中高壓高效率雙向齒輪泵的研制

中高壓高效率雙向齒輪泵的研制

齒輪泵是一種通用的液壓泵。由于其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積小、對油環(huán)境敏感等優(yōu)點，已在機械工程和威壓系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。通常,齒輪泵因受結(jié)構(gòu)限制,只能單向工作。然而隨著液壓技術(shù)的發(fā)展,有些機械設(shè)備受客觀因素的制約,要求齒輪泵能雙向工作。液壓系統(tǒng)中應(yīng)用雙向齒輪泵,可以不使用換向閥,只需改變泵的轉(zhuǎn)向即可實現(xiàn)執(zhí)行元件的換向。發(fā)達國家對雙向齒輪泵的研究由來已久,已有幾十年的歷史,大量的學者對其進行了研究,包括外嚙合雙向齒輪泵和內(nèi)嚙合雙向齒輪泵,很多公司和個人申請了相關(guān)專利[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]。相比之下,我國對雙向齒輪泵的研究起步晚,技術(shù)落后,尚處于起步階段,近十年來才有少數(shù)學者、企業(yè)對其進行了試探性研究[17,18,19,20,21,22]。目前,雙向齒輪泵的國內(nèi)市場多由歐、美、日等發(fā)達國家的相關(guān)企業(yè)把持。國內(nèi)有幾家企業(yè)生產(chǎn)雙向齒輪泵,但都是引進國外技術(shù),或者是仿制進口產(chǎn)品,并且其工作壓力較低,國內(nèi)至今尚無自主知識產(chǎn)權(quán)中高壓雙向齒輪泵產(chǎn)品面世。因此,研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中高壓雙向齒輪泵,對我國液壓行業(yè)具有重要的理論和現(xiàn)實意義。1齒輪泵的工作過程與一般齒輪泵類似雙向齒輪泵也是靠齒輪的嚙合運動造成吸、壓油腔容積周期性變化來完成吸、排油工作的。所不同的是雙向齒輪泵具有兩個出油口,并且都需要通過單向閥控制其與進油口的通斷,以完成吸、排油的轉(zhuǎn)換。圖1所示為雙向齒輪泵工作原理圖,單向閥1處在進油口與出油口A之間,單向閥2處在進油口與出油口B之間,分別控制進油口與出油口A的通斷。雙向齒輪泵的工作過程如下:(1)當齒輪泵按某方向旋轉(zhuǎn)時,出油口B一側(cè)為吸油腔,該處油液形成一定的負壓,單向閥2在大氣壓作用下打開,進油口與出油口B連通,油液經(jīng)進油口、單向閥2、出油口B進入吸油腔;出油口A一側(cè)則為壓油腔,單向閥1在高壓作用下關(guān)閉,進油口與出油口A之間的油路被阻斷,來自吸油腔的油液從出油口A流出,進入液壓執(zhí)行元件。(2)當齒輪泵按相反方向旋轉(zhuǎn)時,出油口A一側(cè)變?yōu)槲颓?單向閥1在大氣壓作用下打開,進油口與出油口A連通,油液進入吸油腔;出油口B一側(cè)則變?yōu)閴河颓?單向閥2在高壓作用下關(guān)閉,阻斷了進油口與出油口B之間的通道,來自吸油腔的油液經(jīng)出油口B流入執(zhí)行元件。2中高壓高效率雙向齒輪泵結(jié)構(gòu)原理前已述及,雙向齒輪泵需要兩個單向閥控制出油口與進油口的通斷才能正常工作,所以該雙向齒輪泵具體結(jié)構(gòu)既要考慮補償軸向間隙和徑向間隙的裝置,又要將單向閥集成于內(nèi),故而該泵比一般的齒輪泵結(jié)構(gòu)要復(fù)雜。圖2所示為中高壓高效率雙向齒輪泵結(jié)構(gòu)原理圖。齒輪軸6和7的兩端分別處于泵體1和蓋板4內(nèi)。浮動側(cè)板3裝于泵體內(nèi),側(cè)板的軸孔和齒輪軸之間以及泵體的深度和側(cè)板寬度之間都有較大間隙,足以使側(cè)板同時作軸向和徑向浮動,這可使軸向間隙和徑向間隙同時得到補償。2.1軸向壓緊力及封壓力在側(cè)板的外端面上,有一個特殊形狀的橡膠密封圈2嵌入相配的凹槽內(nèi)(見剖面A-A)。該密封圈確定了補償面積A1和A2,并且A1=A2;引油孔B1將出油口C2處的油液引入并作用在面積A1上,引油孔B2則將出油口C3處的油液引入并作用在面積A2上。假設(shè)該泵在某種工作狀態(tài)下,出油口C2處為吸油腔,出油口C3處為壓油腔。此時,面積A1上作用著低壓油,面積A2上作用著高壓油,由此所產(chǎn)生的液壓力將側(cè)板壓向齒輪端面,其大小可由下式計算:式中:FB1為軸向間隙液壓補償力;pl為吸油腔低壓;齒輪端面的液壓力作用在側(cè)板內(nèi)端面,形成反推力Ff1,其大小可由下式計算:式中:Am1為等效面積;pm1為作用在Am上的平均壓力。密封圈2和8所產(chǎn)生的軸向預(yù)壓緊力Ft1作用在浮動側(cè)板上,使其貼緊齒輪端面以保證密封。為了保證在各種工作壓力下,浮動側(cè)板都能自動貼緊齒輪端面,磨損后能自動補償,所設(shè)計的軸向壓緊力Fy1(=FB1+Ft1)要大于反推力Ff1。為了保證足夠的機械效率,并考慮到側(cè)板與齒輪材料的強度,壓緊力不能太大,在此取Fy1=(1～1.2)Ff1。另外,補償面積形狀與大小的設(shè)計,還必須保證壓緊力與反推力的作用線重合,否則會產(chǎn)生力偶,導(dǎo)致側(cè)板傾斜而增加泄漏。2.2側(cè)板內(nèi)部徑向補償力假設(shè)泵仍在上述狀態(tài)下工作,即出油口C2處為吸油腔出油口處為壓油腔此時吸油壓力作用在吸油腔一側(cè)的齒輪圓周和浮動側(cè)板內(nèi)側(cè)面上(見剖面B-B),壓油腔的高壓則作用在對應(yīng)一側(cè)的齒輪圓周和側(cè)板內(nèi)側(cè)面上,因此而產(chǎn)生的齒輪圓周上的徑向液壓力為:式中:Am2為吸油腔齒輪圓周上等效面積;Am3為壓油腔齒輪圓周上等效面積,并且Am2=Am3。在側(cè)板內(nèi)側(cè)面上產(chǎn)生的徑向液壓力為:式中:Am4為吸油腔側(cè)板內(nèi)側(cè)面等效面積;Am5為壓油腔側(cè)板內(nèi)側(cè)面等效面積,并且Am4=Am5。齒輪圓周上的徑向液壓力Ff2將齒輪向吸油腔方向壓到軸承間隙的極限,側(cè)板內(nèi)側(cè)面上的徑向液壓力則把側(cè)板向壓油腔推動,由此產(chǎn)生了過大的徑向間隙。由密封圈9(10)所限定的補償面積A3(A4)則起到補償徑向間隙的作用(見向視圖E(F)),低壓油作用在補償面積A3,高壓油則作用在面積A4,并且A3=A4,由此在側(cè)板上產(chǎn)生的徑向補償力為:補償面積A3和A4需這樣設(shè)計:在一定工作壓力下,徑向補償力FB2與側(cè)板內(nèi)側(cè)面上的徑向液壓力Ff3相平衡,這樣可使徑向間隙保持最佳值。在泵體底部,吸、壓油腔的密封由兩個特制的彈性圈5來保證(見剖面C-C)。另外,側(cè)板對齒輪的徑向預(yù)壓緊力由橡膠密封圈9和10產(chǎn)生。內(nèi)部泄漏的油液通過軸孔,經(jīng)一泵體上的斜孔進入進油口。同理,當齒輪泵反向旋轉(zhuǎn)工作時,由于該泵對稱設(shè)計,兩種間隙的補償具有與上面類似的工作原理,在此不再贅述。3高壓油及彈簧力的共同作用下關(guān)閉,阻斷進油口與出油口之間的通道齒輪泵要雙向工作,需兩個單向閥分別控制兩個出油口與進油口的通斷。該研究將單向閥集成于泵體內(nèi),見圖2剖面D-D。假設(shè)出油口C2處為吸油腔,出油口C3處為壓油腔,單向閥11在高壓油及彈簧力的共同作用下關(guān)閉,阻斷進油口C1與出油口C3之間的通道;吸油腔形成一定的負壓,單向閥12在大氣壓的作用下,克服彈簧力打開,使進油口C1與出油口C2之間的通道暢通,這樣雙向齒輪泵就可以完成吸、排油工作。同理,當泵反向運轉(zhuǎn)工作時,出油口C3處變?yōu)槲颓?出油口C2處變?yōu)閴河颓?單向閥12在高壓油及彈簧力的共同作用下關(guān)閉,阻斷進油口C1與出油口C2之間的通道;吸油腔形成一定的負壓,單向閥在大氣壓的作用下克服彈簧力打開使進油口C1與出油口C3之間的通道暢通,雙向齒輪泵完成吸、排油工作。4新型雙向齒輪泵根據(jù)雙向齒輪泵的工作原理,并借鑒單向中高壓齒輪泵