渐开线外啮合齿轮泵以结构简单、造价低廉等优点而在矿山、工程等领域应用广泛,但目前关于精准计算其瞬时流量、排量的文献较少。为此,基于齿轮啮合机制、轮齿齿廓性质以及转角和啮合点的关系,建立齿轮泵瞬时输出流量的数学及仿真模型。针对齿轮泵重合度、齿轮变位、卸荷槽、侧隙等影响因素对模型进行论证,进而提出一种精准计算渐开线外啮合齿轮泵排量的方法,并采用Simulink仿真软件对不同类型外啮合齿轮泵的瞬时流量进行仿真模拟。同时利用3种不同型号齿轮泵验证排量公式,其最大误差在5%以内。验证计算模型有效性后,基于MATLAB设计了齿轮泵计算辅助平台,实现了外啮合齿轮泵瞬时流量、排量性能可视化,以简化计算流程,适应工程化应用。

预测齿轮泵泄漏量的变化趋势有助于定量分析其性能退化过程。变分模态分解(Variational Modal Decomposition, VMD)方法对齿轮泵原始泄漏量数据进行变分模态分解,得到本征模态函数IMF,提出一种结合麻雀优化算法(Sparrow Search Algorithm, SSA)和长短期记忆神经网络(Long-Short Term Memory, LSTM)的模型,建立VMD-SSA-LSTM模型预测齿轮泵泄漏量的变化情况,并对每一个分量进行单独预测,最后将预测结果进行叠加,获得完整的预测结果。通过对比不同时间段预测结果可知,VMD-SSA-LSTM模型较单一的LSTM模型预测结果的平均相对误差最高可减小25.2%,能够完成对泄漏量的有效预测。研究结论可为齿轮泵性能衰退的定量预测提供理论支持。

为探求建立齿轮泵最小困油压力解析式以克服试验和仿真上的局限性,分大、小侧隙2种情况,针对困油的膨胀阶段,采用细长孔的流量公式计算侧隙内的压差流量,在对困油的轴向泄漏路径做适当简化后,由困油区内的"困油容积的膨胀率=泄漏量",即困油压力变化率为零的瞬态位置,计算出最小的困油压力,并与现有文献的试验结果做比对分析.结果表明,最小困油压力发生在卸荷槽开口附近,处于内侧时一般会出现负值的最小困油压力,处于外侧时可近似为进口压力;最小困油压力由出口压力和转速2部分的线性贡献所得,出口压力的影响为正,转速的影响为负;泵卸荷槽整体向进油侧偏置比较合理.所建解析式可快速求出最小困油压力及其发生位置,从而节省大量的过程计算,减少过程仿真的累积误差,结果更精确.

为计算出精确的侧隙流量以克服现有方法上的局限性,通过齿侧轮廓精确分析给出不同啮合位置和不同偏移量下的侧隙高度,然后由齿侧全间隙的等效齿廓和真实齿廓分多种方法计算出侧隙流量,并加以对比分析.结果表明,不同啮合位置处的侧隙流量变化很大,进入困油啮合时侧隙流量最小,退出啮合时侧隙流量最大;在困油压缩区域中,侧隙流量可采用等效齿廓法来计算,但不适用于膨胀区域;孔口流量理论不适宜于侧隙流量的计算,尤其在困油即将终止时以及侧隙值、压差较大时更不可取;任一位置处的齿侧全间隙长度基本保持不变,对于任一偏移量下的间隙值随位置变量的影响很小.同时,得出目前通行的等效齿廓法以及薄壁孔理论不适宜于侧隙流量的计算等重要结论.

为提高航天器用超低黏度齿轮泵的容积率和减轻泵的质量,基于泵周向和径向的两类主要泄漏,给出容积率的计算公式;以泵体积最小和容积率最大构建出双目标优化模型;针对只考虑内泄漏最小、综合考虑体积和内泄漏最小、只考虑泵体积最小的3种优化方案,分别进行优化计算并对相关参数的影响进行分析。结果表明,为适应介质的超低黏度,泵齿轮副的齿顶圆直径以及齿顶厚度应尽可能大,轴孔直径尽可能小;轴向间隙对泵容积率影响极大,为控制内泄漏之关键;过渡区采用无减少径向力措施的全齿密封,为提高容积率之最佳选择;较大的进油口和较小的出油口直径,利于提高泵容积率及避免因自吸力不足而造成泵的气穴现象。

为了获得更加精确的外啮合齿轮泵内泄漏数学模型,将不确定性理论引入齿轮泵传统内泄漏模型中进行研究。将齿轮泵的轴向间隙、径向间隙、液压油温度、工作压力和输入转速作为随机变量,运用随机因子法和代数综合法建立齿轮泵随机内泄漏模型,进而获得在不确定性下的齿轮泵容积效率。将随机内泄漏模型研究结果和传统模型的计算结果分别与实验结果进行比较,证明随机内泄漏模型的正确性和优越性。

目前,有关资料对外啮合齿轮泵工作原理的表述是不全面和较模糊的。通过吸油、输油、排油三个过程对完整的外啮合齿轮泵工作原理进行详尽分析,总结出吸、排油腔的容积变化规律,并说明了这种容积变化不会影响到吸、排油腔的油压变化。

外啮合齿轮泵是液压系统中应用最广泛的动力源,具有良好的性能和较低的制造成本。基于SimulationX软件构建了考虑流量压力脉动的齿轮泵模型,基于泵的可变孔口、可变容积及间隙区域(均为角位移的函数)建立了流体动态模型。仿真获取了典型工况流量及压力的变化结果,并与实验数据进行了时域和频域的对比分析,对外啮合齿轮泵的输出特性预测方法进行研究。结果表明,仿真结果可以预测齿间容腔内达到的最大和最小压力,有助于防止气蚀以及减少泵噪声的研究;同时,在给定系统条件时,能够对泵的输出特性进行模拟预测。为外部齿轮泵的设计和开发提供工具,具有一定的工程领域应用价值。

通过研究外啮合齿轮泵输出流量以及从动轮所受液压力与平衡槽的关系，得出平衡槽的最佳尺寸。从而在保证齿轮泵容积效率的基础上，减小齿轮泵的困油现象和流量脉动。以某型号的高压齿轮泵为研究对象，通过建立理论公式求出齿轮泵所受的液压力；建立CFD模型，通过流体仿真得到液压力与出口流量；最后通过对比得出齿轮泵侧板的最佳角度、最佳深度和最佳宽度。

针对外啮合齿轮泵齿轮轴变形、轴承磨损严重的问题,根据齿轮全齿廓曲线在液压场中不同区域的受力情况及齿轮所受液压径向力随转角的变化,基于Matlab软件的自适应Gauss-Kronrod公式对齿轮受力进行数值积分,得到齿轮所受液压径向力的精确计算值。与现有文献上的计算方法相比,本文的计算结果更接近于实际,可为解决外啮合齿轮泵的径向力、提高齿轮泵的寿命提供参考。