家自然科学基金资助项目(52175059)1Jun.2023Vol.4 No.3 Fluid Measurement&Control服役过程中常遇到高原、极寒等极
9、端环境,实验发现:液压系统运行时故障率较高,难以及时进入工作状态。温度低于40 以下时油液黏度大,齿轮泵存在空吸现象,流量脉动大,驱动转矩大。齿轮与泵体之间的摩擦副配合间隙随温度变化而改变,液压单元的冷态启动也受到影响。在环境温度350 时,进行了齿轮泵的低温实验,齿轮泵驱动转矩、转速与温度的实验结果如图 2 所示。由实验数据可知:在350 时,随着油液温度升高,油液黏度减小,齿轮泵所需的驱动转矩减小;在3530 时,其驱动转矩变化较大,变化速率较快;在300 时,驱动转矩变化较缓,由于油液黏度变化较大,在3515 时,齿轮泵存在吸油不足,导致转速较小,变化速率较小,在150 时,由于油液黏度
10、变化较小,齿轮泵转速得到提升。实验后对齿轮泵进行分解,主要零件如图 3 所示。齿轮泵的容积效率与油液的密度、黏度、轮齿两侧压差、顶隙径向尺寸以及齿轮转速有关。采用10 W-40#柴机油作为传动介质,低温下油液黏度和密度的实验测试结果见表 2。如表 2 所示,油液黏度随温度变化的测试结果满足 Walther表达式,即lg()lg(+C)=A+B lg(273.2+t)(1)式中:为油液运动黏度,mm2/s;A、B为油液的特征常数;t 为油液的温度,;C 为油液均适用的通用常数。由 Walther表达式可推算任意温度下油液的黏度特性,其中油液动力黏度为=(2)式中:为油液的密度。3外啮合齿轮泵的数
11、学模型开线直齿轮外啮合齿轮泵的工作原理图如图 4所示。工作时,主动轮沿顺时针方向旋转,带动从动轮沿逆时针方向旋转,在齿轮啮合过程中,k为啮合点,排油腔由主动轮 I 的齿廓 m、n、g、k 及从动轮的轮廓 k、g、n、m所围成。当齿轮转动时,全齿廓mn 和 mn压缩排油腔中的油液,使其容积变小,另一部分啮合齿廓 gk和 gk则在转动中扩大排油腔容图 1外啮合齿轮泵结构表 1外啮合齿轮泵结构参数名称齿轮模数 m齿厚 b/mm齿顶圆半径 ra/mm数值2.513.518.75名称齿根圆半径 rf/mm节圆半径 rw/mm齿数 z/个数值13.12515.2713图 2驱动转矩与转速随温度变化的实验结
12、果图 3外啮合齿轮泵零件表 2低温下油液特性温度/-40-35-30-25-20-100密度/(kgm-3)917.2909.8895.0880.2865.4849.4841.3动力黏度/(Pas)17.1310.736.724.332.801.851.23 22023年 6月流体测量与控制第 4卷第 3期(总第 16期)积,其余那些完全被高压油液包围的齿轮不参与工作,对排油无影响。由于 mn和 mn压缩的油液容积大于 gk和 gk,使排油腔的容积不断减小,将油液排到高压管路。同样,主动轮 I的齿廓 fek及从动轮的齿廓 kef围成了吸入腔,该吸入腔不断扩大,将油液从低压管路中吸进油腔。齿轮节
13、点到啮合点 k 所转过的角度为。旋转角度 与时间的关系为=t(3)式中:为齿轮旋转角速度,rad/s。如图 4,当齿轮转过角度后,齿廓 mn和 mn使排油腔减少的容积为V1=b(r2a-r2f)(4)式中:b 为齿轮齿厚;ra为齿顶圆半径;rf为齿根圆半径。当齿轮转过角度后,齿廓 gk 和 gk 使排油腔增加的容积为V2=b()21+222-r2f(5)式中:1、2为啮合点 k到主动轮圆心 O1和从动轮圆心 O2的距离。排 油 腔 的 容 积 随 齿 轮 旋 转 角 度 变 化 的 表 达式为V=V1-V2=b()r2a-21+222(6)齿轮泵瞬时流量表达式为qsh=dVdt=b2 2r2a
14、-(21+22)(7)将图 4 中两齿轮圆心 O1、O2与啮合点 k 所构成的三角形放大,如图 5所示。根据余弦定理,由图 5中O1Pk及O2Pk可得21=r2w+Pk2+2rwPM(8)12=rw2+Pk2-2rwPM(9)Pk=rb(10)式中:rw为齿轮节圆半径;rb为齿轮基圆半径。由式(7)式(10),外啮合齿轮泵瞬时流量为qsh=b(r2a-r2w-r2b2)(11)在一个排油周期内,齿轮泵理论流量为qt=b(r2a-r2w-112p2b)(12)式中:pb为基圆齿距。齿轮泵容积效率为Vp=1-qqt(13)式中:q为齿轮泵的泄漏量。齿轮泵输出功率 Pop为Pop=qtp(14)式中
15、:p为泵进出口压差。输入功率为Pip=2Ttn60=Pop(15)式中:n为齿轮泵转速,r/min;为齿轮泵总效率。齿轮泵所需驱动转矩为Tt=60Pop2n(16)流量不均匀系数计算公式为q=qpmax-qpminqp(17)式中:qpmax为瞬时流量最大值;qpmin为瞬时流量最小值。本文所研究的齿轮泵采用浮动轴套轴向间隙自动补偿装置,可有效减小轴向间隙泄漏,重点分图 4外啮合齿轮泵工作原理图 5渐开线齿轮啮合点位置变化 3Jun.2023Vol.4 No.3 Fluid Measurement&Control析齿轮泵齿顶间隙泄漏。由于齿顶与壳体之间的间隙很小,油液的泄漏可看成层流流动。齿顶
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