齿轮泵的研究与三维造型设计.doc

一种齿轮泵的研究与三维造型设计-1-第一章概述上至翱翔蓝天的飞机和直冲云霄的人造卫星、宇宙飞船下到地下的钻井、矿藏的开采；从地上奔驰的火车、坦克,到海上航行的舰船和海底的潜艇；从茫茫田野作物的灌溉，到城市生活和生产中的给排水,乃至科学实验,凡是要让液体(甚至固体)流动的地方，就有泵在工作。目前,我国制造的水泵最大直径6米,足可吞进一条大船,每小时的工作量可达35万立方米，大有使河水倒流之势。而最小微型泵的流量还不如常用注射剂，每小时只有几十毫升以下，真是大得汹涌澎湃，小似一点一滴。其工作压可以从常压一直升高到l000个大气压以上，随着离心泵的设计和生产技术日益完善，扬程直接迭选3000米以上的高度易如举手之劳，输送液体的温度变化范围更大，可输低到200以下的液态氧、氢等低温液体,亦可输高达800以上的液态金属和液体，泵输进液体介质种类很多，再把泵仅作抽水的工具来理解,显然已很不全面。当今的泵既可以输送常温清水，也可以输送油液、酸碱液、乳化液和易燃易爆有毒的液体，并已发展到输送带有直径可以大至几百毫米的煤、矿石、鱼、甜菜等固体颗粒的渣体,不产生堵塞,不破坏其本来形状。尽而泵被列为通用机械，它是发展现代化工业、农业、国防技术必不可少的机器之一。1.1泵的发展历史泵是输送液体或使液体增压的机械。它将原动机的机械能或其他外部能量传送给液体，使液体能量增加。泵主要用来输送的液体包括水、油、酸碱液、乳化液、悬乳液和液态金属等，也可输送液体、气体混合物以及含悬浮固体物的液体。水的提升对于人类生活和生产都十分重要。古代就已有各种提水器具，例如埃及的链泵(公元前17世纪)，中国的桔槔(公元前17世纪)、辘轳(公元前11世纪)和水车(公元1世纪)。比较著名的还有公元前三世纪，阿基米德发明的螺旋杆，可以平稳连续地将水提至几米高处，其原理仍为现代螺杆泵所利用。公元前200年左右，古希腊工匠克特西比乌斯发明的灭火泵是一种最原始的活塞泵，已具备典型活塞泵的主要元件，但活塞泵只是在出现了蒸汽机之后才得到迅速发展。18401850年，美国沃辛顿发明泵缸和蒸汽缸对置的蒸汽直接作用的活塞泵，标志着现代活塞泵的形成。19世纪是活塞泵发展的高潮时期，当时已用于水压机等多种机械中。然而随着需水量的剧增，从20世纪20年代起，低速的、流量受到很大限制的活塞泵逐渐被高速的离心泵和回转泵所代替。但是在高压小流量领域往复泵仍占有主要地位，尤其是隔膜泵、柱塞泵独具优点，应用日益增多。回转泵的出现与工业上对液体输送的要求日益多样化有关。早在1588年就有了关于四叶片滑片泵的记载，以后陆续出现了其他各种回转泵，但直到19世纪回转泵仍存一种齿轮泵的研究与三维造型设计-2-在泄漏大、磨损大和效率低等缺点。20世纪初，人们解决了转子润滑和密封等问题，并采用高速电动机驱动，适合较高压力、中小流量和各种粘性液体的回转泵才得到迅速发展。回转泵的类型和适宜输送的液体种类之多为其他各类泵所不及。利用离心力输水的想法最早出现在列奥纳多·达芬奇所作的草图中。1689年，法国物理学家帕潘发明了四叶片叶轮的蜗壳离心泵。但更接近于现代离心泵的，则是1818年在美国出现的具有径向直叶片、半开式双吸叶轮和蜗壳的所谓马萨诸塞泵。18511875年，带有导叶的多级离心泵相继被发明，使得发展高扬程离心泵成为可能。尽管早在1754年，瑞士数学家欧拉就提出了叶轮式水力机械的基本方式奠定了离心泵设计的理论基础，但直到19世纪末，高速电动机的发明使离心泵获得理想动力源之后，它的优越性才得以充分发挥。在英国的雷诺和德国的普夫莱德雷尔等许多学者的理论研究和实践的基础上，离心泵的效率大大提高，它的性能范围和使用领域也日益扩大，已成为现代应用最广、产量最大的泵。齿轮泵结构简单，加工方便，体积小，重量轻，且有自吸能力强、对油液污染不敏感等特性，因而应用较为广泛。1.2齿轮泵的研究现状齿轮泵结构简单，加工方便，体积小，重量轻，且有自吸能力强、对油液污染不敏感等特性，因而应用较为广泛。齿轮泵的主要缺点是径向液压力不平衡，轴承寿命短；流量脉动大，噪声高。另外，其排量不可调节，使用范围受到限制。国内外有关齿轮泵的研究主要集中在以下几个方面。(1)齿轮参数及泵体结构的优化设计；(2)补偿面及齿间油膜的计算机辘助分折；(3)困油冲击及卸荷措施，齿轮泵的困油现象对齿轮泵乃至整个液压系统都产生了很大的危害。困油冲击与齿轮啮合的重叠系数及卸荷是否完全等有很大关系(包括卸荷槽的位置、形状及面积等)；(4)齿轮泵噪声的控制技术；(5)降低齿轮泵的流量脉动的方法，由于齿轮泵的流量脉动较大，在一些要求较高的液压系统中，很少采用齿轮泵。关于降低齿轮泵流量脉动的方法已有很多，如合理选择齿轮的参数；采用剖分式齿轮；采用多齿轮等；(6)轮齿表面涂覆技术及其特点；(7)轮齿弯曲应力及接触疲劳强度的计算，齿轮泵的轮齿弯曲应力及接触疲劳强度计算与一般齿轮转动的弯曲应力及接触疲劳强度计算是有区别的；(8)齿轮泵的变量方法研究；(9)齿轮泵的寿命及其影响因素；(10)齿轮泵高压化的途径，而提高工作压力所带来的问题是：1轴承寿命大大缩短；2泵泄漏加剧，容积效率下降。产生这两个问题的根本原因在于齿轮上作用了不平衡的径向液压力，且工作压力越高，径向液压力越大。目前国内外学者针对以上两个问题所进行的研究是：(1)对齿轮泵的径向间隙进行补偿；(2)减小齿轮泵的径向液压力，如优化齿轮参数，缩小排液口尺寸等；(3)提高轴承承载能力，如采用复合材料滑动轴承代替滚针轴承等,但这些方法都没有从根本上解决问题。一种齿轮泵的研究与三维造型设计-3-1.3齿轮泵的发展趋势液压传动系统正向着快响应、小体积、低噪声的方向发展。为了适应这种要求，齿轮泵除积极采取措施保持其在中低压定量系统、润滑系统等的霸主地位外，尚需向以下几个方向发展：(1)高压化高压化是系统所要求的，也是齿轮泵与柱塞泵、叶片泵竞争所必须解决的问题。齿轮泵的高压化工作已取得较大进展，但因受其本身结构的限制，要想进一步提高工作压力是很困难的，必须研制出新结构的齿轮泵。这方面，多齿轮泵将有很大优势，尤其是平衡式复合齿轮泵。(2)低流量脉动流量脉动将引起压力脉动，从而导致系统产生振动和噪声，这是与现代液压系统的要求不符的。降低流量脉动的方法，除了前面所介绍的措施外，采用内啮合齿轮泵及多齿轮泵(如复合齿轮泵)将是一种趋势。(3)低噪声国外早就有“安静”的液压泵之说。随着人们环保意识的增强对齿轮泵的噪声要求也越来越严格。齿轮泵的噪声主要由两部分组成，一部分是齿轮啮台过程中所产生的机械噪声，另一部分是困油冲击所产生的液压噪声前者与齿轮的加工和安装精度有关，后者则主要取决于泵的卸荷是否彻底。对于外啮台齿轮泵，要实现完全卸荷是很困难的，因此进一步降低泵的噪声受到一定的限制。在这方面内啮合齿轮泵因具有运转平稳、无困油现象、噪声低等特点，因此今后将会有较大发展。(4)大排量对于一些要求快速运动的系统来说，大排量是必需的。但普通齿轮泵排量的提高受到很多因素的限制。这方面，平衡式复台齿轮泵具有显著优势，如1台三惰轮复合齿轮泵的排量相当于6台单泵的排量。(5)变排量齿轮泵的排量不可调节，限制了其使用范围。为了改变齿轮泵的排量，国内外学者进行了大量的研究工作，并取得了很多研究成果。有关齿轮泵变排量方面的专利已有很多，但真正能转化为产品的很少。但不管怎样，齿轮泵的变排量将是一个发展方向。1.4泵的分类一、按泵作用于液体原理分类1、叶片式泵（动力式泵）由泵内叶片在旋转时产生的离心力作用将液体连续的吸入并压出。叶片式泵包括离心泵、混流泵、轴流泵、部分流泵及旋涡泵。2、容积式泵(正排量泵）包括往复式泵和容积式泵。它们分别由泵内活塞作往复运动或转子作旋转运动而产生挤压作用将液体吸入并压出。前者排液过程是间歇的。常一种齿轮泵的研究与三维造型设计-4-见的往复式泵有各种型式活塞泵、柱塞泵及隔膜泵等。常见回转式泵有外啮合齿轮泵、内啮合齿轮泵、螺杆泵、回转径向柱塞泵、回转轴向柱塞泵、滑片泵罗茨泵及液环泵等。3、其它类型泵包括利用流体静压或流体流体动能来输送液体的流体动力泵。如喷射泵、空气升液器、水锤泵等。另外还有利用电磁力输送液体的电磁泵。二、按泵的用途分类按泵的用途可分为进料泵、回流泵、塔底泵、循环泵、产品泵、注入泵、排污泵、燃料油泵、润滑油泵和封液泵等。三、按所适用的介质分类分为清水泵、污水泵、泥浆泵、砂泵、灰渣泵、耐酸泵、碱泵、冷油泵、热油泵、低温泵等。其中液压泵经历了近一个世纪的发展已经比较成熟，因此要求更高的设计工艺水平以及融现代化的最新技术才能达到更完美的阶段。为进一步发展液压泵，下面介绍典型液压泵的工作原理及主要结构特点：表1.1典型液压泵的工作原理及主要结构特点类型结构、原理示意图工作原理结构特点外啮合齿轮泵当齿轮旋转时，在A腔，由于轮齿脱开使容积逐渐增大，形成真空从油箱吸油，随着齿轮的旋转充满在齿槽内的油被带到B腔，在B腔，由于轮齿啮合，容积逐渐减小，把液压油排出利用齿和泵壳形成的封闭容积的变化，完成泵的功能，不需要配流装置，不能变量结构最简单、价格低、径向载荷大