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摘要：外啮合齿轮泵的结构简单、自吸性能好，在中压和低压系统得到普遍应用，但是由于其脉动系数大、径向力不平衡等缺点，使得其高压系统中难以得到应用。本文深入分析流量和径向力对外啮合齿轮泵性能的影响，综合考虑齿轮泵的瞬态流量均匀性、泄漏现象以及噪声等问题的影响因素。结合数学公式，对外啮合齿轮泵多目标优化设计进行研究，为外啮合齿轮泵的结构和性能优化提供理论依据。
关键词：外啮合齿轮泵；性能；优化；设计
引言
齿轮泵相对于其他液压泵来说，具有结构简单、体积小、自吸收性能好、成本低、环保等优点，所以齿轮泵在机床制造、航空造船等行业广泛应用。世界各国对于齿轮泵的研究一直很重视，部分国家在研究齿轮泵应用在高压系统方面取得了重大突破。比如：CBZb 型系列采用齿轮轴向，径向浮动补偿，减小齿轮泵固有的径向力，在使用滚动轴承的情况下，达到了高压力，现已在中国、美国、日本等国家申请了专利。
一、外啮合齿轮泵的概述
1.1外啮合齿轮泵的简介
齿轮广泛应用于工业设计中，齿轮泵是齿轮的重要组成部分。合齿泵的组成部分包括一对啮合齿轮和泵体，因为齿轮泵具有结构简单、可靠性高、维修方便等优点，在很多国家的产销量都很大。齿轮泵在结构上可分为外啮合式和内啮合式，其中外啮合齿轮泵是靠密闭空间内的一对相互啮合的齿轮传动形成低压腔和高压腔而实现吸油和排油的一种液压动力元件。外啮合齿轮泵的优点很多，包括结构简单、体积小、质量轻、制造维护方便、成本低、工作可靠、自吸能力强（容许的吸油真空度大）、对油液的污染不敏感等。它的缺点也很明显，由于径向力的不平衡，容易磨损轴承，流量脉动大，导致系统压力脉动大、噪声高等。外啮合齿轮泵的组成结构包括主、从两个动齿轮，主、从两个动齿轮轴、滚动轴承和后泵盖等，下图是外啮合齿轮泵的模型图：
图1 外啮合齿轮泵的模型
1.2外啮合齿轮泵的工作原理
外啮合齿轮泵的工作压力范围是2.5MPa到30MPa，转速范围是300r/min到700 r/min，几何排量范围为0.3mL/r到650 mL/r，容积效率为0.70至0.95，总效率为0.63至0.87。【3】图2是外啮合齿轮泵的工作原理图，通常外啮合齿轮泵的主、从齿轮的结构参数是相同的。外啮合齿轮泵中，主、从齿廓和壳体的内表面以及前后盖板组成若干个封闭容积，通过啮合线把用于吸油和排油的两个高低油腔分隔开。当齿轮旋转起来时，右边的轮齿渐渐离开啮合，吸油腔的容积逐渐扩大，使得局部为真空。在大气的压力下，液体就通过吸油腔进入右边的低压油腔；通过齿轮的转动，使液体从右边的低压腔被挤压到左边的高压腔中，齿轮不断转动渐渐进入啮合，高压腔的体积不断减小，液体就从左边的高压腔排被挤压出去。齿轮不断旋转使得齿轮泵将不断地进行吸油和排油工作，齿轮转一周，每一个齿谷都要完成一次充液和一次排液。
图2 外啮合齿轮泵的工作原理图
二、外啮合齿轮泵泄漏现象的研究
2.1泄漏现象的介绍
外啮合齿轮泵在工作过程中易发生液体泄漏，是因为有压力差，所以有少量液体在流动过程中从高压的地方越过容腔边界，通过零件接触面或者间隙流到大气或者低压的地方。根据泄漏情况的不同分为内泄漏和外泄漏，其中内泄漏是指液体从高压腔流入低压腔，而外泄漏是指液体从高压腔流到大气中。在工作过程中，对外泄漏的要求严格，需要将外泄漏减少到最低，而内泄漏是不可避免的，要求尽量减小。
2.2泄露的影响
液体泄漏严重影响外啮合齿轮泵工作的安全性和经济性。泄漏会影响工作系统的性能，使得系统的压力上不去，造成组件发热现象。再者，系统泄漏说明密封性不好，使得污染物易进入外啮合齿轮泵。这些都会造成机器元件磨损，系统运行不稳定，安全系数降低，加大生产成本，降低生产能力，还会缩短设备的寿命，甚至发生事故。泄漏现象还会污染周边环境，影响工作人员的身体健康。
2.3 泄漏的解决措施
造成泄漏现象出现的主要原因是密封不好，比如密封材料的质量不好，密封装置的尺寸参数不合理、对密封装置的使用方法不合理等。液压系统的泄漏有多种形式，主要包括缝隙泄漏、多孔隙泄漏、粘附泄漏和动力泄漏等。缝隙泄漏的泄漏量的大小和缝隙高度的三次方成正比，所以需要尽可能地减小缝隙高度。多孔隙泄漏主要是因为结合面的粗糙度造成的，所以应尽量使结合面平滑，加工过程中要细致，尽量少留痕迹。粘附泄漏是因为粘性液体和设备内壁的接触产生粘附层，粘附层达到一定厚度就产生粘附泄漏，所以应该时常清理设备，减少粘附层。动力泄漏的泄漏量随轴的转速增大而增加，为了防止动力泄漏，应避免在旋转轴密封表面夹密封圈的唇边上存在“泵油”作用的加工痕迹，或者限制痕迹的方向。【4】
三、对外啮合齿轮泵噪声的研究与控制
在机械设备的运作过程中，出现噪声是常见现象，但噪声会影响人们的身体健康和工作效率。外啮合齿轮泵产生的噪声会随着转速、流量和压力的增大而增强。噪声控制主要从噪声源着手，可以采取的措施有：1、增加罩壳的厚度，提高系统中各组件的刚性，减小在高压作用下的变形，避免高压侧与外壳的间隙增大，低度压过渡区变短，油压急剧变化，引起振动和噪声。2、避免空气混入液体，减少液体的阻力。3、减小齿轮的模数，增大齿宽，改进齿形。4、把好轴承的质量关，轴承的结构也要根据具体情况改进。5、提高零部件尺寸的精度及表面光洁度，减少摩擦，减少噪声。减少噪声伤害还需要给工作人员佩戴防护罩，连续工作时间不宜过长。
图3 外啮合齿轮泵的工作示意图
四、外啮合齿轮泵的流量分析
瞬时流量是指某一瞬时排除液体的体积量，用Q表示， ，t为时间，V为液体体积。计算液体体积时可根据主动轮和从动轮的的齿顶圆半径和瞬时啮合半径以及各自的角速度计算出来。计算公式如下：
运用外哨合齿轮基本喷合定律，主、从齿轮的线速度相等，即：
下图为外啮合齿轮泵的工作示意图：
分别是主、从动轮的齿面所扫过的容积
流量不均匀系数用
表示，其计算公式为：
五、外啮合齿轮泵的间隙分析
外啮合齿轮泵的间隙越小，流量越小，减小间隙可以减少泄漏，但会增加黏性摩擦，从而增大功率损失。因为损失的功率是泄漏功率损失和粘性摩擦损失的代数和，所以间隙的大小合理设计对外啮合齿轮泵的总功率的提高有重要影响。以下以是齿轮泵端面的最佳间隙 计算分析为例：
齿轮泵端面的最佳间隙
泄漏功率损失：
六、外啮合齿轮泵的径向力分析
外啮合齿轮泵的径向力包括齿轮圆周液体产生的径向力和齿轮啮合产生的径向力。减小径向力能够增加轴承的使用寿命，减少变形、减少齿顶刮坏粟体现象以及泄漏量。减小径向力的方法有很多，比如：1、设置合理的齿宽与齿顶圆直径的比值。2、缩减压油腔的大小。3、开设两个分别与高压腔和低压腔相通的平衡槽，使过渡密封区压力一致。
七、结论
本文从多方面分析了外啮合齿轮泵的特点和运用情况，对外啮合齿轮泵的设计提出了优化方案，并结合计算公式，重点分析了外啮合齿轮泵的流量和间隙，这些分析对于外啮合齿轮泵的改进和运用有重要意义。可以从文中提到的这些方面改进外啮合齿轮泵，使外啮合齿轮泵得到更好的运用，有利于机床制造、航空造船等行业的发展。
参考文献：
[1]王磊.基于水介质外啮合齿轮泵的理论研究[D].安徽理工大学.2012-06-01.
[2]陈英.外啮合齿轮泵的间隙优化及振动和噪声的研究[D].吉林大学.2004-05-01.
[3]熊桂超.外啮合齿轮泵多目标优化设计的研究[J].现代制造工程.2010-06-18.
论文作者:高龙
论文发表刊物:《基层建设》2016年4期
论文发表时间:2016/6/8
标签：齿轮泵论文; 齿轮论文; 液体论文; 噪声论文; 间隙论文; 高压论文; 流量论文; 《基层建设》2016年4期论文;