为改善与提高液氨类介质齿轮泵的进口空化性能和有效容积率,从进口流道的方向与位置设计及齿轮副基本参数优化等方面,提出一款来流方向垂直于泵内搬运方向即具有垂直型流向的齿轮泵.基于现有的优化模型,通过单位排量体积优化目标的公式修正,新增有效容积率约束,新建根切重合度约束,优化出齿轮副的模数、齿数、变位系数、齿顶高系数等基本参数,并据此进行相关分析.结果表明现行通过主动轮齿顶啮合计算出的重合度不可靠,只有通过从动轮齿根点能否进入啮合计算出的重合度,才能保证齿轮副的连续传动;垂直型流向有利于进口空化性能的提高和困油性能的改善,外形上具有轴向尺寸小、径向尺寸大的几何特征等.方法为适用于任何介质的齿轮泵设计提供了一种新的思路.

流体介质的搬运质量直接影响着齿轮泵的整体性能,其内部流场分布的精确分析甚为关键.基于UGNX 3D建模软件和专门的泵类CFD分析软件Pumplinx,首先通过装配方式建立出具有双侧间隙的主流域齿轮副3D模型,其次通过辅流域的补建模型构建出完整的流域3D模型,然后通过仿真运算确定适宜的前处理、网格划分和交互面创建,最后通过模块选取相关参数的设置来进行内部介质的搬运仿真. Pumplinx强大的后处理能力能快速获取泵内部介质的搬运质量,可为后续容积泵开发及空化性能分析等提供精确的流场分布.

为满足齿轮泵高速下困油的充分卸荷,基于同样的齿形参数和工况条件,先后进行了实验、仿真和理论分析。给出了新槽的形位及尺寸;进行了困油压力的实例运算。由实验、仿真和理论结果的一致性,说明了理论分析的正确性;在0.03mm小侧隙下,当转速分别为1000r/min、3000r/min、5000r/min时,新槽、矩形槽的压力峰值增加率分别为1.75%、15.00%、41.5%和9.50%、85.00%、236.25%,说明矩形槽能满足低速困油卸荷要求,新槽能满足中速困油卸荷要求;转速5000r/min和0.2mm大侧隙下,新槽的压力峰值增加率为22.75%,说明能满足高速下的卸荷要求。

为解决当前泵用齿轮副侧隙大、小界定含糊的问题,基于侧隙传动与困油的性能要求,从双齿啮合区内的2困油容积连通和单齿啮合区卸荷的性能完善方面,通过困油循环及困油过程的分析,建立出2类区域内的困油流量及峰值,推导出卸荷用侧隙、连通用侧隙及其均值和峰值;并进行实例运算和验证分析。结果表明：卸荷区与连通区的困油流量峰值比为3,前者的卸荷负担最大;连通区的真正连通,所需侧隙高达2.41 mm,实际上并不存在;卸荷侧隙大于连通侧隙,以连通侧隙作为侧隙大与小的分界点,卸荷侧隙作为上限值的界定可行;计算与试验的侧隙误差为7.5%,比较吻合,且上限值有20%的安全裕度,比较可靠等。泵用侧隙的界定为大、小侧隙的正确区分提供了参考,也可为后续的相关研究提供参考。

研究了解决齿轮泵高速化下困油压力缓解的优化设计。以模数、齿数和变位系数为优化变量,通过对最大困油流量和最大卸荷面积的分析,建立困油缓解的两大目标函数;结合泵现有针对流量脉动率和单位排量体积与径向力方面的要求,采用SUMT技术构建优化模型;就优化前后的不同结果,分别进行困油压力的仿真分析与验证。结果表明,模数越大,齿数和变位系数越小,最大卸荷面积越大,有利于困油现象的缓解;但齿数和变位系数越小,最大困油流量却越大,不利困油现象的缓解,存在一个优化的问题;案例优化前的仿真结果与测试结果比较吻合,误差控制在4.9%左右,说明了困油模型的可靠性;最大困油压力优化前后降低了65.41%,缓解效果明显。

为兼顾齿轮泵自吸能力、气穴性能和轻量化的性能要求,首先由建立的吸油腔的容积变化率,吸油腔内的介质压力等于介质本身的气穴压力,推导出齿轮泵气穴性能的评价指标;其次,以模数、齿数、齿顶高系数、变位系数、圆形吸口半径作为设计变量,以单位排量体积和最小吸油腔压力为双目标函数,进行优化设计;最后,进行了实例运算及分析。结果表明：优化后的齿顶最大圆周速度放大了37.7%,使得泵在齿形参数、转速上有更大的选取空间;圆形入口半径减小了19.3%,有利于泵总体体积的减小;单位排量体积较优化前减小了38.2%,实现了轻量化的目的等。基于气穴性能的优化设计,为后续的进一步研究,提供了理论依据。

为有效避免齿轮泵吸油腔内的空化现象，基于扫过面积法，以主、从动齿轮上的两条啮合半径为边界，构建包含啮合点和啮合半径在内的密闭空间吸油腔，并推导出对应的体积变化率；基于困油的充分卸荷，依据吸油腔的体积变化率等于与腔外的交换流量，推导吸油腔内介质动态压力及其最小值的计算公式，并建立避免空化现象的判别式，进行实例运算和结果分析。结果表明：啮合位置的变化，导致了吸油腔内介质压力的动态变化；节点啮合位置处，压力取最小值；入口半径是有效避免空化现象的主要因素等，其正确选择能有效避免空化现象。计算最小压力时考虑了众多因素，为齿轮泵后续进一步提高空化性能的研究提供了理论基础。