QT 直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵的故障分析與修復(fù)

胡延?xùn)|

（陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司， 陜西 寶雞 722409）

引言

齒輪泵是液壓系統(tǒng)中最常見的動力裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、自吸性能好、對液壓油污染度不是很敏感等特點，受到了各行業(yè)的大力推廣，其按結(jié)構(gòu)方式的不同，又可以分為內(nèi)嚙合齒輪泵和外嚙合齒輪泵。隨著這幾年加工工藝的不斷提升，內(nèi)嚙合齒輪泵由于在同排量液壓油泵中外形尺寸小、流量脈動小、壽命長等特點逐漸被顯現(xiàn)出來。QT 系列直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵是一種獨特的齒形設(shè)計，決定了它在嚙合時幾乎沒有困油區(qū)，大大降低了噪聲和壓力脈動，顯著提高了效率，保證了油液的品質(zhì)。其單級泵的輸出壓力可達(dá)到20 MPa，被液壓行業(yè)稱之為安靜泵。

1 工作原理

QT 系列直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵的工作原理類同于漸開線內(nèi)嚙合齒輪泵齒輪副的結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，具有直齒形狀的主動齒輪和與其齒形共軛的被動齒輪在泵體內(nèi)做偏心安裝，當(dāng)主動齒輪與被動齒輪在做內(nèi)嚙合運動時，月牙板將吸油腔和排油腔分開。主動齒輪按圖示方向轉(zhuǎn)動時，帶動被動齒輪作同方向轉(zhuǎn)動，這時在吸油區(qū)附近的封閉容積變大而形成吸油腔，在排油區(qū)附近的封閉容積變小而產(chǎn)生排油腔，完成一個吸排油過程，由于齒輪的連續(xù)轉(zhuǎn)動，油泵便連續(xù)進(jìn)行周期性工作。由于直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵沒有軸向負(fù)載，被動齒輪與泵體之間的配合間隙很小，在正常工作油膜的作用下，兩者的摩擦副相當(dāng)于一個動壓軸承，保證了油泵的長壽命。該泵還可以通過兩聯(lián)或者三聯(lián)的形式串聯(lián)，為系統(tǒng)提供更高的壓力。

圖1 齒輪副的結(jié)構(gòu)圖

2 常見故障的判斷與分析

最初，該泵在實際運行中主要表現(xiàn)為系統(tǒng)壓力不夠，繼續(xù)使用油溫會逐漸升高，初步判斷為油泵內(nèi)部磨損。在拆解油泵后發(fā)現(xiàn)被動齒輪外齒圈與泵體之間的間隙偏大，兩個齒輪副之間的嚙合面也有磨損，隨后對液壓油進(jìn)行了整體清理。根據(jù)現(xiàn)場實際情況分析，造成該泵主動齒輪和被動齒輪磨損的原因如下：

1）在加油過程或者維修設(shè)備時將堅硬的固體顆粒物帶入了油液，甚至將金屬顆粒帶入了油液，細(xì)小的固體或者金屬顆粒通過油泵吸油過濾器進(jìn)入了油泵，造成了對齒輪嚙合面和被動齒輪外齒圈的磨損。

2）設(shè)備在維修后或者冷啟動時，油泵還未建立潤滑油膜就進(jìn)行了加載，造成了齒輪副的干摩擦和齒輪面的硬接觸。

3）吸油濾油器堵塞。在液壓系統(tǒng)中，液壓油在正常工作情況下溶解有6%～12%的空氣，當(dāng)吸油濾油器發(fā)生堵塞后，進(jìn)油管及油泵吸油腔中的壓力會低于空氣分離時的壓力，產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，氣蝕特別會對被動齒輪外齒圈表面進(jìn)行損傷，減少油泵的使用壽命。

3 主動齒輪與被動齒輪的修復(fù)

3.1 數(shù)據(jù)測繪與計算

一般來說，只要給出一齒輪的齒廓曲線，就可以根據(jù)齒廓嚙合基本定律求出與其嚙合傳動的另一輪上與該齒廓曲線相共軛的齒廓曲線。從日本住友QT系列技術(shù)資料來看，直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵齒輪副的主動輪為三角直齒齒輪，被動輪為直線共軛齒圈，接下來便是對齒形的測量和計算過程。

在已有的傳統(tǒng)方法中，是根據(jù)嚙合原理[1]（按給定角速度比變化規(guī)律傳遞平衡軸之間的回轉(zhuǎn)運動的兩齒廓，它們在接觸點處的公法線要通過瞬時嚙合節(jié)點），求出不同坐標(biāo)系中各嚙合點之間的相互對應(yīng)關(guān)系，即在原坐標(biāo)、主動齒輪坐標(biāo)、被動齒輪坐標(biāo)中，三個坐標(biāo)對應(yīng)的關(guān)系。最后通過各點坐標(biāo)的擬合來得出不同的齒廓方程。其步驟為，先定坐標(biāo)系，其次求出主動齒輪坐標(biāo)系上點與原坐標(biāo)系點的對應(yīng)關(guān)系，再通過坐標(biāo)變換求出主動齒輪坐標(biāo)系上點與被動齒輪坐標(biāo)系上點的對應(yīng)關(guān)系。

把原坐標(biāo)系定為xoy 坐標(biāo)系，主動齒輪坐標(biāo)定為x1o1y1坐標(biāo)系，被動齒輪坐標(biāo)定為x2o2y2坐標(biāo)系。在此齒輪副中，關(guān)鍵計算在于共軛齒廓的計算，如圖1 所示。根據(jù)已有的齒廓左側(cè)的計算方程：

式中：θ 為分度圓齒厚對應(yīng)的圓心角；r1為節(jié)圓半徑；β 為齒形半角。

圖2 主動齒輪齒廓

對齒輪實物進(jìn)行測量可得：齒形半角β=13°，主動齒輪齒數(shù)z1=10，被動齒輪齒數(shù)z2=13 mm，兩齒輪之間的中心距a=8 mm，傳動比i=10/13。

根據(jù)齒廓嚙合的基本定律，使傳動比滿足外齒輪和內(nèi)齒圈的連心線被其嚙合齒廓在接觸點處的公法線所分成的兩段成反比，得出節(jié)圓半徑：r1=az1/（z2-z1）=26.667 mm，r2=az2/（z2-z1）=34.667 mm。

將參數(shù)代入式（1）得出：y1=2.05x1+32.236。

被動齒輪的齒廓方程：為了得到性能優(yōu)良及嚙合情況良好的齒輪副，與直線齒廓主動齒輪相嚙合的被動齒輪其齒廓曲線必須為與主動輪齒廓直線相共軛的曲線，由嚙合原理可知，傳動比為常數(shù)的共軛齒形的計算公式為[2]：

其中：φ1=-ψ

式中：φ1為主動齒輪轉(zhuǎn)角；A1為齒頂圓與嚙合線的交點。

3.2 熱處理工藝及其相關(guān)間隙的選取

考慮被動齒輪的材料和特殊的齒形，齒輪經(jīng)過熱處理后會對齒形有一定的影響，暫時不對被動輪進(jìn)行熱處理，在對原有QT 泵被動齒輪進(jìn)行硬度測量后，兩者硬度數(shù)據(jù)幾乎相近。主動齒輪為直齒便于加工，進(jìn)行氮化處理，提高表面耐磨性。

由于泵在剛啟動時，被動齒輪外圈在油膜的作用下被浮動在泵體內(nèi)孔內(nèi)，隨著泵的壓力不斷增大，齒輪外圈與泵體之間的間隙過大則油膜會被擠破，齒輪外圈與泵體內(nèi)孔會被拉傷，甚至有抱死現(xiàn)象。所以間隙的大小非常關(guān)鍵，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗數(shù)據(jù)推薦取徑向間隙0.06～0.08 mm 最為合適[3]。

4 結(jié)語

經(jīng)過多天的測繪、計算、加工，修復(fù)后的QT 直線共軛內(nèi)嚙合齒輪泵運行平穩(wěn)，達(dá)到設(shè)備正常工作要求，表明在日常維修中，面對此類問題，可以先通過運用相關(guān)經(jīng)驗公式對實物進(jìn)行理論驗證，找出正確的工藝路線，為日常維修工作積累豐富的經(jīng)驗。