基于Fluent的外嚙合齒輪泵內部流場仿真分析＊

姚奇，沈仙法，季豐

基于Fluent的外嚙合齒輪泵內部流場仿真分析＊

姚奇，沈仙法，季豐

（三江學院 機械與電氣工程學院，江蘇 南京 210012）

為提高外嚙合齒輪泵的使用壽命，減輕齒輪泵的困油和泄漏現象，利用Fluent軟件對外嚙合齒輪泵的內部流場進行了仿真，研究了齒輪泵齒側間隙為0.05 mm、0.1 mm和0.15 mm時對困油壓力的影響，分析了轉速為1 000 r/min、2 000 r/min和3 000 r/min時齒輪泵內部速度流場分布。結果表明，齒輪泵的側向間隙越大，泄漏量越大，容積效率越低；齒輪泵轉速越大，內泄漏越大，容積效率越低，流量脈動加大，液場流速增大。研究成果為外嚙合齒輪泵的設計改進提供了技術參考，具有一定的實踐意義。

外嚙合齒輪泵；流場；仿真分析；Fluent

1 引言

外嚙合齒輪泵是液壓系統的重要動力元件，它因具有結構簡單、維修方便、自吸能力強、對油液污染不敏感等優點而廣泛應用在冶金、采掘機械、航空航天和深海探測等諸多領域。但是，同時，它也存在著泄漏、困油和徑向不平衡力等缺點。針對這些缺點，國內外學者對其展開了研究，并取得了一定成果。李志華等運用數學模型的方法對齒輪泵進行優化設計[1]。冀宏等使用Fluent和Pro-E軟件對外嚙合齒輪泵的徑向力進行了數值計算，比較了卸荷槽改進前后的外嚙合齒輪泵徑向力后認為合理的卸荷槽設計可以使外嚙合齒輪泵的徑向力大大降低[2]。周雄等通過大量的數值計算，求得間隙與泄漏之間的相對應關系，得出最佳的理論間隙[3]。李金鑫等利用Matlab軟件研究了殼體參數對于泄漏的流量的影響[4]。YANADA等對不同轉速、不同進出口的壓力差值以及不同齒側間隙而引起的泵內速度場以及壓力場進行了仿真計算分析，從而得到高速旋轉下的的泵確實會產生困油和負壓現象[5]。EATON等認為齒輪在受到氣穴以及混入空氣的影響時，在其退出嚙合時，被困的油液會快速發生膨脹現象，但不會出現負壓[6]。為此，本文將針對外嚙合齒輪泵的內部流場進行仿真分析，從而進一步探索產生困油和泄漏現象的原因，這對提高高壓高速外嚙合齒輪泵的性能有著十分重要的意義。

2 齒輪泵工作原理與基本參數

齒輪泵的泵體內裝有一對齒數相等、模數相同的外嚙合齒輪，這對齒輪與泵的兩端蓋和泵體間形成一個密封容積腔，并由齒輪的齒頂和嚙合線把密封腔分為互不相通的兩部分，即吸油腔和壓油腔，如圖1所示。

圖1 齒輪泵的結構圖

當齒輪泵的主動齒輪按圖示箭頭方向旋轉時，齒輪泵上側的輪齒逐漸脫開嚙合，使密封容積腔的容積逐漸增大，形成局部真空，即形成吸油腔，油箱中的油液在外界大氣壓的作用下，經油管進入吸油腔[7]。然后隨著齒輪的旋轉，齒槽間的油液被帶到左側，進入排油腔，這時輪齒逐漸進入嚙合使下側容積逐漸減小，腔內壓力增大，迫使齒槽間的壓力油進入液壓系統。

外嚙合齒輪泵的電動機額定轉速為2 000 r/min，電動機功率為12 kW，外嚙合齒輪泵流量為5 000 L/h，其壓力為 5 MPa。齒輪模數為4 mm，齒數為12，齒輪的節圓直徑為48 mm，齒寬為22 mm，齒輪的壓力角為20°，重合度為1.64。

3 困油壓力的瞬態仿真

3.1 模型和參數設置

首先用Pro-E創建三維模型，然后導入Fluent中，進行網格劃分[8]。進口壓力設置為一個標準大氣壓，出口壓力設置為5 MPa，流體黏度設置為46 mm2/s。為了獲得較為準確的結果，首先采用彈性光順的網格劃分方法，然后再進行局部重構劃分，以便得到較為準確的仿真結果。網格形狀為三角形網格，尺寸大小為0.3 mm。

3.2 仿真結果分析

仿真時轉速為2 000 r/min，步長為0.001 s，再進行求解可以得到瞬時靜壓分布云圖，如圖2所示。

圖2 靜壓分布云圖

從圖2（a）、2（b）和2（c）可以看出，當齒輪進入嚙合狀態時，困油還沒形成，腔內體積減小壓力伴隨著變大，隨著繼續旋轉，兩點能完全嚙合，困油區的體積最小，由于間隙很小，油液受到擠壓卻不能馬上排出泵內，導致困油區內的壓力增大，從而出現齒輪沖擊、振動和噪聲。

從圖2（d）、2（e）和2（f）可以看出，困油腔的壓力呈現先增后減趨勢。當齒輪退出嚙合，困油腔內形成真空，氣穴由此產生。當齒輪完全結束嚙合狀態，由于問隙與吸油腔相通，困油腔地壓力變小并恢復到正常工作壓力。

從圖2（g）和2（h）可看出，困油區的壓力急速變動，對齒輪泵有較大沖擊，由此會減少齒輪泵的使用壽命。

3.3 不同側隙對困油壓力的影響

調整齒輪中心距使其齒側間隙為0.05 mm、0.1 mm和0.15 mm，通過仿真可以得到不同側隙下的困油壓力，結果如圖3所示。從圖3可清楚看到，齒側問隙越小，齒輪泵在正常工作時，困油腔內的壓力就會越大，且波動變化就越明顯。但當齒側間隙變大到0.15 mm時，困油腔內的壓力變小，且壓力波動變化趨勢變得平緩。但因此也會使齒輪泵的內泄漏增加，容積效率下降，從而振動加大，噪聲增大，因此需要合理選擇齒輪傳動的齒側間隙。

圖3 不同側隙條件下的困油壓力曲線

4 外嚙合齒輪泵瞬時流量仿真

當齒輪泵的轉速為分別設置為1 000 r/min、2 000 r/min和3 000 r/min時，通過仿真得到其流場流速云圖，如圖4、圖5和圖6所示。由圖4可知，在低于正常工作轉速情況下，即當齒輪轉速為1 000 r/min時，由于其進出的流量較小，泄漏量幾乎為零。由圖5和圖6可知，在額定轉速為2 000 r/min時，進出口瞬時流量增加，容積效率為94.18%；當轉速加到3 000 r/min時，因為流量逐漸增加，平均流量達到 180 L/min，容積效率變小，為91%，同時泄漏量增加，并且存在流量脈動明顯。隨著速度進一步增加，齒輪泵中的氣蝕會加劇，這將會引起較大的振動與噪聲，因此齒輪泵的轉速要控制在適合速度范圍。最終可得出齒輪泵在不同轉速時的流場速度圖，如圖7所示。

圖4 1 000 r/min時流場流速分布云圖

圖5 2 000 r/min時流場流速分布云圖

圖6 3 000 r/min時流場流速分布云圖

圖7 流場速度和轉速關系曲線

從圖7可以看出，隨著齒輪泵轉速的提高，流場內的液場流速也隨之增大。

綜合上述，齒輪側向間隙對齒輪泵內泄漏有很大影響，側向間隙越大，泄漏量越大，容積效率越低；當其他條件一定時，齒輪泵轉速越大，內泄漏也越大，同時容積效率降低，流量脈動加大，并且隨著轉速的提高，流場內的液場流速隨之增大。因此，為減輕齒輪泵的困油和泄漏現象，設計齒輪泵時應減小齒輪側向間隙，確定合理轉速。

5 結論

利用Fluent軟件仿真分析了外嚙合齒輪泵二維內部流場，分析了齒輪泵在不同時刻的靜態壓力分布，研究了齒輪泵在不同側隙時對困油壓力的影響以及在不同轉速時的齒輪泵的內部速度流場分布。結果認為：齒輪泵的側向間隙越大，泄漏量越大，容積效率越低；齒輪泵轉速越大，內泄漏越大，容積效率降低，流量脈動加大，液場流速增大。為減輕齒輪泵的困油和泄漏現象，在設計齒輪泵時應減小側向間隙并選擇合理轉速。

［1］李志華，劉小思，顧廣華.齒輪泵齒輪基本參數的優化設計［J］.江西農業大學學報，1997（3）：136-140.

［2］冀宏，趙光明.基于流場的外嚙合齒輪泵徑向力計算［J］.機床與液壓，2013，41（7）：1-4.

［3］周雄，朱新才，李良.外嚙合齒輪泵齒頂與泵體間的最佳理論徑向間隙［J］.液壓與氣動，2007（12）：63-65.

［4］李金鑫，張年松，何勇.外嚙合齒輪泵殼體幾何參數對其流量的影響研究［J］.機床與液壓，2014，42（9）：105-108.

［5］YANADA I I.Study of the trapping of the fluid in a gear pumps［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineering, Part A:Power and Process Engineering，1987，201（11）：39-45.

［6］EATON M，KEOGH P S，EDDE K A.The modeling prediction and experimental evaluation of gear pump meshing pressures with particular reference to aero-engine fuel pumps［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part I-Journal of Systems and Control Engineering，2008，220（5）：365-379.

［7］沈仙法.液壓與氣動技術［M］.北京：機械工業出版社，2019.

［8］毛子強.基于 FLUENT 的外嚙合斜齒輪泵內部流場的仿真與分析［D］.蘭州：蘭州理工大學，2014.

2095－6835（2020）24－0055－03

TH137.51

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.24.018

姚奇（1989—），男，江蘇南京人，助理工程師，研究方向為機械CAD/CAE技術。

三江學院科研資助項目（編號：2019SJKY005）；江蘇省高校自然科學研究資助項目（編號：17KJB460011，14KJB460022）

〔編輯：嚴麗琴〕