高壓齒輪泵結合面密封性優化研究

中圖分類號：TH325 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2025）14-0045-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.14.009

The Optimization of Sealing Performance for Mating Surfaces in HighPressure Gear Pumps

LIU Shuaixiang1WANG Duanlin2ZHANG Yaming2 （1.Military Representative Office of Haizhuang Stationed in Luoyang Area， Luoyang 471OOo， China; 2.Xinxiang Aviation Industry Group Co.，Ltd.， Xinxiang 453oo3， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to addressthe issue of oil leakage at the mating surfaces of highpressure gear pumps in field applications， improve the sealing performance of the high-pressure gear pump mating surfaces，ensure their reliable operation，and provide effctive solutions for related engineering applications.[Methods] Aiming at the leakage failure at the mating surface，this paper employs the Fault Tree Analysis （FTA）tool to identify the causes of the problem.Based on this analysis，a comprehensive and in-depth theoretical study of the influencing factors is conducted，and anaccurate physical model is established.The ANSYS software is used to simulate the deformation of the sealing end cover under actual working conditions，analyzing the impact of various factors on the sealing performance.Optimization tests are then conducted forvalidation.[Fingings] The study identifies the deformation of the sealing end cover，the compressionrate of the sealing ring，and the screw fastening method of the mating surface's sealing structure as the key factors affecting the sealing performance.By optimizing the design of the sealing structure and precisely controlling the compression rate of the sealing ring within the range of 18.1% to 27.5% ，the sealing performance has been significantly improved; the part strength has been enhanced，increasing structural stability;the diagonal/gradual tightening method forscrew fastening has effectively reduced the leakage risk at the mating surface.[Conclusions]The leakage issue at the mating surface of the high-pressure gear pump has been successfully resolved，significantly improving its sealing performance and ensuring stable，reliable operation.The research findings provide valuable guidance for the design optimization and practical application of high-pressure gears.

Keywords： high-pressure gear pump; mating surface sealing; Fault Tree Analysis （FTA）; deformation

0 引言

作為應用最廣泛的容積式泵之一，外嚙合齒輪泵的設計及生產技術已較為成熟。該泵通過一對相互嚙合的齒輪在泵體內的旋轉，實現工作腔周期性的體積變化，從而完成吸油與排油的過程。當工作腔容積增大時，工作腔與吸油腔相通，實現吸油；當工作腔容積減小時，工作腔與排油腔相通，實現排油[]。外嚙合齒輪泵結構簡單，制造方便，成本較低，在實際生產應用中更具優勢。

ANSYS軟件是一款大型通用多物理場仿真軟件。該軟件配備了專業的流體力學模塊，可模擬復雜流態，其求解器高效穩定，能快速處理大規模計算。此外，ANSYS軟件的網格技術先進，能夠精準生成各類網格。基于強大的多物理場耦合功能，其被廣泛用于眾多領域，助力齒輪泵等設備性能研究。

目前，隨著生產制造技術的持續進步，齒輪泵承受的工作壓力不斷提高。高壓齒輪泵成為工業領域不可或缺的產品，其性能的可靠性直接影響整個系統的穩定運行2。結合面密封是高壓齒輪泵的關鍵密封部位，一旦出現密封失效，不僅會導致介質泄漏和性能下降，還可能影響系統中其他附件的正常運行。某高壓齒輪泵在實際使用中出現的結合面密封漏油現象，凸顯了對高壓齒輪泵結合面密封性能進行深入研究和優化的緊迫性和重要性。本研究旨在通過系統分析，找出故障原因并提出有效的優化方案，為提高高壓齒輪泵的可靠性和穩定性提供理論支持和實踐指導。

1高壓齒輪泵工作原理及結合面密封結構

1.1高壓齒輪泵結構組成

某高壓齒輪泵為漸開線外嚙合齒輪泵，主要由上端蓋、泵體、下端蓋、齒輪、軸承、傳動軸、密封圈等部件組成。

1.2高壓齒輪泵工作原理

高壓齒輪泵通過傳動軸帶動主、從動齒輪相互嚙合轉動。當主、從動齒輪嚙合轉動時，在齒輪泵的進油口嚙合的輪齒逐漸脫開，齒谷空腔體積變大，密封的工作腔容積不斷變大，形成局部真空，滑油被吸入泵內，完成吸油過程，同時在齒輪泵的出油口，輪齒逐漸進入嚙合，齒谷內腔體積變小，密封的工作腔容積不斷變小，齒谷中的滑油被擠向出口，完成壓油過程。高壓齒輪泵的工作原理如圖1所示。

圖1某高壓齒輪泵的工作原理

1.3結合面密封結構

高壓齒輪泵結合面主要包括泵體與端蓋的連接面、端蓋與安裝法蘭的連接面、側板與齒輪端面的貼合面等。密封結構通常采用靜密封方式，以密封圈為核心密封元件，配合密封墊、密封膠等輔助密封材料。常見的密封圈有O形密封圈、矩形密封圈等3，它們被安裝在加工精度較高的密封槽內。密封墊一般由橡膠、石棉或金屬復合材料制成，填充在結合面微小間隙中，進一步增強密封效果。密封膠則用于填補密封墊與結合面之間的微觀孔隙，防止介質泄漏。

1.4結合面密封原理

高壓齒輪泵工作時，泵內產生高壓油液，結合面兩側存在較大的壓力差。密封結構的作用是在壓力差的作用下，通過密封圈的彈性變形、密封墊的壓縮及密封膠的填充作用，阻止油液從結合面泄漏。密封圈在安裝時被壓縮，產生初始密封力，當泵內壓力升高時，油液壓力進一步擠壓密封圈，使其與密封槽及結合面緊密貼合，增加密封阻力，從而實現密封。密封墊和密封膠則通過協同作用，彌補結合面的不平整和微觀缺陷，確保密封的完整性[4]。

2故障概述

2024年，用戶反映某高壓齒輪泵存在結合面漏油故障，該問題導致產品交付滯后，引起用戶不滿。針對該故障問題進行調查，發現高壓齒輪泵泵體與端蓋結合面、端蓋與系統安裝面存在漏油情況。

產品返廠后，為進一步確認漏油情況，廠內對高壓齒輪泵進行了性能試驗、密封性試驗和耐壓試驗。試驗后發現高壓齒輪泵泄漏的路徑有4處： ① 殼體與上端蓋間； ② 殼體與下端蓋間； ③ 上端蓋與系統安裝面； ④ 下端蓋與系統安裝面。經初步分析，漏油位置為結合面漏油，采用0形密封圈、矩形密封圈密封。

3故障原因分析

3.1 故障樹構建

根據某高壓齒輪泵結合面漏油現象及結合面密封結構特點，以高壓齒輪泵結合面滲油作為頂事件，運用故障樹分析（FaultTreeAnalysis，FTA）查找問題原因[5，從產品設計、工藝、零件生產、產品裝配及緊固方式等方面進行分析排查，故障樹如圖2至圖4所示。其中，頂事件和中間事件見表1，基本事件見表2。

圖2結合面漏油

表1頂事件和中間事件

表2基本事件

3.2 原因分析

根據高壓齒輪泵結合面漏油故障樹，從產品設計、工藝、零件生產、產品裝配及緊固方式等方面進行分析排查，確認導致某高壓齒輪泵結合面漏油的原因有以下幾點。

3.2.1密封圈壓縮率設計不合理。密封圈壓縮率影響密封效果，設計不合理可能會導致密封失效或密封性能下降。密封圈壓縮率過小時，可能無法提供足夠的密封接觸壓力，導致密封不嚴。密封圈壓縮率過大時，會使密封圈產生較大的永久變形，改變其原始形狀和尺寸，從而降低密封性能，增加泄漏風險。

某高壓齒輪泵密封結構為密封圈靜密封結構，密封圈材料為FM-2D，壓縮率 γ 取值 6.25%～ 30.00% ，參考相關標準，固定密封壓縮率一般為18%～22% ，最小允許 11% ，密封圈名義值符合HB/Z4一1995要求，極限狀態下不滿足最小壓縮率不小于 11% 的要求。可能導致結合面密封失效。

3.2.2端蓋變形。某高壓齒輪泵殼體與端蓋間的結合面密封是通過密封圈與密封槽、端面在過盈情況下形成的密封帶實現的。若使用過程中殼體、端蓋發生變形，會導致密封圈壓縮率發生變化，無法實現有效密封，造成齒輪泵局部泄漏。

運用ANSYS軟件，模擬某高壓齒輪泵在高轉速、高壓力、 工況下的形變量。在未考慮端蓋與系統法蘭面的安裝工況的情況下，經仿真分析，端蓋變形量約為 0.3mm ，如圖5所示。

圖3密封結構不合理故障樹

圖4緊固方式不合理故障樹

圖5某高壓齒輪泵端蓋變形云圖

為驗證產品使用后殼體、端蓋的形變情況，廠內采用新配套的齒輪泵進行試驗驗證。產品試驗前后對殼體、端蓋平面度進行測量，試驗前殼體和上、下端蓋平面度均符合設計要求，試驗后殼體平面度合格，上、下端蓋平面度超差，具體見表3。

表3試驗前后殼體及上、下端蓋平面度實測數據

3.2.3結合面螺釘擰緊方式不合理。高壓齒輪泵安裝到系統法蘭面上，通過如圖6所示的4個螺釘緊固，同時4個螺釘壓緊上端蓋、殼體、下端蓋，使各結合面之間零件貼合，實現密封圈過盈配合，形成密封帶，從而實現結合面的靜密封。螺釘的擰緊順序會影響端面密封結構各個部位的受力情況，合理的擰緊順序會使端面密封結構的各部位均勻受壓，若擰緊順序不合理，可能會導致密封面局部壓力過大或者過小，無法形成有效密封。

圖6螺釘孔位置

為驗證螺釘擰緊方式對密封性的影響，進行了相關試驗，齒輪泵安裝螺釘擰緊方式見表4，發現擰緊方式3、4可以改善結合面密封滲漏情況。

表4螺釘擰緊方式

3.2.4螺釘布局不合理。某高壓齒輪泵4個螺釘安裝位置為圖6中 4，8，0，0 所示，E、F過油孔在螺釘安裝區域外側。在產品工作過程中，隨著內部壓力升高，上、下端蓋外側（E、F位置）會發生微量變形，導致過油孔E、F位置的密封圈無法壓緊，出現滲油現象。

由以上分析排查結果可知，某高壓齒輪泵結合面漏油的主要原因是極限狀態下矩形密封圈壓縮率偏小和緊固螺釘布局不合理使得產品工作過程中端蓋發生微量變形，次要原因是螺釘擰緊方式不合理。

4改進方案設計及驗證

4.1改進方案設計

通過前文分析可知，高壓齒輪泵漏油的原因有3個： ① 壓縮率設計合理； ② 螺釘布局不合理，高壓下端蓋發生形變； ③ 螺釘擰緊方式不合理。針對以上原因，高壓齒輪泵的改進方案如下。

① 優化密封圈壓縮率。參考相關標準，優化密封圈壓縮率至 18.1%～27.5% 。

② 優化端蓋強度。高壓齒輪泵上下端蓋材料為2A12，由于空間限制，無法增加厚度。將材料更改為TC4，提高材料強度，優化密封性。

③ 優化螺釘緊固方式。根據螺釘擰緊方式對密封性影響的試驗結果，明確某高壓齒輪泵螺釘的緊固方式為對角、逐步擰緊，對角方式 D），先擰緊至 2N?m，6N?m，11N?m 0

4.2 試驗驗證

根據上文中的改進方案生產一臺某高壓齒輪泵，并對該產品進行性能試驗、高低溫試驗及振動試驗。試驗結果表明，各結合面密封性良好。

5結論

本研究通過運用故障樹分析工具查找某高壓齒輪泵結合面密封漏油故障原因，并對各影響因素進行理論分析、有限元分析和優化試驗驗證，成功解決了高壓齒輪泵結合面密封漏油問題。研究表明，密封端蓋變形量、密封圈壓縮率及結合面密封結構的螺釘緊固方式是影響高壓齒輪泵結合面密封性的關鍵因素。通過優化密封結構設計使密封圈壓縮率為 18.1%～27.5% ，提高零件強度和優化緊固螺釘擰緊方式為對角/逐步擰緊等措施，可以有效提高高壓齒輪泵結合面密封性能，確保其在高壓、高速的工作條件下穩定可靠運行。

參考文獻：

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