一種耐高溫內齒泵容積效率改善試驗研究

羅小梅，韓顏瑩，毛福合，潘嘉明，楊磊

(中國北方車輛研究所車輛傳動重點實驗室，北京100072)

內嚙合齒輪泵作為液壓系統的關鍵元件之一，由于具有高效、低耗、長壽命、多用途、無脈沖、可定量性、便于調整、結構緊湊、噪聲低和可靠性與經濟性等十大優點，目前已被廣泛應用于各種液壓機械。

文中所分析的是一種可應用于特殊環境的內嚙合齒輪泵，其顯著特點是耐高溫，可在油溫為95 ～130℃范圍內正常工作，比一般民用油泵的使用溫度條件高。由于該泵在工作中油液溫度很高，泄漏量無形增加，加之，其高轉速運轉工況占整個工況的80%以上，因此，對其高轉速流量性能要求較高，然而該泵在正常高轉速下容積效率偏低。因此，著重從影響其容積效率的因素來分析及采取措施對其進行改進，并通過試驗進行驗證。

1 內嚙合齒輪泵樣機性能分析

1.1 樣機結構簡述

(1)整個結構采用兩片式結構，定位精度高，同時又減小了泄漏環節;

(2)主、從動齒輪為漸開線齒形，結構可靠，加工方便，易于實現批量化生產;

(3)有軸向間隙補償機構，徑向間隙靠加工公差保證;

(4)泵內設計有合理的卸油和回油槽，使齒輪在工作中承受的扭矩力最小，因此軸承負荷小，磨損小，泵壽命長;

(5)采用滾針軸承以減小體積，且軸承潤滑采用吸油口內油道潤滑結構，改善了軸承的使用壽命。

1.2 性能試驗測試結果及分析

該泵排量為60 mL/r，在各轉速下按效率為85%計算其對應流量。加工好的成品在未作任何更改前做試驗，測得的各轉速點流量見圖1，效率見圖2。

圖1 未做更改試驗流量曲線圖

圖2 內齒泵試驗效率曲線圖

由以上曲線圖可以看出:該泵的容積效率在各轉速點都不高，尤其是在高轉速下容積效率非常低。在1 MPa，1 200 ～2 400 r/min 時，泵容積效率為67% ～74%，在3 000 r/min 時其效率為56%，3 600 r/min時僅為48%。

要求泵的工作轉速高于3 000 r/min，因此，它在高轉速下的流量優先關注。由圖1 可以看出:泵的流量在2 400 r/min 以后基本保持不變。由泵的排量60 mL/r 可以算出2 400 r/min 下該泵的理論流量應該為148 L/min，而實測值只有102 L/min 。由效率曲線可知其效率不到70%。那么大于2 400 r/min 下的流量更加達不到要求。一般的，內嚙合齒輪泵的容積效率都在85%以上，該泵的容積效率在任一個轉速點下都無法滿足要求，對該泵采取一定的改進措施勢在必行。

一般的，影響內齒泵容積效率的因素很多，關系到從設計、加工、裝配到試驗的一系列過程。齒形的設計合理與否、齒輪各參數選擇是否得當、加工是否精確、裝配中各間隙大小是否合適、進油口大小是否合適等都可能影響該泵容積效率。通過一步一步分析排除，可知:設計中存在的問題主要就是進油側進油口太小，成品泵的進油口在高轉速下進油流速過高，遠遠超過了限制的最大流速，因此進油口大小必須進行更改;另外，加工中也可能存在問題，但是加工中的問題在實驗室條件下很難判斷，沒有專門的工具來測量加工精度等，因此先不去考慮加工問題，首先假設加工都符合要求，在這種情況下，再考慮其他因素的影響。作者用手轉動內齒泵的主動齒輪，發現其基本不能轉動，按照技術要求，裝配好的泵應該用手能夠輕松轉動，因此可以推知其軸向間隙可能太小。原因之一可能是浮動板背面的橡膠密封條壓縮量太大;原因之二可能由于在泵的裝配過程中，本身測量的間隙大小就不夠準確，間隙過小，導致泵裝配好之后側板和泵體接觸過于緊密，因此轉動困難。但由于時間關系，作者只對其中之一——進油側做了試驗研究，以后的工作將進一步對其他因素進行改進，并做試驗以尋求各影響因素的關系大小。

2 設計改進措施及試驗結果

試驗遵循以下幾點:

(1)油泵出口壓力:1 MPa、1.5 MPa、2 MPa;

(2)轉速點:1 200、1 800、2 400、3 000、3 600 r/min;

(3)油泵工作溫度不大于130 ℃，試驗溫度為95 ～130 ℃;

(4)油泵在進行試驗時，進口油箱液面應保持一定的高度，可設置其高于供油泵進口150 mm以上。

2.1 第一次更改及試驗情況

由上可知，該泵在高轉速下流量很低，容積效率相應地也就很低。一般的，高轉速下容積效率低的一個明顯原因是進油不充分所導致。改進中，考慮要更改量最好最小，因此決定只對上下浮動板做一次更改:在泵下浮動板進油側增加一條填進油槽，主要目的是延長高轉速下的進油時間，并且因為泵在高速旋轉時產生的離心力使油液甩向齒頂部處，而齒根處產生負壓使油液稀薄，如不及時補充油，嚴重時甚至產生氣蝕，試驗過程中可以明顯聽到泵的噪聲較大，與進油口的氣蝕有一定的關系;將槽所占的角度也就是“進油室包角”在原來的基礎上增加一定值;把泵上浮動板進油側槽的深度增加，達到增加進油量的目的。具體試驗數據對比如圖3、4。

圖3 同壓力、同轉速下第一次更改前后流量對比

圖4 第一次更改前后容積效率對比

經過此次更改后的零件裝配好之后，通過試驗發現其高轉速下的流量有所提高，由圖4 可以看出:在更改之后泵的容積效率在高轉速下有一定量的提高，在2 400 r/min 時效率達到了77%，比更改前提高了10%;在3 000 r/min 時效率達到了68%，提高了12%，效果比較明顯;同時泵的流量拐點已對應從2 400 r/min 提高到3 000 r/min。由于第一次更改后該泵容積效率雖然已有提高，但是距離作者的目標還較遠，因此作第二次更改。

2.2 第二次更改及試驗情況

此次更改主要針對進油口結構，利用軟件進行結構、流場仿真等優化改進，獲得了最優結構的進油，減小了進油阻力，降低了進油的流速，提高了進油的通油能力。另外，在此次試驗中同時采取這種更改目的還有一個:通過更改后的泵來驗證補充填進油槽的深度是否合適。

試驗后各轉速點流量折線圖(同壓力、同轉速)見圖5，容積效率折線圖見圖6。

圖5 第一、二次更改后與未做更改流量對比

圖6 第一、二次更改后與未做更改容積效率對比

可以看出:每一次更改后泵的流量拐點都有顯著提高，第二次更改后流量拐點又從第一次的3 000 r/min 提高到3 600 r/min，在后來的試驗中測得它在3 600 r/min 后的流量基本保持在150 L/min。

由圖6 可知:經過這兩次結構上的更改設計后，該泵的容積效率有了顯著提高，高轉速下的容積效率由原來的不到50%提高了30%左右。

3 結論

通過對成品泵的更改設計，從最后的試驗數據的較大變化，即更改后流量的顯著提高可以得出:進油室包角、進油口結構及一系列進油口處的涉及尺寸、結構、深度等的參數對于泵高轉速區域的容積效率有著重要的影響，更改前后泵的流量變化很大，說明在內齒泵的設計中，合適的進口結構、大小及包角是必須要保證的，這樣對泵容積效率的提高有著很大的意義。

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