齒輪泵因結(jié)構(gòu)簡單、易加工、自吸能力強(qiáng)以及對油液污染不敏感等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于船舶、機(jī)床、國防、采礦、汽車、冶金等[1]領(lǐng)域。目前，國內(nèi)外已開展了齒輪泵間隙[2]、泵體結(jié)構(gòu)[3]、軸向間隙補(bǔ)償[4]、徑向壓力平衡、自吸性能[5]、浮動(dòng)軸套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高轉(zhuǎn)速齒輪泵主動(dòng)供油系統(tǒng)以及關(guān)于液壓系統(tǒng)的氣蝕問題及預(yù)防措施[6]等方面的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：齒輪泵轉(zhuǎn)速越高，其吸油腔真空度越高，自吸性能越好，但隨著齒輪泵轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高，由于齒廓間油液的離心運(yùn)動(dòng)，齒輪泵會(huì)產(chǎn)生一定的吸空現(xiàn)象，導(dǎo)致油液內(nèi)部溶解的氣體析出從而產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象。研究人員雖已對齒輪泵的真空度以及過度真空產(chǎn)生氣穴的情況進(jìn)行了研究，也為消除齒輪泵高轉(zhuǎn)速工況下產(chǎn)生氣穴提出了主動(dòng)供油系統(tǒng)的解決方案，但對因主動(dòng)供油系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力對齒輪泵軸封的可靠性沒有很好的解決方案，基本上從提高軸封的耐壓能力予以著手，有些耐壓油封的耐壓值達(dá)到了10MPa以上，但因其工作原理導(dǎo)致在高轉(zhuǎn)速工況下極易磨損失效產(chǎn)生故障，從而影響主機(jī)的可靠性和齒輪泵的使用壽命。本文以外嚙合齒輪泵為研究對象，闡述了齒輪泵結(jié)構(gòu)特征及其工作原理，分析了齒輪泵自吸和主動(dòng)供油系統(tǒng)工況之間的不同關(guān)系，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)驗(yàn)積累實(shí)現(xiàn)了多種優(yōu)化方法的分析和應(yīng)用。本文為應(yīng)用于一種主動(dòng)供油系統(tǒng)的進(jìn)油正壓、高轉(zhuǎn)速、寬溫域高壓力輸出雙聯(lián)齒輪泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
氣穴是指流動(dòng)的油液在局部位置壓力下降（流速高或者壓力低真空）達(dá)到飽和蒸氣壓或空氣分離壓時(shí)，產(chǎn)生空氣的分離而形成大量氣泡的現(xiàn)象。當(dāng)再次從局部低壓流向高壓區(qū)時(shí)，氣泡破裂消失，在破裂消失過程產(chǎn)生局部高壓和高溫，出現(xiàn)振動(dòng)和發(fā)出不規(guī)則的噪聲，金屬表面被氧化剝蝕，這種現(xiàn)象叫氣穴，又叫氣蝕。氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生對主機(jī)系統(tǒng)有極其嚴(yán)重的危害性，因而必須予以采取相應(yīng)的預(yù)防措施。
某些主機(jī)系統(tǒng)由于內(nèi)部空間狹小，必須通過提高齒輪泵的工作轉(zhuǎn)速以達(dá)到系統(tǒng)流量需求。由于高轉(zhuǎn)速齒輪泵容易形成吸空，導(dǎo)致氣穴現(xiàn)象發(fā)生。因而，在此類主機(jī)系統(tǒng)中均采用主動(dòng)正壓供油系統(tǒng)，為了保持供油的穩(wěn)定性，一般設(shè)置一定的供油壓力以保證齒輪泵的進(jìn)油腔無低壓真空現(xiàn)象的產(chǎn)生。主動(dòng)供油系統(tǒng)原理如圖1所示。
1.雙向結(jié)構(gòu)雙聯(lián)泵（小排量）3-1、3-2、3-3.溫度計(jì) 4-1、4-2.流量計(jì)5-1、5-2、5-3.溢流閥 6-1、6-2.加熱器 7-1、7-2.散熱8.増壓補(bǔ)油泵（大排量） 11-1、11-2.油箱 12-1、12-2、12-3.真空表主動(dòng)供油系統(tǒng)中，工作泵為小排量高轉(zhuǎn)速齒輪泵，其進(jìn)油口和增壓補(bǔ)油泵出油口相連通，齒輪泵的旋轉(zhuǎn)軸封處始終承受系統(tǒng)設(shè)定的補(bǔ)油壓力，一般為2.5MPa左右。而且根據(jù)旋轉(zhuǎn)油封的使用特性，在高壓工況下，其允許運(yùn)行轉(zhuǎn)速將大幅下降。齒輪泵旋轉(zhuǎn)油封裝配位置典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。
由圖2所示可知，齒輪泵軸伸直徑d，其工作轉(zhuǎn)速為n，油封唇口承壓環(huán)帶直徑為D，寬度為B，如果設(shè)定主軸和油封唇口的摩擦系數(shù)為μ，油封唇口處油壓為p入，設(shè)定此處油封唇口彈簧力為F彈，唇口橡膠變形張力為F張，則可以得出此處摩擦副所受延徑向的總法向力為：根據(jù)上述公式，我們可以得出影響油封唇口摩擦力的要素主要有三個(gè)方面，一是由軸頸粗糙度和油封唇口材料之間形成的摩擦副對應(yīng)的摩擦系數(shù)μ，二是油封設(shè)計(jì)形成彈簧力F彈和橡膠變形張力為F張以及唇口結(jié)構(gòu)π×D×B承壓環(huán)帶面積，三是油封唇口處的油液輸入壓力p入。常規(guī)齒輪泵在油封唇口處由于齒輪泵的自吸形成真空，因而油封唇口一般在結(jié)構(gòu)上設(shè)置彈簧和一定的壓縮量使其緊密貼合齒輪軸伸，此處油壓一般為負(fù)值，可以忽略。因而油封唇口所受壓力為唇口彈簧力和橡膠壓縮變形張力之和。即：在主動(dòng)供油系統(tǒng)中，由于供油壓力的存在，油封唇口處F總因存在p入而大幅增加，在高轉(zhuǎn)速工況下，此處產(chǎn)生大量的摩擦熱能。其計(jì)算公式如下： 實(shí)際工況中，因供油壓力的存在，F總大幅增加，由于高轉(zhuǎn)速應(yīng)用工況的需求，行程s值較常規(guī)齒輪泵大，因而在唇口將產(chǎn)生大量摩擦熱能。由于供油壓力的存在，油封唇口處的油液不能因齒輪泵自吸返回進(jìn)油口，此處的熱量無法有效帶走產(chǎn)生高溫，從而導(dǎo)致油封唇口老化（見圖3）密封失效以及燒軸（見圖4）等故障的發(fā)生，產(chǎn)品故障率高，使用壽命短。
常規(guī)齒輪泵因結(jié)構(gòu)適應(yīng)性以及內(nèi)部參數(shù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足等問題，在實(shí)際使用中已經(jīng)出現(xiàn)了螺栓斷裂（見圖5），軸套燒蝕（見圖6），雙聯(lián)齒輪泵連接套磨損（見圖7），容積效率下降過快等多種故障。為了提高齒輪泵的應(yīng)用前景，要求齒輪泵需具有向?qū)挏赜颍?43℃~150℃）高功率密度（高壓、高速、小型化）方向發(fā)展的能力。
如圖3~圖5，產(chǎn)品在工作過程將產(chǎn)生軸封漏油、片間漏油以及不建壓等影響主機(jī)使用性能或者直接造成停機(jī)等嚴(yán)重故障，圖6、圖7由于承載能力不足產(chǎn)生微動(dòng)磨損影響產(chǎn)品使用壽命和可靠性。為了有效解決上述故障現(xiàn)象，提高產(chǎn)品的承載能力和使用壽命，滿足特殊工況的可靠性需求，我們從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，齒輪參數(shù)，材料應(yīng)用等多方面予以分析解決。
2.1 軸套采用雙向密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決齒輪泵進(jìn)油腔道正壓油封不承受高壓問題
常規(guī)齒輪泵浮動(dòng)軸套內(nèi)部密封采用高、低壓區(qū)分開，單旋轉(zhuǎn)方向的密封方式，其進(jìn)油口的壓力不允許高于0.3MPa。對于齒輪泵進(jìn)油腔道正壓供油，當(dāng)齒輪泵進(jìn)油口壓力為2.5MPa，這就需要油封的耐壓大于2.5MPa至3MPa以上，這種方案由于進(jìn)油腔道通過軸套背面回油槽處和旋轉(zhuǎn)密封腔道的接通（見圖8）。因而，進(jìn)油腔道的壓力和壓力波動(dòng)將直接傳遞到旋轉(zhuǎn)油封處，對油封的要求較高，在高溫、高壓、高速的情況下容易產(chǎn)生泄漏，造成齒輪泵漏油故障，可靠性差。
根據(jù)齒輪泵工作原理的幾何模型，抽取流體域作為流體仿真計(jì)算的區(qū)域，流體域共分成三部分：入口流域、泵內(nèi)齒輪傳動(dòng)流域以及出口流域。大致可以得到如圖9所示的流線圖和壓力云圖。
為了解決主動(dòng)供油系統(tǒng)齒輪泵軸封的可靠性問題，采用一種雙向密封結(jié)構(gòu)方案，在軸套的背面將壓力區(qū)分為4個(gè)區(qū)，低壓區(qū)、高壓區(qū)和2個(gè)次高壓區(qū)（見圖10），這種方案通過內(nèi)部異形密封圈將齒輪泵進(jìn)油腔道和旋轉(zhuǎn)密封腔道隔離，進(jìn)油腔道即使高壓也不會(huì)對旋轉(zhuǎn)密封腔造成影響，有效提高了旋轉(zhuǎn)密封的可靠性，同時(shí)通過縮小高壓區(qū)面積降低了浮動(dòng)軸套的傾覆力矩，增加了軸套的平衡性能，降低齒輪徑向液壓不平衡力，改善齒輪和齒輪軸所受力情況。
2.2 增加泄油口解決高溫導(dǎo)致的油封唇口老化、油封失效問題
后蓋端增加泄漏油口結(jié)構(gòu)如圖11所示，充分利用產(chǎn)品內(nèi)部循環(huán)機(jī)構(gòu)的泄漏油對各重要摩擦副形成有效潤滑，由高壓區(qū)至低壓區(qū)產(chǎn)生的內(nèi)泄油液與泄油口的無壓力形成壓差，促使泄漏油的循環(huán)（如圖11中的循環(huán)回油腔道），從而通過外泄形式及時(shí)將各摩擦副產(chǎn)生的熱量充分散熱、排出，也確保了齒輪泵油封處的壓力和系統(tǒng)回油管路壓力一致，不超0.5MPa，油封唇口可靠性得到大幅提高。
優(yōu)化后的主機(jī)主動(dòng)供油系統(tǒng)工作原理如圖12所示。
1.雙向結(jié)構(gòu)雙聯(lián)泵（小排量）3-1、3-2、3-3.溫度計(jì) 4-1、4-2.流量計(jì)5-1、5-2、5-3.溢流閥 6-1、6-2.加熱器 7-1、7-2.散熱器 8.増壓補(bǔ)油泵（大排量）11-1、11-2.油箱 12-1、12-2、12-3.真空表圖12 優(yōu)化后的主機(jī)主動(dòng)供油系統(tǒng)工作原理
3.1 采用五段式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，縮短雙聯(lián)泵總體長度提高整體剛度
整體結(jié)構(gòu)采用前蓋、前泵體、聯(lián)結(jié)板、后泵體、后蓋五段式結(jié)構(gòu)（如圖13）。更改常規(guī)產(chǎn)品（如圖14）的六段式雙連接板十字接頭連接方案（如圖15）為花鍵軸傳動(dòng)單連接板（如圖16）形式，有效減小齒輪泵的軸向尺寸，提高功率傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，切實(shí)提高了產(chǎn)品的功率密度水平。避免了如圖7所示十字接頭和連接扁鍵早期磨損故障的發(fā)生，提高了產(chǎn)品的承載能力和可靠性。
1.前泵主動(dòng)齒輪 2.前蓋 3.前泵體4.浮動(dòng)軸套 5.聯(lián)結(jié)板 6.后泵體 7.后泵主動(dòng)齒輪 8.花鍵軸 9.后蓋 10.從動(dòng)齒輪（五段指2、3、5、6、9外形結(jié)構(gòu)）
圖14 常規(guī)齒輪泵外形結(jié)構(gòu)
圖15 十字接頭雙連接板結(jié)構(gòu)圖
3.2 齒輪參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[7]提高承載能力，解決產(chǎn)品高壓、高溫工況下容積效率低問題采用小模數(shù)多齒雙嚙合齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行三維仿真，模擬齒輪嚙合狀況，確定齒輪雙嚙合狀況最佳公法線工藝控制參數(shù)（見圖17），提高齒輪的承載能力。
圖17 齒輪三維參數(shù)化設(shè)計(jì)齒輪軸頸采用大模數(shù)系列產(chǎn)品軸頸尺寸，有效提高齒輪軸頸的抗撓度變形，增加了低溫環(huán)境啟動(dòng)扭矩性能。齒輪采用滾、剃齒形修形工藝優(yōu)化，改變齒輪齒面嚙合的應(yīng)力變形，有效降低齒輪嚙合噪聲（如圖18）[8]。
3.3 優(yōu)化浮動(dòng)軸套高壓區(qū)設(shè)計(jì)提高產(chǎn)品軸向承載能力采用縮小高壓區(qū)雙向密封結(jié)構(gòu)（如圖8和圖10所示）。通過對單向和雙向密封結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計(jì)的齒輪泵高壓、次高壓、低壓區(qū)域，有效降低齒輪承受的徑向液壓不平衡力。同時(shí)也減少了齒輪泵內(nèi)部高壓區(qū)面積，齒輪泵安裝螺栓承受高壓沖擊載荷狀況得到很好改善，增加了產(chǎn)品的整體剛度，避免出現(xiàn)螺栓斷裂故障（如圖5）。通過三維模擬齒輪雙面嚙合困油區(qū)間（如圖19），精確計(jì)算卸荷槽尺寸，優(yōu)化卸荷槽的高低溫、高速、高壓工況下的有效卸荷性能。
（1）采用氫化丁腈橡膠密封材料和PTFE組合油封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決寬溫域工況密封有效性問題。
旋轉(zhuǎn)油封采用聚四氟乙烯特制油封以及特殊的唇口設(shè)計(jì)使產(chǎn)品滿足高轉(zhuǎn)速（4000r/min）以及低溫性能需求。氫化丁腈橡膠異形密封圈以及低塑性尼龍材料擋條組合式內(nèi)密封結(jié)構(gòu)滿足產(chǎn)品、正壓（2.5MPa）和寬溫域（-45℃～150℃）使用要求。（2） 內(nèi)部雙向浮動(dòng)軸套密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決低溫高黏度啟動(dòng)扭矩大以及高溫低黏度內(nèi)部泄漏大問題。對齒輪泵的間隙和內(nèi)泄漏方面的研究,國內(nèi)有很多。關(guān)于外嚙合齒輪泵內(nèi)泄漏理論模型的建立及參數(shù)優(yōu)化[9]均有所涉及。在低溫環(huán)境下，鋁合金泵體、浮動(dòng)軸套和合金鋼齒輪由于材料特性不同，低溫環(huán)境下收縮率差異較大。隨著環(huán)境溫度降低，齒輪泵體內(nèi)壁與齒頂間間隙以及泵體厚度與齒輪厚度和浮動(dòng)軸套厚度間形成的軸向間隙將逐步減小，在低溫運(yùn)行時(shí)齒輪旋轉(zhuǎn)切割鋁殼和軸套端面，不合適的間隙，造成泵體孔掃膛面以及軸套和齒輪間摩擦副面的破壞。恢復(fù)常溫后，齒輪泵的容積效率將大幅下降。通過大量的試驗(yàn)和仿真分析，我們發(fā)現(xiàn)在高溫時(shí)，由于油液黏度的降低，齒輪泵的內(nèi)泄加大，但當(dāng)隨著溫度的升高，齒輪泵油液黏度下降有限，泄漏量總體變化不大。原因是高溫下， 油液黏度變小， 在不變的間隙下，泄漏已經(jīng)達(dá)到相應(yīng)的臨界值，幾乎接近泄漏的最大值，所以隨著溫度再增高，泄漏量變化不大。為了使產(chǎn)品具有低溫工況下的啟動(dòng)低摩性，降低低溫下油液高黏度以及摩擦副間因間隙過小導(dǎo)致失效的可能性，減少產(chǎn)品高溫工況下泄漏量滿足產(chǎn)品高溫高效使用性能。結(jié)合小高壓區(qū)和雙向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，通過仿真和對比試驗(yàn)最終確定合理的徑向間隙和軸向間隙配合尺寸。并確定了三種壓力區(qū)間密封區(qū)域的分布和組合密封結(jié)構(gòu)內(nèi)部密封形式，提高了大軸向間隙配合下齒輪泵端面密封的有效性。具體密封結(jié)構(gòu)和區(qū)間劃分如圖20所示。
通過對主動(dòng)供油系統(tǒng)工況以及齒輪泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究，綜合國內(nèi)外相關(guān)專業(yè)研究機(jī)構(gòu)對高流速導(dǎo)致氣穴現(xiàn)象發(fā)生以及高、 低溫液壓系統(tǒng)以及低摩材料方面的研究方案的綜合應(yīng)用。結(jié)合多年的齒輪泵生產(chǎn)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本文很好地解決了齒輪泵的進(jìn)油正壓、高轉(zhuǎn)速、寬溫域以及高可靠性等方面性能需求問題。各項(xiàng)研究內(nèi)容也通過產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用得到很好的驗(yàn)證。結(jié)合現(xiàn)階段綠色電動(dòng)能源的高速發(fā)展也為齒輪泵向高轉(zhuǎn)速、寬溫域以及與變頻電機(jī)組合實(shí)現(xiàn)變流量控制方面的應(yīng)用提供了理論和方法支撐。
