(淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系, 江蘇 淮安　223003)

引言

齒輪泵是一種液壓傳動(dòng)的基礎(chǔ)元件，由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、體積小、制造與維修方便、價(jià)格低、工作可靠、自吸性能好、抗污染能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于農(nóng)機(jī)、汽車(chē)、建筑機(jī)械等作為液壓動(dòng)力源。

齒輪泵市場(chǎng)年需求量很大，生產(chǎn)齒輪泵的廠家眾多，僅在我院所在地淮安市就有十多家齒輪泵生產(chǎn)廠。我市齒輪泵生產(chǎn)廠主要生產(chǎn)市場(chǎng)上需求量非常大的CBN-E300 、CBN-E400 系列齒輪泵。CBN-E300 、CBN-E400 系列齒輪泵是我國(guó)60年代末70年代初仿造德國(guó)博世公司齒輪泵而設(shè)計(jì)的，主要作為拖拉機(jī)等農(nóng)業(yè)機(jī)械的液壓動(dòng)力源。這兩種系列齒輪泵性能好、工藝簡(jiǎn)單，因而得到廣泛推廣，但隨著工業(yè)的發(fā)展、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，這兩種系列齒輪泵也暴露出來(lái)一些問(wèn)題：

(1) 齒輪泵噪聲較大。這兩種系列齒輪泵輪齒齒數(shù)都為10個(gè)齒，齒數(shù)比較少，流量脈動(dòng)較大，因而噪聲較大，不符合當(dāng)前環(huán)保的要求；

(2) 單位齒寬排量較小?，F(xiàn)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，生產(chǎn)廠總要千方百計(jì)降低成本。單位齒寬排量較小，相同排量的齒輪泵所需要消耗的金屬材料就多，特別是齒輪泵泵體等零件一般為較貴的鋁合金，使工廠的生產(chǎn)成本提高，降低市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；

(3) 齒輪泵的壓力等級(jí)不高。拖拉機(jī)等農(nóng)業(yè)機(jī)械在使用的時(shí)候常常會(huì)超載，使齒輪泵所受負(fù)荷加大，常造成齒輪泵以炸泵體、燒軸套、斷軸等形式被破壞。

針對(duì)以上缺點(diǎn)，我們對(duì)齒輪泵進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)軸套進(jìn)行了優(yōu)化。

1　軸套結(jié)構(gòu)和工況分析

軸套是齒輪泵中的一個(gè)零件，它主要起支撐齒輪軸頸的作用，在一個(gè)齒輪泵中有兩個(gè)軸套，裝在齒輪的兩端。在圖1所示的CBN-E300系列齒輪泵的結(jié)構(gòu)圖中，序號(hào)4的零件就是軸套。

軸套4它可在泵體3中作軸向浮動(dòng)，軸套的結(jié)構(gòu)一般采用如圖2所示整體軸套結(jié)構(gòu)。該軸套在軸向所受液壓力基本平衡, 而在徑向軸套所受的液壓力不平衡，由于齒輪泵出口壓力高，進(jìn)口壓力低， 軸套被壓向低壓側(cè)，因此起密封作用將齒輪泵高低壓腔隔開(kāi)的主要是軸套和泵體的低壓側(cè)。

1.前蓋　2.定位銷(xiāo)　3.泵體　4.浮動(dòng)軸套　5.外密封件 6.后蓋　7.螺母　8.螺栓　9.內(nèi)密封件　10.主動(dòng)齒輪 11.被動(dòng)齒輪　12.骨架油封

圖2　整體軸套結(jié)構(gòu)圖

2　軸套結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

我們知道齒輪泵存在徑向力不平衡，齒輪自動(dòng)壓向低壓處的泵體內(nèi)表面，起密封作用的是軸套和泵體的低壓側(cè)，在不影響軸套性能和不改變加工工藝前提下，可將高壓側(cè)中間部分挖空，形成挖槽軸套，節(jié)約鋁合金的消耗量，降低成本。挖槽軸套如圖3所示。

圖3　挖槽軸套結(jié)構(gòu)圖

作用在齒輪上的徑向液壓不平衡力由軸套支撐，徑向不平衡力越大，軸套承受的壓力越大，軸套和泵體之間的摩擦力越大，軸套浮動(dòng)性越差。為了降低徑向不平衡力，可擴(kuò)大高壓區(qū)。擴(kuò)大高壓區(qū)就是在部分區(qū)域人為地增加泵體內(nèi)壁和齒頂?shù)拈g隙，只使在吸油口前1至2個(gè)齒的齒頂和泵體保持很小的徑向間隙，起密封作用。擴(kuò)大高壓區(qū)也可從軸套結(jié)構(gòu)改進(jìn)上來(lái)實(shí)現(xiàn)，可采用單邊軸套，如圖4所示，該軸套在滿足剛度和強(qiáng)度的前提下將高壓區(qū)部分軸套基體削去一部分，使齒輪和軸套大部分圓周上承受高壓油，同時(shí)降低了齒輪和軸套所受的徑向不平衡力。在軸套正面(和泵蓋接觸的面)由于要留有安裝內(nèi)密封件的位置，軸套基體不能削去太多，而背面可適當(dāng)多削去一些，這樣就形成一個(gè)邊。軸套高壓側(cè)的兩個(gè)凸起部分起加強(qiáng)筋的作用，它的頂部和軸套低壓側(cè)部分在同一圓周上，這樣在加工軸套時(shí)，軸套外圓尺寸容易測(cè)量，在齒輪泵裝配時(shí)，軸套易于在泵體中定位，便于安裝。

圖4　單邊軸套結(jié)構(gòu)圖

單邊軸套和挖槽軸套相比，節(jié)約的鋁合金更多，并且加工工藝好，軸套毛坯不但可采用金屬模澆鑄，而且可采用壓鑄的方法；單邊軸套四周和兩面需要機(jī)械加工的面積大幅減少，提高了加工效率。單邊軸套使軸套四周大部分處于高壓油中，降低了軸套本身所受的液壓不平衡力，并且軸套在縱向兩頭被削去一部分可防止軸套受熱膨脹而卡死，這樣提高了軸套的浮動(dòng)性。

經(jīng)過(guò)擴(kuò)大高壓區(qū)以后，齒輪泵所受徑向不平衡力有所減小，但仍然存在徑向不平衡力，在不平衡力作用下，齒輪軸頸被壓向低壓區(qū)，齒輪軸頸受液壓不平衡力作用要發(fā)生撓度變形。而齒輪軸頸在軸套內(nèi)孔中轉(zhuǎn)動(dòng)，在兩者之間形成一層油膜，當(dāng)壓力高時(shí)，軸頸在整個(gè)長(zhǎng)度上因撓度變形而產(chǎn)生的傾斜變差大，如CBN-E300系列齒輪泵當(dāng)排量為16 mL/r，壓力為20 MPa時(shí)，在軸頸的整個(gè)長(zhǎng)度上因撓度變形而產(chǎn)生的傾斜差大約為7.2 μm，而最小油膜厚度為10 μm左右，這樣會(huì)造成油膜破滅，形成干磨擦，使軸套內(nèi)孔受到磨損。為了提高軸頸在軸套內(nèi)孔中的潤(rùn)滑性能。我們?cè)O(shè)計(jì)了單邊徑向浮動(dòng)潤(rùn)滑軸套，如圖5所示。通過(guò)兩個(gè)斜孔a將高壓油引入軸套兩個(gè)內(nèi)孔，高壓油進(jìn)入內(nèi)孔不但提高了軸頸的潤(rùn)滑性能 ，而且高壓油對(duì)軸頸產(chǎn)生一定的浮力，減小了齒輪作用在軸套內(nèi)孔上所產(chǎn)生的不平衡力。為了提高潤(rùn)滑油的流動(dòng)性，避免形成局部高溫，在高壓區(qū)卸荷槽處打一孔b與兩個(gè)斜孔a相通，由于輪齒嚙合而產(chǎn)生壓力波動(dòng)，使油從b孔向a孔間隙流動(dòng)。

圖5　單邊徑向浮動(dòng)潤(rùn)滑軸套立體圖

3　單邊徑向浮動(dòng)潤(rùn)滑軸套的設(shè)計(jì)實(shí)例分析

現(xiàn)在市場(chǎng)上大批量生產(chǎn)的CBN-E300系列齒輪泵廣泛用于拖拉機(jī)等農(nóng)業(yè)機(jī)械，價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，且使用環(huán)境較差，三保率較高。統(tǒng)計(jì)分析33%左右齒輪泵失效是因軸套損壞，軸套損壞大多是因軸套浮動(dòng)性變差造成的。為此，我們對(duì)CBN-E300系列齒輪泵軸套進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將整體軸套改成單邊徑向浮動(dòng)潤(rùn)滑軸套。

3.1　軸套密封部分最小角度的確定

CBN-E300系列齒輪泵齒輪頂部厚Se為0.858 mm，兩齒中心距及軸套兩內(nèi)孔中心距A為33，齒頂圓φ39，最大排量時(shí)進(jìn)油口φ18。單邊徑向浮動(dòng)潤(rùn)滑軸套的部分尺寸參見(jiàn)圖6，有些尺寸可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)來(lái)確定，有些需通過(guò)計(jì)算來(lái)確定。

Stars are dense and don’t twinkle, strong wind will blow next day.

齒頂厚在圓周上的夾角θ為：

式中，Se為齒輪齒頂厚；De齒頂圓直徑；θ齒頂厚在圓周上的夾角。

齒輪泵要保證徑向密封的可靠性，必須最少有1個(gè)輪齒參與徑向密封，多時(shí)有2個(gè)輪齒參與徑向密封，那么軸套上參與徑向密封部分的最小角度為：

β=γ-α=15.9°

式中，Z為CBN-E300系列齒輪泵齒輪輪齒個(gè)數(shù)；De為齒頂圓直徑；θ為齒頂厚在圓周上的夾角；D為最大排量時(shí)進(jìn)油口直徑；α為最大排量時(shí)進(jìn)油口邊緣與軸套內(nèi)孔中心線在圓周上的最小夾角；β為軸套挖空邊緣與軸套內(nèi)孔中心線在圓周上的最小夾角；γ為軸套上參與徑向密封部分的最小角度。

為了不改變軸套原先的軸向平衡條件和內(nèi)密封件槽的形狀，我們?nèi)ˇ陆嵌缺葍?nèi)密封件槽小腳的內(nèi)側(cè)角30°稍大一些(參見(jiàn)圖2)，可取β為33°。

3.2　高壓潤(rùn)滑油孔a、b的尺寸和位置的確定方法

圖6　單邊徑向浮動(dòng)潤(rùn)滑軸套尺寸計(jì)算圖

圖7　齒輪徑向液壓受力圖

3.3　優(yōu)化前后軸套的材料消耗比較

優(yōu)化前CBN-E300系列齒輪泵整體軸套重量約0.102 kg，優(yōu)化后軸套重量約為0.077 kg， 每個(gè)齒輪泵

有2個(gè)軸套可節(jié)約0.05 kg鋁，一般中等規(guī)模齒輪泵生產(chǎn)企業(yè)可年產(chǎn)20萬(wàn)臺(tái)齒輪泵，每年可節(jié)約 鋁合金10 t左右，將會(huì)為企業(yè)降低大量成本。

我們將單邊徑向浮動(dòng)潤(rùn)滑軸套裝配在CBN-E300系列齒輪泵中，選取的齒輪泵排量為10 mL/r，在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行考核，在轉(zhuǎn)速為2500 r/min 、 工作壓力為20 MPa、油溫為80 ℃工況下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)100 h后，測(cè)量泵的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，通過(guò)拆檢軸套無(wú)偏磨現(xiàn)象，軸套內(nèi)孔潤(rùn)滑良好。

4　結(jié)論

隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，對(duì)齒輪泵的性能要求不斷提高，而市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)又要求降低成本，這就要求軸套必須既具有良好的軸向和徑向浮動(dòng)性等高性能，又要具有造價(jià)低的特點(diǎn)。本研究對(duì)整體軸套結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了分析，給出了一種單邊徑向浮動(dòng)潤(rùn)滑軸套的設(shè)計(jì)方法，希望提出的方法能給工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)齒輪泵時(shí)提供參考。

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