某型齿轮泵壳体进、出口贯通性扫膛分析

某型齿轮泵壳体进、出口贯通性扫膛分析

高飞 1；徐顺 2

1海军驻南京地区第四军事代表室，江苏南京

2金城南京机电液压工程研究中心；江苏南京

[摘要] 针对某型齿轮泵壳体进、出口贯通性扫膛问题，通过受力分析、尺寸链计算，并结合机上液压系统分析以及模拟试验，结果表明：齿轮泵反转将导致进、出口贯通性扫膛。由于机上齿轮泵出口连接单向阀，反转时出口腔变为吸油腔，出口腔封闭区间形成负压，迫使齿轮移向出口腔，将出口腔扫膛，进而形成进、出口贯通性扫膛。本文为该类产品的修理工作提供了指导性作用。

[关键词] 齿轮泵；扫膛；径向力

1 前言

由于具有抗污染能力强、结构简单、易操作、自吸性能好等优点，齿轮泵在行业内得到了广泛应用。在齿轮泵设计时，通常将泵中齿轮的齿顶与壳体内孔的间隙设计为零间隙或少量过盈间隙，磨合时，因径向力作用，齿轮顶部对壳体的进口腔进行微量的扫膛。工作压力越高，间隙就越小，有利于减小径向泄漏。目前，使用浮动轴套的齿轮泵，多数采用“扫膛”法减小径向间隙[1-2]。

在齿轮泵修理过程中，发现1台齿轮泵壳体腔进、出口贯通性扫膛如图1所示，进口腔扫膛最大深度0.054mm，出口腔扫膛最大深度0.029mm。贯通性扫膛降低了齿轮泵效率，且会产生微量金属屑，经过油路进入系统，对系统不利。针对该现象，通过分析齿轮泵受力、计算尺寸链以及分析机上液压系统，提出相对应的改进措施。

图1 壳体进、出口贯通性扫膛图

2进、出口贯通性扫膛影响因素分析

图2 齿轮泵结构原理图

某型齿轮泵为某直升机左、右液压系统提供液压能源，该型齿轮泵主要结构包括主动齿轮、从动齿轮、浮动轴套、壳体，如图2所示。相互啮合的齿轮装在由壳体、浮动轴套、前后盖组成的密封空间内，齿轮啮合线将进、出口密封区间分隔开，形成密封的进口腔和出口腔。

2.1 齿轮受力分析

齿轮正常转动时，齿轮所受径向力为作用在齿轮上液压力以及齿轮啮合力两者的合力。齿轮所受液压力沿圆周逐渐变化，进口腔为低压腔，出口腔为高压腔，进口腔与出口腔之间的过度区域压力可近似认为均匀变化。为方便计算，近似假定[3-4]：

图3 液压力分布近似曲线

1）液压力作用于齿轮齿顶。

2）吸油区（）压力为 P1为定值，压油区压力P2为定值。

3）过渡区（压力值均匀改变。

根据图3，齿轮圆周的压力为：

齿轮泵进口腔连接开式油箱，油箱顶部与大气相通，故。

在齿顶位置选取一面积（角度，宽），并对液压力进行积分可得，：

式中：

当，对齿轮圆周压力积分，液压力、方向分力：

当，对齿轮圆周压力积分，液压力、方向分力：

当，对齿轮圆周压力积分，液压力、方向分力：

式中：

两个齿轮参数完全相同，，两个齿轮所受啮合力数值相同，：

式中：

因此，齿轮所受合力为：

齿轮所受合力和Y轴的夹角为：

齿轮稳定工作时，啮合点在节点周围一直移动，所以啮合力也在一定区间内不断变化，取。

经计算可得主动齿轮所受径向力为：

从动齿轮所受径向力为：

图4 齿轮受力图

因此，在F1与F2的作用下，两啮合齿轮向进口腔移动趋势，如图4所示。

2.2 壳体扫膛量理论计算

壳体扫膛量与壳体内孔、浮动轴套内孔、轴径相关尺寸有关[5]，如图5所示

图5 工作状态零件位置

图7 扫膛量尺寸链计算

依据图7可得出齿轮偏移计算如下：

(0.015～0.037)+-=

（0.004～0.038）mm

考虑以下形位公差：a）轴径与齿顶跳动0.005，同轴度0.005；b）浮动轴套内外圆的同轴度0.012；c）复合轴承内外圆同轴度0.005。

因此最大扫膛量为：

=0.054mm

考虑复合轴承的0.01mm的磨损量,因此齿轮最大偏移量为0.064mm。结合齿轮泵工作时的受力分析可知，齿轮齿顶将对壳体进口腔进行微量的扫膛。实际测量使用后的齿轮泵进口扫膛深度，最大深度约0.06mm，与理论值接近。

2.3 进、出口贯通性扫膛故障分析

图8 机上液压系统

出口腔出现扫膛，表明工作时齿轮向出口腔偏移，即进口腔压力大于出口腔压力。机上液压系统如图8所示，齿轮泵出口侧连接单向阀，齿轮泵进口侧连通开式油箱，油箱顶部与大气相通。

正常工作时，旋翼旋转方向一定，但在地面维护检查时，发现存在手动反向转动旋翼的情况，齿轮泵会随之反转。齿轮泵反转，产品的出口腔变为吸油腔，此时单向阀处于关闭状态，齿轮泵出口腔至单向阀间管路将形成封闭区间，并将产生负压，根据齿轮受力分析，此时齿轮径向力与正常工作时相反，齿轮在此径向力作用向出口腔偏移。因此，贯通性扫膛原因可能为齿轮泵反转引起。

3模拟机上试验

为了验证进出、口贯通性扫膛原因，按图8搭建试验台。选取1台壳体出口腔完好齿轮泵。将设备电机先以6000r/min正转，运行1min后分解检查，进口腔如图9所示，后再模拟机上转速以60r/min进行反转，运行1min后分解检查，出口腔如图10所示。表1为壳体腔扫膛深度计量数据。

表1壳体腔扫膛深度计量

试验结果表明，在机上液压系统中，正转将形成将进口腔扫膛，反转将造成出口腔扫膛，进而形成进、出口贯通性扫膛。

4改进措施

根据上述分析，鉴于机上液压系统成熟度高，改进措施为：禁止在维护时反向转动旋翼。措施实施后齿轮泵再未出现进、出口贯通性扫膛，表明改进措施合理可行、有效，降低了齿轮泵故障率，有力保障了系统的长期稳定运行。

5结论

本研究针对某型齿轮泵进、出口贯通扫膛问题，通过齿轮受力分析以及尺寸链计算，并结合机上液压系统分析以及模拟试验，开展进、出口贯通性扫膛研究，研究表明: 齿轮泵反转是导致进、出口贯通性扫膛的原因。由于机上齿轮泵出口处连接单向阀，齿轮泵反转时，出口腔变为吸油腔，由于单向阀作用，出口腔区间形成负压，使齿轮向出口腔偏移，由于齿轮转动，从而将壳体壁扫膛。同时提出禁止在维护时反向转动旋翼的改进措施。有效的降低了齿轮泵故障率，措施合理、有效。本文对其它齿轮泵扫膛修理工作有一定的借鉴作用。

参考文献：

[1] 侯永军.某低压泵组件运转后扫膛问题分析.航空精密制造技术［J］,2017（53）：59-62.

[2] 杨成.内啮合齿轮泵主要结构的优化设计［D］.济南：济南大学,2011.

[3] 程辉.内啮合齿轮泵间隙自动补偿研究［D］.杭州：浙江大学,2015.

[4] 何存兴. 液压元件 [M].北京: 机械工业出版社,1982.

[5] 李壮云，葛宜远.液压元件与系统[M].北京: 机械工业出版社,1999.

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