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真空设备/泵 |
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改变齿轮泵输出流量的途径 |
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作者：江苏石油化工学院 祝海林 |
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1引言
在容积式液压传动中所用的各种液压泵主要有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵三种，其中，齿轮泵是结构最简单的一种，而且它的体积小、零件少（特别是要求高精度加工的零件较少）、重量轻、制造及维护方便、价格低，即便在较差的工况下也能可靠工作，因而在液压传动与控制技术中及在各类液压机械及石化行业流体的输送领域应用很广。到目前为→止，叶片泵、柱塞泵都可制成多种形式的变量泵，惟有齿轮泵，至今尚无可变量的产品问世。探索齿轮泵的变量方式，对于扩大齿轮泵的使用领域，很有现实意义。本文叙述的是解决齿轮泵变量的几种途径，可为变量齿轮泵的研究、开发提供参考。
2齿轮泵实现变量的途径
2.1有级变量方式
(1)两齿轮式大家知道，常规的两齿轮式齿轮泵采用的是两个具有相同参数的渐开线齿轮（即两个齿轮的尺寸、大小完全相同），若改变这两个齿轮的齿数（齿轮的其它参数不变），使两齿轮的大小不同（图1），由此构成的齿轮泵可以获得两种输出排量。在原动机的转速相同的情况下，若以小齿轮为主动轮，齿轮泵输出的排量及流量较小；而若以大齿轮为主动轮时，该齿轮泵可输出较大的排量。这样，一台齿轮泵可以提供两种排量。根据齿轮泵的排量计算公式，这两个排量之比等于大、小齿轮的齿数比（呈正比关系），此设想对于需要两种流量的液压设备来说，有一定的实际意义，但该齿轮泵的驱动系统比常规齿轮泵复杂些。
图1 由两个不同齿轮构成的齿轮泵
（2）多齿轮式采用三个或三个以上的齿轮构成多齿轮式齿轮泵，从动齿轮均匀地分布于主动齿轮的周围（图2），可使这类齿轮泵得到多种排量，各排量既可分流输出，以分别驱动不同的执行机构，也可以合流输出大排量，实现工作机构的快速运动。泵的壳体或前后端盖上开有相应的几个进油口与出油口，分别和吸油管及排油管相连接。这种多齿轮式齿轮泵除了能获得多种输出排量外，另有一个显著的优点是:由于各吸、排油口对称布置，且从动齿轮均匀分布，使液压力及啮合力达到平衡，从而减少了泵轴、轴承的负荷，提高了齿轮泵的使用寿命。但这种齿轮泵的配油装置比常规的两齿轮式的齿轮泵复杂，特别是带内齿轮的齿轮泵中内齿轮的设计、加工较为困难，这些问题仍有待进一步的研究。
图2 多齿轮式齿轮泵
2.2无级变量方式
(1)带内齿圈式前苏联曾研究出了一种能均匀变量的齿轮泵，主动齿轮1与中间齿轮2(带内齿圈的环形齿轮)相啮合，从动轮3与2的内齿圈啮合（图3）。齿轮3的轮轴位置可调，调节齿轮3的轴位置（平面运动），可使泵的输出排量在qmin～qmax之间均匀变化（对应于从动齿轮由虚线位置到实线位置的移动，符号q代表泵的排量）。但中间齿轮2既要加工外齿又要加工内齿，加工比较困难，而且在齿轮2的齿根部需要开径向通孔，削弱了齿轮的强度。
图3匀变量齿轮泵
（2）转动轴套式
我们知道，常规的两齿轮式齿轮泵的泵壳内表面上，高、低压腔间的过渡密封区的夹角为φ≥360o/z(z为单个齿轮的齿数)。有关文献中提出了变密封区夹角的新构想：采用可转动的轴套（其上开有分流槽），/借助轴套的转动来改变过渡密封区的夹角（使φ<360o/z），使得部分高压油按一定规律流回吸油腔，从而实现泵的输出流量的无级变化，而且泵的出口流量与转动轴套的转角成正比关系。
（3）变啮合长度
由外啮合渐开线齿轮泵的输出排量的计算公式：q=2πKzLm2可知（式中，z、m为齿轮的齿数与模数，L为齿轮上齿宽方向的啮合长度，L=B,B为齿轮宽度，K为补偿系数，K=1.06～1.115），排量q与z、L、m2成正比，对于加工好了的齿轮，其齿数、模数是确定的，因此通过改变啮合长度L可以改变齿轮泵的输出排量，具体可通过手动或自动方式轴向移动从动齿轮的位置来改变两齿轮的轴向啮合长度，从而实现齿轮泵输出流量的线性变化。显然最大啮合长度Lmax=B,而最小啮合长度受泵的容积效率及齿轮强度、刚度的限制，一般取Lmin≥B/3,所以最大排量与最小排量之比可达qmax/qmin=3
(4)变轴心位置
传统齿轮泵的每个齿轮的几何中心与其旋转中心是重合的，有关文献介绍了一种具有偏心支承齿轮副的外啮合齿轮泵，即齿轮的几何中心与其旋转中心不重合，两者间有一偏心距。这样，在齿轮齿顶圆与泵体内壁之间就形成了一个月牙形的体积（如图4）。当左边齿轮转过180o角时，这个月牙形体积就出现在右边齿轮处。因此与传统齿轮泵相比，在齿轮的结构尺寸相同的情况下，它每转一周比传统齿轮泵多输出两个月牙形体积的流量（一般可多输出40%～60%）。但文中所述偏心泵的偏心距是固定的，旋转轴的位置也是固定的，所以其输出流量是一定的，也就是说，它属于定量泵范畴。受该文启发，作者设想，如果专门设计一个机构，使得旋转轴的轴心与齿轮几何中心间的偏心距能在一定范围内调节，则可实现偏心泵的输出排量的改变，成为变量齿轮泵。当然，在变量偏心齿轮泵的参数设计、吸排油腔的密封、噪声、卸荷等方面有许多工作要做。
图4 偏心齿轮泵
（5）变转速
鉴于齿轮泵变量的最终目的，是实现多种供油流量输出，根据液压泵的输出流量Q=qn.ηv(q为排量，n为主动轮的转速，ηv为泵的容积效率),可见，通过提高或降低转速，可改变齿轮泵的输出流量。但转速的提高除了受零件结构本身的限制外，还要防止当转速提高后因油液的离心力加大，油液来不及从吸油口进入或不能完全充满整个齿间而导致容积效率下降、产生吸空、气蚀现象。最高允许转速与工作油液的粘度有关，一般用限制齿轮顶圆的圆周速度的方法来确定最高转速。同样，齿轮泵的转速也不能太低，因为随着转速的降低，漏损便增大。当转速低到排油量等于漏损量时，齿轮泵就根本不能排油了。一般情况下，实际齿轮泵的转速不能低于300r/min。由于齿轮泵一般都由电动机驱动，在考虑了上述的转速限制条件的前提下，若采用变频无级调速方式来控制常规齿轮泵的转速，则可根据实际需要的流量大小来改变驱动电机或泵的转速，既实现了变输出流量的要求，又节约了能量，提高了整机的运行效率。变频调速是我国重点推广的十大高新技术之一，在传统齿轮泵的驱动系统上装上变频器，是实现齿轮泵变流量输出的新的有效途径。
参考文献
1何存兴。液压元件。北京：机械工业出版社，1982.2
2朱锡成等。齿轮螺杆式液压泵及马达。北京：机械工业出版社，1988.10
3吴限。关于一种新流量调节方式的齿轮泵之设想。机械设计，1996.8
4朱寿和。变量齿轮泵。机械设计，1995.4
5丁万荣等。BCB-B型变量齿轮泵研制。机床与液压，1998.1
6丁万荣等。BCB-B型变量齿轮泵的变量范围。机床与液压，1998.2
7胡宁双等。一种新型齿轮泵的研制及其性能改善.西安交通大学学报，1990.3(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(11/14/2004) |
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