齒輪泵的研究與三維造型設(shè)計.doc

一種齒輪泵的研究與三維造型設(shè)計-1-第一章概述上至翱翔藍天的飛機和直沖云霄的人造衛(wèi)星、宇宙飛船下到地下的鉆井、礦藏的開采；從地上奔馳的火車、坦克,到海上航行的艦船和海底的潛艇；從茫茫田野作物的灌溉，到城市生活和生產(chǎn)中的給排水,乃至科學實驗,凡是要讓液體(甚至固體)流動的地方，就有泵在工作。目前,我國制造的水泵最大直徑6米,足可吞進一條大船,每小時的工作量可達35萬立方米，大有使河水倒流之勢。而最小微型泵的流量還不如常用注射劑，每小時只有幾十毫升以下，真是大得洶涌澎湃，小似一點一滴。其工作壓可以從常壓一直升高到l000個大氣壓以上，隨著離心泵的設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)日益完善，揚程直接迭選3000米以上的高度易如舉手之勞，輸送液體的溫度變化范圍更大，可輸?shù)偷?00以下的液態(tài)氧、氫等低溫液體,亦可輸高達800以上的液態(tài)金屬和液體，泵輸進液體介質(zhì)種類很多，再把泵僅作抽水的工具來理解,顯然已很不全面。當今的泵既可以輸送常溫清水，也可以輸送油液、酸堿液、乳化液和易燃易爆有毒的液體，并已發(fā)展到輸送帶有直徑可以大至幾百毫米的煤、礦石、魚、甜菜等固體顆粒的渣體,不產(chǎn)生堵塞,不破壞其本來形狀。盡而泵被列為通用機械，它是發(fā)展現(xiàn)代化工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防技術(shù)必不可少的機器之一。1.1泵的發(fā)展歷史泵是輸送液體或使液體增壓的機械。它將原動機的機械能或其他外部能量傳送給液體，使液體能量增加。泵主要用來輸送的液體包括水、油、酸堿液、乳化液、懸乳液和液態(tài)金屬等，也可輸送液體、氣體混合物以及含懸浮固體物的液體。水的提升對于人類生活和生產(chǎn)都十分重要。古代就已有各種提水器具，例如埃及的鏈泵(公元前17世紀)，中國的桔槔(公元前17世紀)、轆轤(公元前11世紀)和水車(公元1世紀)。比較著名的還有公元前三世紀，阿基米德發(fā)明的螺旋桿，可以平穩(wěn)連續(xù)地將水提至幾米高處，其原理仍為現(xiàn)代螺桿泵所利用。公元前200年左右，古希臘工匠克特西比烏斯發(fā)明的滅火泵是一種最原始的活塞泵，已具備典型活塞泵的主要元件，但活塞泵只是在出現(xiàn)了蒸汽機之后才得到迅速發(fā)展。18401850年，美國沃辛頓發(fā)明泵缸和蒸汽缸對置的蒸汽直接作用的活塞泵，標志著現(xiàn)代活塞泵的形成。19世紀是活塞泵發(fā)展的高潮時期，當時已用于水壓機等多種機械中。然而隨著需水量的劇增，從20世紀20年代起，低速的、流量受到很大限制的活塞泵逐漸被高速的離心泵和回轉(zhuǎn)泵所代替。但是在高壓小流量領(lǐng)域往復泵仍占有主要地位，尤其是隔膜泵、柱塞泵獨具優(yōu)點，應用日益增多。回轉(zhuǎn)泵的出現(xiàn)與工業(yè)上對液體輸送的要求日益多樣化有關(guān)。早在1588年就有了關(guān)于四葉片滑片泵的記載，以后陸續(xù)出現(xiàn)了其他各種回轉(zhuǎn)泵，但直到19世紀回轉(zhuǎn)泵仍存一種齒輪泵的研究與三維造型設(shè)計-2-在泄漏大、磨損大和效率低等缺點。20世紀初，人們解決了轉(zhuǎn)子潤滑和密封等問題，并采用高速電動機驅(qū)動，適合較高壓力、中小流量和各種粘性液體的回轉(zhuǎn)泵才得到迅速發(fā)展?；剞D(zhuǎn)泵的類型和適宜輸送的液體種類之多為其他各類泵所不及。利用離心力輸水的想法最早出現(xiàn)在列奧納多達芬奇所作的草圖中。1689年，法國物理學家帕潘發(fā)明了四葉片葉輪的蝸殼離心泵。但更接近于現(xiàn)代離心泵的，則是1818年在美國出現(xiàn)的具有徑向直葉片、半開式雙吸葉輪和蝸殼的所謂馬薩諸塞泵。18511875年，帶有導葉的多級離心泵相繼被發(fā)明，使得發(fā)展高揚程離心泵成為可能。盡管早在1754年，瑞士數(shù)學家歐拉就提出了葉輪式水力機械的基本方式奠定了離心泵設(shè)計的理論基礎(chǔ)，但直到19世紀末，高速電動機的發(fā)明使離心泵獲得理想動力源之后，它的優(yōu)越性才得以充分發(fā)揮。在英國的雷諾和德國的普夫萊德雷爾等許多學者的理論研究和實踐的基礎(chǔ)上，離心泵的效率大大提高，它的性能范圍和使用領(lǐng)域也日益擴大，已成為現(xiàn)代應用最廣、產(chǎn)量最大的泵。齒輪泵結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，體積小，重量輕，且有自吸能力強、對油液污染不敏感等特性，因而應用較為廣泛。1.2齒輪泵的研究現(xiàn)狀齒輪泵結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，體積小，重量輕，且有自吸能力強、對油液污染不敏感等特性，因而應用較為廣泛。齒輪泵的主要缺點是徑向液壓力不平衡，軸承壽命短；流量脈動大，噪聲高。另外，其排量不可調(diào)節(jié)，使用范圍受到限制。國內(nèi)外有關(guān)齒輪泵的研究主要集中在以下幾個方面。(1)齒輪參數(shù)及泵體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計；(2)補償面及齒間油膜的計算機轆助分折；(3)困油沖擊及卸荷措施，齒輪泵的困油現(xiàn)象對齒輪泵乃至整個液壓系統(tǒng)都產(chǎn)生了很大的危害。困油沖擊與齒輪嚙合的重疊系數(shù)及卸荷是否完全等有很大關(guān)系(包括卸荷槽的位置、形狀及面積等)；(4)齒輪泵噪聲的控制技術(shù)；(5)降低齒輪泵的流量脈動的方法，由于齒輪泵的流量脈動較大，在一些要求較高的液壓系統(tǒng)中，很少采用齒輪泵。關(guān)于降低齒輪泵流量脈動的方法已有很多，如合理選擇齒輪的參數(shù)；采用剖分式齒輪；采用多齒輪等；(6)輪齒表面涂覆技術(shù)及其特點；(7)輪齒彎曲應力及接觸疲勞強度的計算，齒輪泵的輪齒彎曲應力及接觸疲勞強度計算與一般齒輪轉(zhuǎn)動的彎曲應力及接觸疲勞強度計算是有區(qū)別的；(8)齒輪泵的變量方法研究；(9)齒輪泵的壽命及其影響因素；(10)齒輪泵高壓化的途徑，而提高工作壓力所帶來的問題是：1軸承壽命大大縮短；2泵泄漏加劇，容積效率下降。產(chǎn)生這兩個問題的根本原因在于齒輪上作用了不平衡的徑向液壓力，且工作壓力越高，徑向液壓力越大。目前國內(nèi)外學者針對以上兩個問題所進行的研究是：(1)對齒輪泵的徑向間隙進行補償；(2)減小齒輪泵的徑向液壓力，如優(yōu)化齒輪參數(shù)，縮小排液口尺寸等；(3)提高軸承承載能力，如采用復合材料滑動軸承代替滾針軸承等,但這些方法都沒有從根本上解決問題。一種齒輪泵的研究與三維造型設(shè)計-3-1.3齒輪泵的發(fā)展趨勢液壓傳動系統(tǒng)正向著快響應、小體積、低噪聲的方向發(fā)展。為了適應這種要求，齒輪泵除積極采取措施保持其在中低壓定量系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等的霸主地位外，尚需向以下幾個方向發(fā)展：(1)高壓化高壓化是系統(tǒng)所要求的，也是齒輪泵與柱塞泵、葉片泵競爭所必須解決的問題。齒輪泵的高壓化工作已取得較大進展，但因受其本身結(jié)構(gòu)的限制，要想進一步提高工作壓力是很困難的，必須研制出新結(jié)構(gòu)的齒輪泵。這方面，多齒輪泵將有很大優(yōu)勢，尤其是平衡式復合齒輪泵。(2)低流量脈動流量脈動將引起壓力脈動，從而導致系統(tǒng)產(chǎn)生振動和噪聲，這是與現(xiàn)代液壓系統(tǒng)的要求不符的。降低流量脈動的方法，除了前面所介紹的措施外，采用內(nèi)嚙合齒輪泵及多齒輪泵(如復合齒輪泵)將是一種趨勢。(3)低噪聲國外早就有“安靜”的液壓泵之說。隨著人們環(huán)保意識的增強對齒輪泵的噪聲要求也越來越嚴格。齒輪泵的噪聲主要由兩部分組成，一部分是齒輪嚙臺過程中所產(chǎn)生的機械噪聲，另一部分是困油沖擊所產(chǎn)生的液壓噪聲前者與齒輪的加工和安裝精度有關(guān)，后者則主要取決于泵的卸荷是否徹底。對于外嚙臺齒輪泵，要實現(xiàn)完全卸荷是很困難的，因此進一步降低泵的噪聲受到一定的限制。在這方面內(nèi)嚙合齒輪泵因具有運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、無困油現(xiàn)象、噪聲低等特點，因此今后將會有較大發(fā)展。(4)大排量對于一些要求快速運動的系統(tǒng)來說，大排量是必需的。但普通齒輪泵排量的提高受到很多因素的限制。這方面，平衡式復臺齒輪泵具有顯著優(yōu)勢，如1臺三惰輪復合齒輪泵的排量相當于6臺單泵的排量。(5)變排量齒輪泵的排量不可調(diào)節(jié)，限制了其使用范圍。為了改變齒輪泵的排量，國內(nèi)外學者進行了大量的研究工作，并取得了很多研究成果。有關(guān)齒輪泵變排量方面的專利已有很多，但真正能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的很少。但不管怎樣，齒輪泵的變排量將是一個發(fā)展方向。1.4泵的分類一、按泵作用于液體原理分類1、葉片式泵（動力式泵）由泵內(nèi)葉片在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力作用將液體連續(xù)的吸入并壓出。葉片式泵包括離心泵、混流泵、軸流泵、部分流泵及旋渦泵。2、容積式泵(正排量泵）包括往復式泵和容積式泵。它們分別由泵內(nèi)活塞作往復運動或轉(zhuǎn)子作旋轉(zhuǎn)運動而產(chǎn)生擠壓作用將液體吸入并壓出。前者排液過程是間歇的。常一種齒輪泵的研究與三維造型設(shè)計-4-見的往復式泵有各種型式活塞泵、柱塞泵及隔膜泵等。常見回轉(zhuǎn)式泵有外嚙合齒輪泵、內(nèi)嚙合齒輪泵、螺桿泵、回轉(zhuǎn)徑向柱塞泵、回轉(zhuǎn)軸向柱塞泵、滑片泵羅茨泵及液環(huán)泵等。3、其它類型泵包括利用流體靜壓或流體流體動能來輸送液體的流體動力泵。如噴射泵、空氣升液器、水錘泵等。另外還有利用電磁力輸送液體的電磁泵。二、按泵的用途分類按泵的用途可分為進料泵、回流泵、塔底泵、循環(huán)泵、產(chǎn)品泵、注入泵、排污泵、燃料油泵、潤滑油泵和封液泵等。三、按所適用的介質(zhì)分類分為清水泵、污水泵、泥漿泵、砂泵、灰渣泵、耐酸泵、堿泵、冷油泵、熱油泵、低溫泵等。其中液壓泵經(jīng)歷了近一個世紀的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，因此要求更高的設(shè)計工藝水平以及融現(xiàn)代化的最新技術(shù)才能達到更完美的階段。為進一步發(fā)展液壓泵，下面介紹典型液壓泵