高压齿轮泵.doc

高压齿轮泵结构原理及维护与保养1.高压齿轮泵的结构原理齿轮泵的概念是很简单的，即它的最基本形式就是两个尺寸相同的齿轮在一个紧密配合的壳体内相互啮合旋转，这个壳体的内部类似“8”字形，两个齿轮装在里面，齿轮的外径及两侧与壳体紧密配合。来自于挤出机的物料在吸入口进入两个齿轮中间，并充满这一空间，随着齿的旋转沿壳体运动，最后在两齿啮合时排出。在术语上讲，齿轮泵也叫正排量装置，即像一个缸筒内的活塞，当一个齿进入另一个齿的流体空间时，液体就被机械性地挤排出来。因为液体是不可压缩的，所以液体和齿就不能在同一时间占据同一空间，这样，液体就被排除了。由于齿的不断啮合，这一现象就连续在发生，因而也就在泵的出口提供了一个连续排除量，泵每转一转，排出的量是一样的。随着驱动轴的不间断地旋转，泵也就不间断地排出流体。图1所示为齿轮泵外观图和内部结构图。图1 齿轮泵外观图和内部结构图高压齿轮泵的工作压力是指它的输出压力。即油液为了克服阻力（包括管道阻力，运动件的摩擦阻力和外加负载等）所必须建立起来的压力。阻力增大，则压力升高，反之，压力降低。所以高压齿轮泵的工作压力决定于外加负载的大小。高压齿轮泵额定压力是指在保证泵的容积效率、使用寿命和额定转速的前题下，泵连续运转时所允许使用的最大的压力，超过此值就是过载。高压齿轮泵有外啮合和内啮合两种。1.1外啮合高压齿轮泵外啮合齿轮泵结构如图2所示，一对啮合着的、齿数相同的齿轮安装于壳体内部，齿轮的两端面由端盖密封，这样两个齿轮就在壳体内腔分成了左右两个密封的油腔，并且每个齿间都形成一个密封的工作容积。当齿轮按图示方向旋转时，轮齿从右侧出啮合，露出齿间，使该腔容积增大，形成局部真空，油箱中的油液在大气压的作用下，经液压泵的吸油管进入右腔（吸油腔），完成吸油过程随着齿轮的转动，每个轮齿的齿间把油液从右腔带入左腔。轮齿在左腔进入啮合，齿间被对方的轮齿占据了位置，于是容积减小，齿间里的油液逐渐被挤出，使左腔的油压升高，油液从排油口输出，完成压油过程，而左腔即是泵的排油腔。两齿轮不断地转动，泵的吸油口和排油口便连续不断地吸油与排油，使泵不停的向系统供油。外啮合齿轮泵的结构形式有多种，以下进行简单的分析：从外观上，可分两开式和三开式；两开式就是只有前盖和泵体，齿轮和轴套都在泵体里，三开式就是分成三部分（前盖、中间体和后盖），齿轮在中间体内；从齿轮泵的间隙补偿的形式上，可分为固定间隙式，轴向间隙补偿等；固定间隙式结构一般用于低压齿轮泵，由于随着压力的提高，卸漏量加大，泵的效率就会降的很低甚至建立不起压力，轴向间隙补偿和径向间隙补偿可解决这一问题，可以保证在较高的压力下有高的效率；还有浮动侧板和浮动轴套，以及采用滚针轴承和DU衬套等结构形式。不同的结构对于齿轮泵的性能有不同的影响。图2CBB齿轮泵的结构1-轴承外环 2-堵头 3-滚子 4-后泵盖 5-键 6-齿轮 7-泵体8-前泵盖 9-螺钉 10-压环11-密封环 12-主动轴 13-键 14-泻油孔15-从动轴 16-泻油槽 17-定位销1.2内啮合高压齿轮泵内啮合齿轮泵由于具有结构简单紧凑，流量、压力脉动小，功率重量比高，噪声低的特点，在行走机械、组合机床等工业领域得到广泛应用。工业技术的进步以及主机、系统性能指标的提升，对内啮合齿轮泵的承载能力、噪声等级以及容积效率提出了更高的要求。目前，国内生产的内啮合齿轮泵最高工作压力只有12.5MPa，通过双泵级联，可使内啮合齿轮泵输出压力达到25M Pa，不过复杂的级联结构降低了泵的可靠性，并且由于补偿装置的缺陷，双级泵的容积效率与机械效率远远低于单级高压内啮合齿轮泵。以ICP型单级高压低噪声内啮合齿轮泵为例，介绍其工作原理。IGP型内啮合齿轮泵主要由前、后端盖，泵体，齿轮，齿圈，前、后补偿盘，月牙块，支撑轴以及DU轴承组成，如图3所示。月牙块和支撑轴组成径向间隙补偿机构，将齿圈和齿轮围成的密闭空间分割成低压腔和高压腔两部分。齿圈上开有径向通油孔，使低压腔与高压腔分别与泵的进油口和出油口相通。当齿轮沿顺时针方向旋转时，齿轮和齿圈相配对的齿在低压腔逐渐退出啮合，使低压腔容积增大，从而实现泵的吸油机能；在高压腔，齿轮的齿连续挤入齿圈的齿间，使高压腔容积减小，从而实现泵的排油机能，输出流量和压力。前、后补偿盘组成轴向密封机构，通过将高压油引入补偿盘压力腔，可使补偿盘紧贴齿轮、齿圈和月牙块的两侧面，抑制高压油通过侧向平面间隙向低压腔渗漏，实现泵轴向间隙的自动补偿。图3 IGP型内啮合齿轮泵结构简图内啮合齿轮泵泵体内表材料一般为铸铁或铝合金，承载能力相对较低。随着泵工作压力的提高以及齿轮转速的增加，合力F幅值增大，使滑动轴承副负荷加大，相对滑动表而逐渐由油膜润滑过渡为边界摩擦，最终造成；壳体内表而的咬合破坏。因此为提高泵的工作压力和承载能力，需对该合力F进行补偿，ICP型内啮合齿轮泵的具体补偿方法如图4所示。泵体内表而上设置有一静压容腔，其方向正对合力F，且与泵出油口和齿圈内高压腔相通。该容腔与齿圈外表而贴合，形成一静压支撑结构。图4 齿圈静压支撑结构示意图2.高压齿轮泵驱动装置齿轮泵由一个独立的电机驱动，可有效地阻断上游的压力脉动及流量波动。在齿轮泵出口处的压力脉动可以控制在1%以内。在挤出生产线上采用一台齿轮泵，可以提高流量输出速度，减少物料在挤出机内的剪切及驻留时间。外啮合齿轮泵是应用最广泛的一种齿轮泵，一般齿轮泵通常指的就是外啮合齿轮泵。它的结构主要有主动齿轮、从动齿轮、泵体、泵盖和安全阀等组成。泵体、泵盖和齿轮构成的密封空间就是齿轮泵的工作室。两个齿轮的轮轴分别装在两泵盖上的轴承孔内，主动齿轮轴伸出泵体，由电动机带动旋转。外啮合齿轮泵结构简单、重量轻、造价低、工作可靠、应用范围广。齿轮泵工作时，主动轮随电动机一起旋转并带动从动轮跟着旋转。当吸入室一侧的啮合齿逐渐分开时，吸入室容积增大，压力降低，便将吸人管中的液体吸入泵内；吸入液体分两路在齿槽内被齿轮推送到排出室。液体进入排出室后，由于两个齿轮的轮齿不断啮合，使液体受挤压而从排出室进入排出管中。主动齿轮和从动齿轮不停地旋转，泵就能连续不断地吸入和排出液体。泵体上装有安全阀，当排出压力超过规定压力时，输送液体可以自动顶开安全阀，使高压液体返回吸入管。内啮合齿轮泵，它由一对相互啮合的内齿轮及它们中间的月牙形件、泵壳等构成。月牙形件的作用是将吸入室和排出室隔开。当主动齿轮旋转时，在齿轮脱开啮合的地方形成局部真空，液体被吸入泵内充满吸入室各齿间，然后沿月牙形件的内外两侧分两路进入排出室。在轮齿进入啮合的地方，存在于齿间的液体被挤压而送进排出管。3.高压齿轮泵与普通齿轮泵的区别高压齿轮泵与普通齿轮泵有以下几方面区别：(1)高压齿轮泵的外形采用长方形五片组合式，外型易加工、整齐美观；(2)高压齿轮泵的噪声低，最大负荷工作时的噪声值可达产品标准的A级（普通齿轮泵一般在B、C级）；(3)高压齿轮泵的容积效率可达95%，属于节能产品（普通泵一般在50%-80%之间）；(4)高压齿轮泵能在低转速(125r/min)下恒压力工作，容积效率仍可达85%以上，这是普通精度的齿轮泵所达不到的，它特别适用于使用变频器改变泵转速来控制泵流量的节能安装场合，由于能利用变频调速来调节流量，可使泵在低转速低耗能范围下工作期间，节电率可达50%左右，取得节能降耗的效果；(5)高压齿轮泵的寿命也得到延长；(6)高压齿轮泵内回转件都是选用特合金材料制造，一般情况下抗杂质能力强不易磨损；(7)吸入扬程可达8m，属于高吸程齿轮泵。型式试验时，泵吸入油口为-0.085MPa时泵仍能正常工作；(8)高压齿轮泵的密封好，泵体、泵盖的面与面之间没有调整间隙的纸垫，齿轮的端面间隙完全靠零件的尺寸和形状精度来保证，泵的密封采用多级组合式密封系统，泵轴端漏油的几率很低。4.高压齿轮泵的工作特点(1)困油现象原因：液压油在渐开线齿轮泵运转过程中，因齿轮相交处的封闭体积随时间改变，常有一部分的液压油被密封在齿间，如图所示，称为困油现象，因液压油不可压缩将使外接齿轮产生极大的振动和噪声，影响系统正常工作。 图5 困油现象 图6 卸荷槽措施：在前后盖板或浮动轴套上开卸荷槽，开设卸荷槽的原则：两槽间距为最小闭死容积，而使闭死容积由大变小时与压油腔相通，闭死容积由小变大时与吸油腔相通。(2)泄漏现象齿轮泵的泄漏较大，外啮合齿轮运转时泄漏途径有以下三点：一为齿轮顶隙，其次为测隙，第三为啮合间隙。其中端面侧隙泄漏较大，占总泄漏量的80%-85%，当压力增加时，前者不会改变，但后者挠度大增，此为外啮合齿轮泵泄漏最主要的原因，容积效率较低，故不适合用作高压泵。解决方法：端面间隙补偿采用静压平衡措施，在齿轮和盖板之间增加一个补偿零件，如浮动轴套、浮动侧板。图7 浮动侧板(3)受力不均衡现象右侧是压油腔，左侧是吸油腔，两腔的压力是不平衡的；另外压油腔因齿顶泄漏，其压力为递减。两不均衡压力作用于齿轮和轴一径向不平衡压力，油压越高，该力越大，加速轴承磨损，降低轴承寿命，使轴弯曲，加大齿顶与轴孔磨损。防止措施：采用压力平衡槽或缩小压油腔。图8 受力不均衡现象5.影响高压齿轮泵效率的因素(1)工作压力的变化对泵效率的影响。如图9所示，泵的输出压力P，升高，容积效率下降、机械效率上升、总效率有一极大值，对应于泵总效率最高点的压力P。就是泵的最佳工作压力。(2)排量变化对效率的影响。泵的排量增加，容积效率上升，机械效率上升，故总效率也上升。效率随排量变化的曲线如图9所示。(3)转速对效率的影响。在行走车辆中使用的液压泵，转速经常有大幅度的变化。效率与转速的关系曲线如图9所示。从图中可以看出，转速升高，泵的容积效率升高，机械效率下降，总效率有极大值。对应于最高效率的转速nopt称为最佳工作转速。(4)油液温度对泵效率的影响。泵的效率随油温变化的曲线如图9所示。如果矿物油做工作介质，其粘度随温度变化较大。温度升高，粘度降低，而且每种油液都有不同的粘度温度曲线，因此效率随温度变化也较大。但其总的趋势是油温升高，容积效率降低，总效率降低，机械效率变化较小。这说明由粘度引起的摩擦转矩损失较小。图9 泵的效率随排量、转速、油温变化的曲线6.性能提高方法(1)提高齿轮油泵性能的可行回路齿轮油泵因受定排量的结构限制，通常认为齿轮泵仅能作恒流量液压源使用。在泵上直接安装控制阀，可省去泵与方向阀之间管路，从而控制了成本。较少管件及连接件可减少泄漏，从而提高工作可靠性。而且泵本身安装阀可降低回路的循环压力，提高其工作性能。下面是一些可提高齿轮泵基本功能的回路，其中有些是实践证明可行的基本回路，而有些则属创新研究。 (2)卸载回路卸载元件将在大流量泵与小功率单泵结合起来。液体从两个齿轮油泵因受定排量的结构限制，通常认为齿轮泵仅能作恒流量液压源使用.齿轮油泵因受定排量的结构限制，通常认为齿轮油泵仅能作恒流量液压源使用。然而，附件及螺纹联接组合阀方案对于提高其功能、降低系统成本及提高系统可靠性是有效的，因而，齿轮油泵的性能可接近价昂、复杂的柱塞泵。这时，大流量泵便把流量从其出口循环到入口，从而减少了该泵对系统的输出流量，即将泵的功率减少至略高于高压部分工作的所需值。流量降低的百分比取决于此时未卸载排量占总排量的比率。组合或螺纹联接卸载阀减少乃至消除了管路、孔道和辅件及其它可能的泄漏。(3)优先流量控制不论齿轮油泵的转速、工作压力或支路需要的流量大小，定值一次流量控制阀总可保证设备工作所需的流量。在图7所示的这种回路中，泵的输出流量必须大于或等于一次油路所需流量，二次流量可作它用或回油箱。定值一次流量阀（比例阀）将一次控制与液压泵结合起来，省去管路并消除外泄漏，故降低了成本。此种齿轮泵回路的典型应用是汽车起重机上常可见到的转向机构，它省去了一个泵。负载传感流量控制阀的功能与定值一次流量控制的功能十分相近：即无论泵的转速、工作压力或支路抽需流量大小，均提供一次流量。但仅通过一次油口向一次油路提供所需流量，直至其最大调整值。此回路可替代标准的一次流量控制回路而获得最大输出流量。因无载回路的压力低于定值一次流量控制方案，故回路温升低、无载功耗小。负载传感比列流量控制阀与一次流量控制阀一样，其典型应用是动力转向机构。(4)旁路流量控制对于旁路流量控制，不论泵的转速或工作压力高低，泵总按预定最大值向系统供液，多余部分排回油箱或泵的入口。此方案限制进入系统的流量，使其具有最佳性能。其优点是，通过回路规模来控制最大调整流量，降低成本；将泵和阀组合成一体，并通过泵的旁通控制，使回路压力降至最低，从而减少管路及其泄漏。旁路流量控制阀可与限定工作流量（工作速度）范围的中团式负载传感控制阀一起设计。此种型式的齿轮泵回路，常用于限制液压操纵以使发动机达最佳速度的垃圾运载卡车或动力转向泵回路中，也可用于固定式机械设备。(5)干式吸油阀干式吸油阀是一种气控液压阀，它用于泵进油节流，当设备的液压空载时，仅使极小流量（ 18.9t/min）通过泵；而在有负载时，全流量吸入泵。如图10所示，这种回路可省去泵与原动机间的离合器，从而降低了成本，还减小了空载功耗，因通过回路的极小流量保持了设备的原动机功率。另外，还降低了泵在空载时的噪声。干式吸油阀回路可用于由内燃机驱动的任何车辆中开关式液压系统，例如垃圾装填卡车及工业设备。(6)液压泵方案的选择齿轮油泵的工作压力已接近柱塞泵，组合负载传感方案为齿轮泵提供了变量的可能性，这就意味着齿轮泵与柱塞泵之间原本清楚的界限变理愈来愈模糊了。合理选择液压泵方案的决定因素之一，是整个系统的成本，与价昂的柱塞泵相比，齿轮泵以其成本较