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端面间隙对齿轮泵性能研究与在液压系统中

发布日期:2017-05-23 点击:

目前航空发动机滑油泵广泛采用齿轮泵,其优点是外廓尺寸小、质量轻、结构简单、工作以及对工作液清洁度不敏感等。但是,齿轮泵也有   的缺点,比如对间隙特别是端面间隙要求较高,端面间隙增加会引起齿轮泵容积效率的显著下降。资料表明,对于某些齿轮泵,端面间隙增加0.1mm,容积效率甚至可能下降约20%。

一直以来,间隙影响的研究均是齿轮泵研究领域的热点问题。应用动网格技术处理齿轮泵啮合过程中计算域随时间变化的问题,成功地模拟了齿轮泵的啮合过程和间隙泄漏现象。通过建立相应的微分方程组模型,分析了外啮合齿轮泵困油容积/困油压力与卸荷槽宽度及齿顶间隙之间的关系;基于功率损失和间隙的关系,推导出了外啮合齿轮泵的佳理论齿顶间隙;从提率的角度,对外啮合齿轮泵进行了间隙优化。

作者以某航空发动机润滑系统中的齿轮泵为研究对象,建立一种齿轮泵性能全三维非定常数值计算模型,分析不同端面间隙对齿轮泵性能的影响规律。这将大大加深对齿轮泵端面间隙影响机理的认识,为航空发动机润滑系统中齿轮泵的设计和选型提供重要的参考依据。

1研究对象

文中的研究对象为某航空发动机润滑系统中的供油齿轮泵,工作介质为滑油。

2数值计算方法

采用三维不可压非定常N-S方程,湍流模型为标准κ-ε两方程模型,壁面附近采用标准壁面函数,基本方程的求解采用基于压力的求解方法,求解器采用有限体积法。

计算网格采用三棱柱非结构网格,网格总数约为110万。为了好地捕获齿轮泵内部流场特征,对泵体网格,特别是间隙网格进行了加密。根据齿轮泵的工作过程特点,采用动网格技术来处理泵体计算域随时间变化问题。计算时,通过自定义文件给定齿轮转速,泵体网格随着两个齿轮的啮合过程不断重构以网格质量。

计算边界条件给定如下:给定总温、总压和速度方向;出口给定反压。计算收敛条件为:和出口流量差值达到收敛要求,并呈现规律周期性变化。

以转速为3000r/min为例,图4给出了某时刻不同端面间隙的齿轮泵底部50%端面间隙高度的速度分布云图(其他转速类似,限于篇幅不予给出)。可以看出,端面间隙泄漏中速度高的区域分布在齿轮泵的啮合处,这表明间隙泄漏主要是由于齿轮泵进出口之间的压差引起,出口区域的高压油经过端面间隙压回区域形成了端面间隙漏流。随着端面间隙的增大,间隙中的漏流速度也在增加,这造成泄漏流量的增大,从而导致了容积效率的下降。

为转速3000r/min时,不同端面间隙下齿轮泵的流量随时间的脉动特性。在经过大约0.001s后,流量已经呈规律的周期性变化,表明计算模型的收敛性很好,较为准确地模拟了齿轮泵的工作过程中流量的变化规律。可以看出,在不同的端面间隙下,齿轮泵流量脉动的幅度大约都为时均流量的9%左右,表明对于文中所计算的齿轮泵,端面间隙对流量脉动的影响不明显。

在液压系统中,管路内流动的液体常常会因很快地换向和阀口的突然关闭,在管路内形成一个很高的压力峰值,这种现象叫液压冲击。1)液压冲击的危害①冲击压力可能高于正常工作压力的3-4倍,使系统中的元件、管道、仪表等遭到破坏。冲击产生的冲击压力使压力继电器误发信号,干扰液压系统的正常工作,影响液压系统的工作稳定性和性。③引起振动和噪声、联结件松动。i成漏油、压力阀调节压力改变、流量阀调节流量改变;影响系统正常工作。(2)液压冲击产生的原因①管路内阀口关闭时产生液压冲击。②运动部件在高速运动中突然被制动停止,产生压力冲击(惯性冲击)(3)防止液压冲击的一般办法对于阀口突然关闭产生的压力冲击,可采取下述方法排除或轻。a.减慢换向阀的关闭速度,即增大换向时间£。例如采用直流电磁阀比交流的液压冲击要小;齿轮泵采用带阻尼的电液换向阀可通过调节阻尼以及控制先导阀的压力和流量来减缓主换向阀阀芯的换向(关闭)速度,液动换向阀也与此类似。b.增大管径,减小流速,从而可减小△I/,以减小冲击压力△夕,缩短管长,避免不   的弯曲;或采用软管也行之。c.在滑阀   关闭前减慢液体的流速。例如改进换向阀阀控制边的结构,即在阀芯的棱边上开长方形或V形节流槽,或做成锥形(半锥角2.—5.)节流锥面,较之直角形控制边,液压冲击大为减小;在外圆磨床上,对先导换向阀采取预制动,然后主换向阀快跳至中间位置,工作台液压缸左、右腔瞬时进压力油(主阀为P型),这样可作台无冲击地平稳停止;平面磨床工作台换向阀可采用H型,当换向阀快跳后处于中间位置时,液压缸左、右两腔互通且通油池,可减小制动时的冲击压力。



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