国产内啮合齿轮泵的对比测试研究

王迎春，张艳涛

(1.海军工程大学 振动与噪声研究所,湖北 武汉 430033；2.海军工程大学 船舶振动噪声国家重点实验室,湖北 武汉 430033)

0 前言

齿轮泵广泛应用于日常生产生活中，是比较常见的一种液压元件，特别是在液压系统中，齿轮泵的重要性越来越突出。齿轮泵主要包括内啮合齿轮泵和外啮合齿轮泵两种类型，相对而言，外啮合齿轮泵加工简单，制造难度小，但振动噪声也更大，内啮合齿轮泵体积紧凑，具备更低的噪声、更小的流量脉动及更好的吸油能力。为提升工作性能、降低振动噪声水平，越来越多的场合将外啮合齿轮泵替换，改用内啮合齿轮泵。随着我国高端液压系统的发展，内啮合齿轮泵的需求越来越大，更多的液压件生产厂家也将目光聚焦于内啮合齿轮泵上，例如浙江永灵、徐州圣邦等，但我国仍面临内啮合齿轮泵的自主研发能力不足，制造加工产品的可靠性差等问题。

内啮合齿轮泵通常指楔块式内啮合齿轮泵，主要分为渐开线内啮合齿轮泵和直线共轭内啮合齿轮泵两种类型[1]。两种类型内啮合齿轮泵设计思路和加工要求有所不同，但受制于试验条件的限制，当前对内啮合齿轮泵的性能测试与分析报道大多以建模分析的形式呈现，实物性能测试试验较少。浙江大学刘迎圆[2]基于三维数值计算模型，对渐开线齿廓高压内啮合齿轮泵的流动性能进行了仿真分析和结构改进；燕山大学王小鹏[3]通过集中参数法，在AMESim平台上搭建了渐开线内啮合齿轮泵的流量子模型，分析了流量脉动产生的原因；台州学院白福团[4]等通过自主搭建的综合液压试验台，测试了直线共轭齿廓内啮合齿轮泵的性能；哈尔滨工业大学孙立峰[5]利用CFD仿真工具建立了微小内啮合渐开线齿轮泵三微流体模型来模拟泵内液压油的流场分布，分析了齿轮参数对流量脉动的影响。为准确掌握现阶段我国内啮合齿轮泵的实际生产水平，理解两种类型内啮合齿轮泵的本质区别，对比分析性能差异，选取国产两个厂家的内啮合齿轮泵开展了性能对比测试，对于准确了解内啮合齿轮泵的技术特点，推动国内内啮合齿轮泵的发展具有重要意义。

1 内啮合齿轮泵结构

1.1 渐开线内啮合齿轮泵结构

渐开线内啮合齿轮泵中相互啮合的外齿轮和内齿轮之间被月牙板分成了两个封闭的容腔，当齿轮旋转时，内齿轮也被带动同向旋转，一侧轮齿脱离啮合，工作容腔变大，形成了真空，油液在大气压的作用下进入吸油腔，另一侧轮齿进入啮合，容积减小，油液被挤压出去。当齿轮泵连续不断的转动时，吸油腔和排油腔就不断的吸油和排油，从而形成一个不断循环的过程。其结构如图 1所示[6]，图 2为国产的一款渐开线齿轮泵实物。

图1 渐开线内啮合齿轮泵结构图

图2 渐开线内啮合齿轮泵实物图

1.2 直线共轭内啮合齿轮泵结构

直线共轭内啮合齿轮泵的基本结构如图 3所示。其主要由齿轮、齿圈以及月牙板三部分组成。工作时，内部齿轮与电机轴相连，带动齿圈旋转；月牙板用于隔绝吸、排油腔。在吸油口，齿轮和齿圈脱开，吸油区的容腔体积增大形成真空，完成吸油；吸入的油液通过齿轮、齿圈与月牙板形成的密闭过渡腔将油液运输至出油口；在出油口齿轮和齿圈互相啮合，压缩高压油进入排油口排油。其中，齿轮为主动轮，齿圈为从动轮，月牙板固定在泵体上[7]。图 4为日本住友公司生产的一款直线共轭齿轮泵实物图。

图3 直线共轭内啮合齿轮泵结构图

1.3 两种内啮合齿轮泵对比

渐开线齿轮副具有可分性，因此其中心距变化时可保持传动比不变，故渐开线内啮合齿轮泵可以设计成径向间隙补偿式结构，使其具有容积效率高，可靠性好等优点，也可以适当放宽渐开线齿轮的加工公差，以利于加工和装配，因此其制造难度较小[8]。渐开线内啮合齿轮泵的径向结构通常如图 1所示，通过将出口压力油引入间隙内部实现自动补偿，也正因如此，无法实现双向旋转。

直线共轭内啮合齿轮副不具备可分性，中心距发生较大变化往往导致其难以有效啮合，改变其传动特性，故直线共轭内啮合齿轮泵必须采用间隙固定式结构设计。这也导致其必须依靠加工精度保证啮合点的对应关系，并实现高压下齿轮副之间的密封与润滑，因此其加工难度较大。通常，该泵易于设计成完全对称结构，使其能够实现四象限运行。但为弥补加工制造精度的不足，降低成本，国产直线共轭内啮合齿轮泵通常将出口压力油引入齿圈与壳体间隙，弥补径向难以补偿的缺陷，如图 5所示，以形成齿圈与壳体摩擦副间的静压润滑，但该结构设计会使齿轮泵只能单向旋转。因此，国产直线共轭内啮合齿轮泵目前也仅具备单向旋转的能力。

图5 齿圈与壳体摩擦副间的静压润滑槽

2 内啮合齿轮泵试验分析对比

为了综合对比国产两种类型内啮合齿轮泵的技术水平和差异，选取了CP0-20-P-10R型渐开线内啮合齿轮泵与IGP4-M025-SF-3型直线共轭内啮合齿轮泵，分别如图6、图7所示，其出厂性能参数见表1。

图6 CP0-20-P-10R型渐开线齿轮泵

图7 IGP4-M025-SF-3型直线共轭齿轮泵

表1 两种内啮合齿轮泵参数对比

2.1 液压泵关键评判指标

液压泵性能主要由容积效率、机械效率、耐冲击性能等指标判定。

容积效率指的是泵的实际输出流量与理论流量的比值[9]，可表示为

(1)

式中，Q为液压泵的实际输出流量；Q0为泵的理论输出流量。

机械效率是泵的理论转矩(由压力作用于转子产生的液压转矩)与泵轴上实际输出转矩之比，可表示为

(2)

式中，p为液压泵的工作压力；q0为泵的排量；Ti为泵的输入转矩。

2.2 试验平台

参考GB/T13853-2009等相关液压泵马达测试标准[10]，主要对比两种泵的容积效率、机械效率、总效率和空气噪声性能。试验测试用液压试验平台如图8所示，主要由伺服电机、比例溢流阀、蓄能器、流量计、压力传感器、扭矩转速仪等组成。测试时，由伺服电机驱动被试泵，通过溢流阀设定负载压力，被试泵的转速、排油压力、流量、扭矩以及介质温度等分别通过各种传感器获得。试验过程中，通过测试平台软件可改变电机速度转向、溢流阀压力等满足各种试验工况，测试过程图如图9所示。

图8 液压泵综合性能试验台原理图

图9 测试过程图

2.3 试验数据处理与分析

该直线共轭齿廓内啮合齿轮泵相对于渐开线齿廓内啮合齿轮泵来说，在低转速下即出现明显振动，但低转速下随着负载压力的升高振动减弱，渐开线齿廓内啮合齿轮泵(CP0-20-P-10R)在2 000 r/min下开始产生明显振动。

液压泵的振动可分为机械振动与流体振动[11]，对于内啮合齿轮泵来说，机械振动主要是由工作过程中泵的旋转部件(齿轮齿圈)偏心或不平衡引起的[12]；流体振动主要由流量脉动引起[13]。但试验过程中，低转速下该直线共轭齿廓内啮合齿轮泵管路出现明显的吸空声音，由此判断低转速下该直线共轭齿轮泵的流量脉动大于该渐开线齿轮泵，导致泵振动明显。

如图 10、图 11所示为机械效率曲线图，通过对比可知，负载条件下两泵机械效率差别不大，但空载条件下，渐开线内啮合齿轮泵(CP0-20-P-10R)机械效率要大于直线共轭内啮合齿轮泵(IGP4-M025-SF-3)。

图10 转速-机械效率图

图11 压力-机械效率图

液压泵的机械损耗主要指各种摩擦带来的损耗，且对于内啮合齿轮泵来说，摩擦副较多，因此提高其关键摩擦副的减摩耐磨性能可以有效提高泵的机械效率，试验结果反映出该渐开线齿轮泵内部摩擦副的减磨耐磨性能优于该直线共轭齿轮泵。

如图 12、图 13所示为容积效率曲线图，通过对比可知，两泵的容积效率都比较高，负载压力小于10 MPa时，容积效率大于95%，直线共轭内啮合齿轮泵(IGP4-M025-SF-3)波动较大；随负载压力升高，两泵的容积效率呈现下降趋势，渐开线内啮合齿轮泵(CP0-20-P-10R)下降较缓慢，低油温下两泵差别不大，高温高压下渐开线内啮合齿轮泵(CP0-20-P-10R)的容积效率明显大于IGP4-M025-SF-3泵。

图12 转速-容积效率图

图13 压力-容积效率图

液压泵的容积效率与运动件间隙，工作压力，工作介质粘度以及转速有关，体现了泵抵抗泄漏的能力[14]。试验结果显示该渐开线齿轮泵的抗泄漏能力更强，这与两泵的结构有关,该渐开线齿轮泵的月牙板是分离式结构，可紧贴内外齿轮齿顶形成密封，进行径向补偿，减少径向泄漏，而直线共轭内啮合齿轮副不具备可分性，导致其径向间隙固定，不能有效密封。并且该渐开线齿轮泵轴向具有浮动侧板，高压油引进后使其压紧在齿轮副端面上，实现了泵的轴向有效密封[6]。温度主要通过影响工作介质的粘度影响容积效率，通过粘温曲线[15]可知，液压油粘度随温度升高而降低，使泄漏增加，容积效率降低。

如图 14所示为空气噪声曲线图，两泵运行时产生的噪声都会随着转速与负载压力的提高而变大，负载压力小于10 MPa情况下，渐开线内啮合齿轮泵(CP0-20-P-10R)运转噪声略小于直线共轭内啮合齿轮泵(IGP4-M025-SF-3)。

图14 压力-空气噪声图

综上分析，该CP0-20-P-10R型渐开线齿廓内啮合齿轮泵整体工作性能要略优于该IGP4-M025-SF-3型直线共轭内啮合齿轮泵。

3 结语

该试验用两泵总体性能较好，属于国内发展较成熟的内啮合齿轮泵，同时也可以看出，两种类型内啮合齿轮泵均存在容积效率波动较大，高压高转速下转动噪声较大等问题。通过试验分析，可从降低流量脉动、提高摩擦副材料的减摩耐磨性能、改进补偿结构等方面研究改进，为后续提高国产化内啮合齿轮泵综合性能指明了方向。