齿轮泵—齿轮马达一体机轴向泄漏的流场仿真

袁　圆，陈　超，张兰芳，汪祝芬

(安庆师范学院 物理与电气工程学院，安徽 安庆 246133)



齿轮泵
—齿轮马达一体机轴向泄漏的流场仿真

袁圆，陈超，张兰芳，汪祝芬

(安庆师范学院 物理与电气工程学院，安徽 安庆 246133)

摘要：齿轮泵-齿轮马达一体机的泄漏主要有轴向泄漏、径向泄漏和啮合线处的泄漏，其中轴向泄漏占70%，是泄漏的主体。本文介绍了系统的调速回路和工作原理，利用3维软件SolidWorks建立齿轮泵齿轮马达一体机的立体模型，并将模型进行简化，利用SolidWorks中的插件Flow Simulation对一体机中的轴向泄漏进行仿真分析，将流场仿真结果与理论计算结果进行比较，验证仿真软件的可行性。

关键词：SolidWorks；Flow Simulation；轴向泄漏；径向泄漏；流场仿真

齿轮泵-齿轮马达一体机是由复合齿轮泵和多齿轮马达构成的一种新的液压系统，与普通的齿轮泵马达相比，有瞬时脉动小、径向力平衡、噪音低等优点；它的主要缺点是存在泄漏。泄漏存在于液压系统中，是一种常见的故障，不仅影响传动的平稳性、降低系统的效率，流出的油液对环境也会造成污染。泄漏形式存在两种情况，一种是在轴套和齿轮轴之间的间隙泄漏，另一种是由高压区向低压区的油液泄漏。泄漏对液压系统影响很大，所以研究一体机的泄漏问题是必不可少的。本文运用3维软件SolidWorks建立一体机的实体模型，利用插件Flow Simulation对一体机中的泵和马达的轴向泄漏进行仿真，将仿真结果与理论计算结果相比较，得到影响泄漏的主要参数，从而可以有效减小系统的泄漏问题。

1齿轮泵-齿轮马达一体机的工作原理

图1是齿轮泵-齿轮马达一体机的调速回路，主要有液压泵、液压马达、溢流阀、换向阀和调速阀构成，通过调节调速阀的开口量，改变流入液压马达的流量，从而控制液压马达的转速，三位四通电磁换向阀的开关可以实现马达的换向，为了使液压元件不受压力冲击而损坏，系统中接入了溢流阀，不仅可以调节系统的压力，还可以将泵输出的多余液体流回油箱。

1—液压泵；2—溢流阀；3—调速阀；4—换向阀；5—液压马达

图2是一体机的三维模型，有3部分构成，中间是壳体、左右两边分别是齿轮泵和齿轮马达，壳体上安装了凸台，一共开了7个油口，分别接入换向阀、调速阀和溢流阀。

图2　齿轮泵-齿轮马达一体机三维模型

2一体机的泄漏环节

在液压系统中，各个元部件之间存在缝隙，尤其是相互运动的零部件，泄漏量指的就是流经缝隙的液体流量。缝隙流动有两类：一种是压差流动，一种为剪切流动，对它们的研究是基于平行平面缝隙流的。由于该系统是由齿轮泵和齿轮马达组成，如图2所示，结构比较复杂，用一般的计算机要实现整个系统的流场仿真比较困难，为了减少计算量，只能将模型进行简化，对泵和马达分开进行泄漏流场仿真分析。

2.1一体机的轴向泄漏流场仿真

图3是一体机模型中行星齿轮泵的简化图，它的内部结构如图4所示，减小齿轮泵中齿轮的宽度，对称装配，使配流盘与齿轮之间留有间隙，轴向间隙为10 μm。

打开SolidWorks中的“工具”→“插件”→“SolidWorks Flow Simulation 2009”，选择46号油液，它的运动粘度为46，密度为0.872 kg/L，运动粘度为0.040 112 Pa*s。网格划分选择手动划分。

图3 泵简化后的实体模型图4 泵简化内部结构

把x和y轴上的基础网格统一设置成10，z轴上的基础网格设置成50，这样设置轴向的网格划分会更细致些。输入齿轮泵的进口流量，给定系统的总压力，选用配流盘的端面为轴向间隙的压力分布面，经过多次仿真，在出口压力约为2Mpa时得到泵的泄漏流量为1.02L/min。仿真后得到轴向间隙泄漏的流场分布图，如图5所示，轴向间隙泄漏的压力分布如图6所示。

图5流场分布图 图6压力分布图

马达的实体模型简化如图7所示，中心轮、径向轮和侧板之间留有间隙，间隙也取10 μm，分析方法和参数设置与上述相同，经过多次仿真，得出在压差大约为2 Mpa的泄漏量是0.89 L/min，齿轮马达流场仿真压力分布如图8所示。

2.2一体机的轴向泄漏量的理论研究

齿轮泵的轴向泄漏主要是径向轮的泄漏qa1和中心轮的泄漏qa2，总的轴向泄漏量为

(1)

如果φ1=φ2，rf1与rf2及rzf1与rzf2相差不大，则上式可近似为

(2)

一体机中齿轮马达的轴向泄漏取决于径向轮的泄漏qa1和中心轮qa2的泄漏，总的轴向泄漏量：

(3)

其中，h：齿轮和浮动侧板之间的间隙；Δp：进出口压力差；rf,rf1,rf2：径向轮齿根圆半径；rzf,rzf1,rzf2：齿轮轴半径；φ1,φ2：高压区间角，φ=π/2；

将上述的参数值带入(2)式、(3)式计算出系统总的轴向泄漏流量：

(4)

将齿轮泵-齿轮马达一体机的轴向泄漏流场仿真的结果与理论计算值相比较，轴向间隙、压差和油液型号是影响泄漏的主要因素，其中齿轮与侧板间隙对系统的影响最大。通过对(4)式求导可得最佳间隙，一般取间隙小于齿侧间隙δ=0.08m，m为齿轮的模数，根据经验h=10 μm最合理。

3总结

结合齿轮泵-齿轮马达一体机的结构及其工作原理，讨论了其主要泄漏环节。由分析可知，影响系统轴向泄漏的主要因素是侧板与齿轮之间的间隙。运用Flow-Simulation插件对一体机进行轴向泄漏的流场进行仿真，并通过理论推导，将仿真结果与理论计算结果进行比较，误差在合理范围之内。以上是理论研究，实际的泄漏量只能由实验获得，但是可以通过控制出口压差、轴向间隙以及油液型号来减小泄漏，从而设计出高效的液压系统。

参考文献:

[1] 赵连春,宋艳亮,孙群. 复合齿轮马达瞬态扭矩理论研究与实验分析[J]. 凿岩机械气动工具, 2008(1):37-41.

[2] 陶云. 平衡式复合齿轮泵内部泄漏分析[J]. 淮南工业学院学报(自然科学版), 2001,21(4):3.

[3] 袁圆. 齿轮泵-马达一体机理论研究[D].安徽理工大学2011.

[4] 顾宏韬, 张军, 潘嘉明, 等. 行星齿轮泵泄漏的流场仿真[J]. 润滑与密封, 2010,35(6) :89-91.

[5] 许贤良, 赵连春, 王传礼. 复合齿轮泵[M]. 北京: 机械工业出版社, 2007.

[6] 蒋佑源. 工程机械液压系统内泄漏机理与原因分析[J]. 四川建材, 2007(4):7-8.

[7] 徐春华,周明连,李贤妮,等.多气动齿轮马达的流量计算与实验研究[J]. 液压与气动, 2007(2):4-7.

Flow Field Simulation on the Axial Leakage of Gear Pump-Motor Unity Machines

YUAN Yuan, CHEN Chao, ZHANG Lan-fang, WANG Zhu-fen

(School of Physics an d Electrical Engineering, Anqing Teachers College, Anqing, Anhui 246133, China)

Abstract:The performance of gear pump-motor unity machines is highly affected by internal leakage from axial, radial clearance and meshing line. Among them, the axial leakage is dominant, which percentage is over 70%. Based on that, the flow field of the system is studied to show more details of the axial leakage in this paper. Firstly, the operating principles and speed control loop of the unity machine are introduced. Then, the simplified 3D model is built with SolidWorks. The flow field is simulated with flow simulation module to study the axial leakage of the gear pump-motor unity machines afterwards. At last, simulation results and theoretical calculations are compared to show the feasibility of the computer-based simulation.

Key words:solidworks，flow simulation，axial leakage， radial clearance leakage， flow field simulation

文章编号：1007-4260(2016)01-0079-04

中图分类号：TH325

文献标识码：A

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.01.021

作者简介：袁圆，女，安徽宣城人，硕士，安庆师范学院物理与电气工程学院讲师，主要研究方向为机械工业中的液压传动。E-mail: yuan0554@126.com

基金项目：安庆师范学院青年科研基金(KJ201412)。

*收稿日期：2015-09-25

网络出版时间：2016-03-15 17:05网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160315.1705.021.html