直线共轭内啮合齿轮泵的性能分析与仿真研究

摘要

直线共轭内啮合齿轮泵是一种具有特殊齿形、无浮动侧板的定量泵。该泵不仅具有结构简单，外形尺寸小，运转噪声和流量脉动小，齿廓曲线的曲率半径大，困油体积小，困油容积变化幅值小，承载能力强，传动平稳，对介质污染敏感性小等优点，而且可以输送粘度高、压力大的介质，是一种目前颇具竞争力的液压动力元件。由于该泵的端面间隙和径向间隙都是定值，运动件之间是靠固定微小间隙来密封的。所以，端面及径向间隙的不同对齿轮泵的困油特性、瞬时流量的输出特性以及内泄漏特性产生很大的影响，并且随着该泵工作的进行，间隙值将会产生变化。因此，如何恰当地设计间隙值对该泵的性能将产生极大的影响。
　　本学位论文以型号为QX51-080R的直线共轭内啮合齿轮泵为研究对象，具体开展了如下的研究工作：
　　首先，比较了三种常见内啮合齿轮泵齿廓曲线的生成原理以及工作特性，得出了直线共轭内啮合齿轮泵所具备的优点及不足之处；总结了直线共轭内啮合齿轮泵齿廓方程的推导方法，并利用MATLAB仿真软件对已得出的齿廓曲线方程进行了验证，得到了直线共轭内啮合齿轮泵齿廓曲线的具体形状以及该泵困油容积很小的原因。
　　其次，为了利用流场仿真软件Fluent中的动网格技术，本论文详细介绍了仿真计算的理论基础以及有限元模型的创建过程，并着重讲述了动网格参数的设置技巧以及用户自定义函数(UDF)的编写过程。
　　再次，利用动网格技术对直线共轭内啮合齿轮泵不同初始啮合间隙下的有限元模型进行仿真计算，确定了能形成困油现象的最大间隙值；比较了不同径向间隙下的困油压力以及真空度的大小，得到了泄漏量最小时的间隙范围以及该泵困油容积变化量极小的结论；分析了该泵流量脉动产生的机理，对比了不同初始啮合间隙下的输出流量值以及输出流量脉动率的大小，得出了泄漏量较小时的初始啮合间隙范围。
　　最后，利用数值模拟软件PumpLinx对不考虑间隙泄漏与综合考虑轴向及径向间隙泄漏时两种情形下不同径向间隙所对应的三维有限元模型进行仿真计算，分析并比较了不同径向间隙下的困油特性、内泄漏特性及瞬时流量的变化特性，最后以间隙泄漏所引起的输出流量脉动率和困油压力值最小以及困油区域的面积最少为目标，得出了该直线共轭内啮合齿轮泵的最佳径向间隙范围以及在该范围内的最佳端面间隙和径向间隙值。

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附表索引

第一章 绪 论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 内啮合齿轮泵的发展趋势

1.4 课题的主要研究内容

1.5 课题的创新性

第二章 直线共轭内啮合齿轮泵的齿形分析与计算

2.1 直线共轭内啮合齿轮泵的工作原理及几何参数

2.2 三种不同齿廓曲线内啮合齿轮泵的分析比较

2.3 直线共轭内啮合齿轮泵齿廓方程的推导方法

2.4 直线共轭内啮合齿轮泵内外齿轮的齿廓方程求解

2.5 直线共轭内啮合齿轮泵内外齿轮的齿廓曲线

2.6 齿廓极限啮合点

2.7 本章小结

第三章 直线共轭内啮合齿轮泵的内部流场仿真分析

3.1 流动特性与湍流理论

3.2 流体动力学基本控制方程

3.3 直线共轭内啮合齿轮泵流道模型的建立

3.4 直线共轭内啮合齿轮泵流道模型的流场仿真分析

3.5 本章小结

第四章 直线共轭内啮合齿轮泵不同径向间隙下的瞬态模拟仿真

4.1 直线共轭内啮合齿轮泵困油现象产生的原因及其危害

4.2 不同初始啮合间隙下困油压力及真空度的比较

4.3 直线共轭内啮合齿轮泵不同啮合间隙下流量脉动的比较

4.4 本章小结

第五章 直线共轭内啮合齿轮泵内部泄漏和最佳间隙的确定

5.1 PumpLinx软件简介

5.2 直线共轭内啮合齿轮泵的内部泄漏途径

5.3 直线共轭内啮合齿轮泵不同径向间隙下的数值模拟计算

5.4 本章小节

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文