外啮合齿轮泵设计及流场仿真.docx

本科毕业论文（设计）论文题目：外啮合齿轮泵设计及流场仿真摘要齿轮泵是一种在工业生产中应用特别广泛的传动装置,它的结构比较简单，工作的可靠性也比较高。本论文以CB-B20型齿轮为设计模型，对齿轮泵的核心零件进行设计，Solidworks软件建立出各零件模型，利用ANSYS软件对齿轮泵内部流场仿真分析，直观的了解压力分布和速度分布。关键词：CB-B20型齿轮泵；仿真；空穴论文类型：工程设计AbstractGearpumpisakindoftransmissiondevicethatisparticularlywidelyusedinindustrialproduction,itsstructureisrelativelysimple,andthereliabilityofworkisrelativelyhigh.ThispapertakestheCB-B20typegearasthedesignmodel,designsthecorepartsofthegearpump,Solidworkssoftwareestablishesthemodelofeachpart,usesANSYSsoftwaretosimulatetheinternalflowfieldofthegearpump,andexploresthecausesoftheholephenomenonaccordingtothepressuresimulationclouddiagramandvelocityvectordiagram.Keywords:CB-B20gearpump;Simulation;holeThesisType:EngineeringDesign摘要IIAbStraCtTll目录III1 -Ms11. 1研究意义1L2齿轮泵的研究现状1L3本课题的主要研究内容32齿轮泵的设计42. 1齿泵的工作原理42.2设计参数52.3齿轮的模数、齿数和齿宽的确定52.3.1排量的计算52.3.2齿轮模数的确定52.3.3齿轮齿数的确定52.3.4齿轮齿宽的确定62.3.5分度圆压力角的选取62.3.6齿顶高系数和顶隙系数62.3.7齿轮参数的计算62.4困油现象的产生及危害72.5消除困油的方法72.6外啮合齿轮泵的径向力及减小径向力的措施82.6.1外啮合齿轮泵的径向力82.6.2减小径向力的措施82.6.3选择齿轮传动类型、材料82.7轴承负荷（径向力）的计算82.7.1沿齿轮圆周液压力产生的径向力FP82.7.2齿轮的径向力FT92.8齿轮泵轴承的确定102.9轴的尺寸确定102. 10齿轮泵的进出口流速的确定和计算113齿轮模型的建立123. 1齿轮的建模123. 2齿轮泵的其他零部件建模124流场仿分析164.1 流场模型的建立164.2 .1网格划分164.2.2参数设定174.2.3仿真分析17总结19致谢201绪论1.1 研究意义齿轮泵是一种广泛用于工业生产的机械，特别是在液压驱动方面，它的特点有构成简单、工作可靠性高、抗污染能力强、工作时间长、制造成本低廉、易于维护、易于生产、重量轻等。但是，齿轮泵存在优点的同时也有着一些缺点，目前常见的一些缺点如齿轮泵运作过程中容易产生困油、轴承受到的径向力存在差异、密封不好容易泄漏、运作过程中噪音较大、易形成空穴等。这些特性与缺点是齿轮泵的工作性能的决定性因素。随着科技的进步，齿轮泵自身存在的一些问题，对工业生产产生了一定的影响。因此，提高齿轮泵的安全和效率以及对齿轮泵的特性的研究对未来生产应用的意义是特别重要的。1.2 齿轮泵的研究现状由于齿轮泵在动力系统中应用十分广泛，因此引起了很多学者的关注。目前，有关齿轮泵的研究主要集中在以下几个方面：(1)改变齿轮参数和优化泵体的结构；(2)改变齿轮泵的间隙和补偿技术；(3)困油产生的原因和解决方法；(4)如何控制齿轮泵的噪音；(5)齿轮齿面涂覆工艺；(6)齿轮泵变量方法的研究；(7)齿轮泵寿命长短所受到的影响；(8)齿轮泵的液体力分析和高压化的方法；(9)基本原理研究，水介质齿轮泵。提高齿轮泵的工作压力是目前齿轮泵发展的趋势，但是在过程中也会产生以下问题:(1)极大地减少了轴承的使用寿命；(2)泵体渗漏增加，容积效率降低。造成上述两个问题的根源是由于齿面上的径向液压力不均衡，而且随着工作压力的增大，径向液压力也随之增大。目前，国内外学者对上述两个问题的研究主要有：(1)补偿齿轮泵的径向间隙；(2)减少齿轮泵的径向液压力，例如齿轮参数的优化、排液孔的缩小等；(3)改进轴承的承载力，例如使用复合材料的滑动轴承，而不是滚动轴承。目前国内所生产的齿轮泵,如沈阳恒盛泵业有限公司所生产的CB-B齿轮泵如图1.1所示：图LICB-B型齿轮泵该泵为一种无侧板型，三段式低负载齿轮泵，它具有结构简单、耐高压、耐高速等特点，在机床润滑、农用机车、汽车、内燃机、轻工机械、陶瓷、玻璃等行业中使用。结构上主要由泵体、前盖、后盖、主、从动齿轮组成。以下是CB-B型齿轮泵的主要性能指标：表1.1CB-B系列齿轮泵型号流量1./min压力Mpa转速r/min压力振摆Mpa容积效率%驱动功率KwCB-B442.51450±0.152800.37CB-BlO100.75CB-B16162901.1CB-B20201.1CB-B25251.5CB-B32322.2CB-B40402942.2CB-B5050±0.253.0CB-B63634.0CB-B80802955.5CB-BlOO1005.5CB-B1251257.51.3本课题的主要研究内容(1)在确定好相关参数的基础上利用Solidworks建模软件进行设计建模，绘制各个零件图，并将各个零件加以装配组合成完整的外啮合齿轮泵模型以待仿真分析。(2)将用Solidworks建立好的模型导入AnsysWorkbench运用其中的CFX仿真模块对齿轮泵内部做流场仿真。2齿轮泵的设计2.1 齿轮泵的工作原理图2.1齿轮工作原理图图2.1所示为一种外啮合齿轮泵，它的内部有两个相互啮合的齿轮，其两端各有一端盖（图中未示出），由壳体、端盖、齿间沟槽三部分组成了许多密封工作腔。当主动齿轮逆时针旋转时，通过两齿轮轮齿的不断啮合，带动从动齿轮顺时针旋转，使得齿轮右侧的密封工作腔容积不断增大的同时压强逐渐减小，油箱中所储存的油液在大气压力的作用下通过吸油管道通过吸油口不断的填充到右侧的吸油腔内。然后随着齿轮不断地啮合，油液进入齿轮啮合产生的空隙中，然后进入左侧的压油腔内。在啮合点左边的压油腔一侧，齿轮进入啮合状态的同时，压油腔的容积不断减小，油液通过出油口流入压力管。两齿轮啮合点处的齿面接触线会把两个工作腔分为高、低压两腔，使它们独立工作，相互不受影响。2.2 设计参数本文的研究对象为CB-B20型齿轮泵，其参数为：理论排量：20Lmin额定压力：2.5MPa额定转速：14507min2.3 齿轮的模数、齿数和齿宽的确定1.1.2 3.1排量的计算根据理论排量的公式可得，Z、M、b之间的关系：V=2m2zB(2.1)式中V-齿轮泵排量m-齿轮模数Z-齿轮齿数B-齿宽通常取V=6.66zm2B(2.2)1.1.3 3.2齿轮模数的确定在中等压力、高压的情况下，齿轮模数不宜太大。齿轮泵的齿数和模数按照下表选取。表2.1排量与模数的选取关系排量q(mlr)模数m(mm)416310-40432100580-1406125-2007理论排量q=20Lm换算q=200001450(mlr)=17.24mlr,应选取模数m=4。2.3.3齿轮齿数的确定齿轮泵排量的大小与齿轮的轮齿数量是离不开的，泵的齿轮能够连续啮合的前提是啮合系数齿数£要大于1。一般齿轮齿数是8-14齿，本次设计选用齿数为10齿。1.1.4 齿轮齿宽的确定要使泵的排量和齿面宽度成正比，前提是要确定齿轮的模数和齿数。通常，齿面宽度与齿顶圆直径之比选择在0.20.8之间，本文所选择的齿宽是33o1.1.5 分度圆压力角的选取齿廓的形状通常取决于压力角的大小，国家标准(GB/T1356-2001)规定，在分度圆上的压力角是标准值，=20I3o1.1.6 齿顶高系数和顶隙系数齿轮的齿顶高度与其模数之比称为齿顶高度系数，以h；表示，而顶距与模数之比为顶间隙系数，用c*表示。GBT135620001标准中h；=l,c*=0.25。1.1.7 齿轮参数的计算表2.2主要参数的计算名称代号计算公式计算结果模数mm=4分度圆直径dd=mz140齿顶高haha=ha2=m4齿根高hfhfl=hf2=(hj+c*)m5齿全高hh1=h2=(2ha+c*)m9齿顶圆直径dada=(z+3)m52齿根圆直径dfdf=m(Z-2.5)+2Cm35.16基圆直径dbdb=dcos37.6齿距Pp=m12.56法相齿距Pbpb=pcos11.8齿厚Ss-m15.7齿槽宽ee-me/2.15.7顶隙Cc=c*m1标准中心距aa=m(z1+z2)/240节圆直径d,(当中心距为标准中心距a时)d=d40传动比i/fi12=1/1=z2z1=d2d1=d2d112.4 困油现象的产生及危害根据以上所述齿轮齿数选用原则可知，齿轮要平稳的运转，齿轮啮合的重合度£要大于1(e=1.051.3),由此表明，就是当两个齿轮在啮合的时候，有两对齿能同时啮合，这就导致一小部分的油液被卡在两排轮齿之间。在闭合区域中，容积随着齿轮的旋转而先减小后增大。当密封体积减小时，被困的液体会被挤压，在压力范围内形成压力区，从而使流体温度升高，使轴承和其他部件产生不均衡的压力。密封区域的体积增加，会造成局部的真空，导致油液中的气体被排出，齿轮泵的噪音也会产生，困油的原因就是这样。齿轮泵困油的危害：当被困的油液随着齿轮的啮合不断压缩时，剩余的油液会被挤压，液体压力会迅速增加，导致齿轮、轴和轴承承受较大的径向力，这时油液就会从密封表面的裂缝中被挤出来，从而使机油温度升高，加速变质。在困油膨胀时，由于油液无法及时填充至困油容积中，导致油液内部压力迅速降低，压力的降低会使得溶解在油液的一部分气体慢慢析出，形成气泡，进入吸入腔，不仅阻止油液进入齿缝，还会随着压力的增加而消失。这就造成了容积效率下降，并引起了振动和噪音。当泵出现因油时.，不但增大了齿轮和轴承的载荷，缩短了泵的使用寿命，提高了油温，加速了油的老化,而且造成了泵的排量下降，造成了振动、噪音，使泵工作起来非常不稳定。2.5 消除困油的方法主动图2.2齿轮泵的困油现象解决困油一般选用的方法是在齿轮泵的两端端盖上加工两个卸荷槽，当齿轮在啮合过程中，其内部的封闭容积会慢慢发生变化，当密封容积逐渐变小，这时卸荷槽与压油腔连通；而随着封闭容积的增加，卸荷槽将与吸油腔连通。一般来说，齿轮泵的两个卸料槽都是对称的，经常会朝吸油腔方向移动，但不管怎么说，槽之间的间距都要保持在一定的范围内，两个槽在任何情况下都不能和吸油腔以及压油腔联通。2.6 外啮合齿轮泵的径向力及减小径向力的措施2.6.1 外啮合齿轮泵的径向力压油口的压力Pl较大，其在齿轮轴上的径向力fl可以被简单地理解为压力Pl和压油端口区域al的积，也就是fl=pl*al;相反，在另一面（油吸收端）的压力p2是低的，因此，对齿轮轴的径向力f2=p2*a2是较小的。也就是al*pl>a2*p2,从而产生了齿轮轴向上的压力。2.6.2 减小径向力的措施（1）选择合适的齿面宽度和齿顶圆直径；（2）减小压油腔的大小；（3）将压油腔扩展至靠近吸油腔的一侧，工作时仅有12个齿具有密封功能，反之也是如此；（4）调整过渡密封区域的压力，使其压力一致；（5）在过渡区建立一个平衡槽，并且让它与两个高低压腔连通。2.6.3 选择齿轮传动类型、材料（1）传动方式：本次设计选用的传动方式为直齿圆柱齿轮传动。（2）传动精度：本次设计的齿轮泵为一般工作机器，选用7精度。（3）齿轮的材质：选用材料为20Cr的小齿轮，20Cr大齿轮；二者热处理时，都采用渗碳淬火热处理，硬度为60HRC。2.7 轴承负荷（径向力）的计算2.7.1 沿齿轮圆周液压力产生的径向力FP图2.3齿轮圆周压力近似分布曲线FP可近似按下式计算：FP=ApReb1+7（N）（2.3）式中：p吸压油腔压力差（MPa）；Re齿顶圆半径（mm）；b齿宽（mm）；中心线与吸油口边缘的夹角。如图可知作用在主动齿轮轴上的力的方向都指向吸油腔。2.7 .2齿轮的径向力FT在两个齿轮啮合的过程中，两齿轮在啮合点处相互作用会产生一个作用在齿轮上的径向力，而且两齿轮上的力方向也是不一样的，作用也不同。另外，齿轮的啮合点的位置也会因为节点的改变而发生变化，同时也会引起啮合力发生一定的变化。查阅资料可以知道,齿轮轴径受到的径向力FT可以用下面的公式计算：FT=pb（Rl-R2）（2.4）式中：Rj齿轮基圆半径（mm）；R齿轮节圆半径（mm）；在齿轮啮合时，会产生两个力，这两个力分别是径向力FP和齿轮啮合所形成的径向力F，在主动齿轮上，这两个力呈一个钝角，在从动齿轮上这两个力呈一个锐角，所以这两个力可以用下式计算：F1=J庠+F+2FpFcos(N)(2.5)F2=J*+理+2FpFcosa(N)(2.6)式子中a为齿轮啮合角。由于以上计算比较复杂，因此，在实际设计中，可以采用以下的近似公式来计算：F1=0.75bDe(N)F2=0.85pbDe(N)式中，Ap的单位为MPa,b和De的单位为mm。2.8 齿轮泵轴承的确定齿轮泵工作可靠度的好坏，除了与齿轮的性能外，还与其承载能力密切相关。目前，用于齿轮泵的主要是滚动和滑动两种轴承。本次设计选用滑动轴承。近几年，由于双金属及复合材料的问世，不但节省了许多珍贵的金属，而且价格低廉，适用于浮式轴套和非浮式轴套，并且其材质具有较高的PV和较高的PV,从而加快了齿轮泵的压力水平。其压力水平可达25-28MPa,可与活塞泵相比。所以，近几年在国内外的齿轮泵中都得到了广泛的使用。2.9 轴的尺寸确定(1)齿轮和轴是一体的，齿轮轴也是45号钢的正火加工。查得：G=60MR/,=55MPa。(2)由公式de?陛手式子可计算出釉的直径，如下表取C=II80dN12.4毫米，70.2n因为轴的轴径应该比高速级轴颈的直径大，取d=20mm,初步确定轴的结构如下图。表2.3轴常用材料的H值和C值轴的材料Q235,20354540Cr,35SiMn12-2020-3030-4040-52C160-135135-118118106107-97(3)轴的草图2.10齿轮泵的进出口流速的确定和计算齿轮泵的进出口流速计算公式为:V=喘1。=黑,1。一2（m/s）(2.7)式中：Q泵的流量（L/min）；q泵的排量（mL/r）；n一泵的转速（r/min）；S进出口的面积（Cm2）反过来计算D=拜计算得D进=11.88mmD出=10.29mmIl3齿轮模型的建立3.1 齿轮的建模Solidworks软件自带的Toolbox可以直接导出标准齿轮零件，选择齿轮属性为模数a=4,压力角=20",齿数为10,面宽为33。得出齿轮模型，如图3.1所示。图3.1齿轮模型3.2 齿轮泵的其他零部件建模如图3.2所示为齿轮泵左泵盖图3.2齿轮泵左泵盖模型如图3.3所示为齿轮泵中间泵体模型。图3.3齿轮泵中间泵体模型如图3.4所示为齿轮泵右泵盖模型。图3.4齿轮泵右泵盖模型如图3.5所示为密封圈模型。图3.5密封圈模型如图3.6所示为压盖模型。图3.6压盖模型如图3.7为齿轮泵装配图及爆炸图。图3.7齿轮泵装配图及爆炸图4流场仿真与分析4.1 流场模型的建立第一步，经过之前的计算，可得出它的进口直径11.88毫米、出口直径10.29毫米、外径19.6毫米、壳体与顶缝间的间距0.05毫米。做出如下图4.1所示流场模型。图4.1齿轮泵流场模型4.2 内部流场仿真4.2.1 网格划分图4.2网格图在网格划分中，先将实体转化为液体，然后选择默认的网格，点击生成网格，系统会根据已建立的流场模型的外形，自动生成网格。在此基础上，确定了油液进口、出口、边界表面的定义，并将其命名为“input,output和wall”,为下一阶段的油液出口和边界参数设置做铺垫。4.2.2 参数设定首先，重复前面步骤中的位置设置，挨个地选取输入位置，在基础设置“BasicSettingS”中设定油液输入位置的边界类型“BoundaryType”为入口"Inlet”，质量和动力”MassAndersonMomentUm"菜单下的"MassAndersonMOmentUm”菜单中的"C）PtiOn”菜单,将质量流量"MaSSFIoWRate”设置为20千克/秒的应用；同样地，将液压出口的边界类型设置为“BOUndaryType”为出口“Outlet"，并且仍然将质量流体设置为20千克/秒；最终设置的边界表面是墙体“Wall"，在"Option",选择"FreeSlipWaiI”的自由滑动墙体，获得图4.2所示的网格图。4.2.3 仿真分析根据最后得出的压力仿真云图（如图4.3）可以直观的看出来.油液在齿轮啮合的过程中进油口的最大压力是3.4MPa,当油液缓慢地从出口排出时，油压降至l+10MPa。由于该齿轮泵的最大工作压力是2.5Mpa,而得出的结果要比给定的数据要大，这会导致齿轮和壳体发生形变，因此，从这里可以看出，齿轮泵的选材要求也是比较严格的。图4.3压力仿真云图从图4.4的速度矢量图上可以看出，油液在进油口的流速是最小的，流速最低为4.75ms,而出油口的流速超过了6.35ms,在两个齿轮处于啮合状态时，油液的流速的最大值达到了3.18ms,而出油口和进油口速度差距过大导致的直接结果就是容易产生空穴现象，并且会产生很大的噪声。wdor-1“，：6心AaU572t00500044900lt1M)011H002Xt110012700»014753图4.4速度矢量图随着科技的发展与进步，外啮合齿轮泵在生产与运用中变得越来越广泛，大量的研究者都慢慢投入到了研究齿轮泵的行列中，研究齿轮泵的人员只增不减。本文在对国内外相关研究的基础上，利用ANSYS软件对齿轮泵的流场特性进行了研究，可以得到以下结论：（1）用SolidWorkS软件做出了齿轮泵各零件的建模，以及齿轮泵的装配图及爆炸图；（2）运用ANSYS软件对其进行仿真分析,得出齿轮泵内部流场的压力仿真云图以及速度矢量图；（3）通过仿真结果的分析，直观的了解到齿轮泵内部的压力分布和速度分布情况,对齿轮泵的下一步优化提供了理论依据。参考文献1栾振辉.齿轮泵研究的现状与发展J.起重运输机械.2005(06):11-13.左健民.液压与气压传动.5版.北京:机械工业出版社,2016.4:183孙桓,陈作模,葛文杰.机械原理M.第八版.北京：高等教育出版社，2007:1684叶伟昌.机械工程及自动化简明设计手册.北京：机械工业出版社，2001:28庞国星.工程材料与成形技术基础.机械工业出版社.2018:90孔凌嘉.简明机械设计手册.北京:北京理工大学出版社,2008:667孙岩.机械设计课程设计.北京:北京理工大学出版社，2007:89张策.机械原理与机械设计.北京:机械工业出版社.2004:449银金光.机械设计课程设计,第一版.北京:中国林业出版社,2006:3510王旭,王积森.机械设计课程设计.北京:机械工业出版社,2003:6411无宗泽.机械设计课程设计手册.北京:高等教育出版社,1952:4012成大先.机械设计手册轴及其联接.北京:化学工业出版社,2004:33口3朱派龙.机械制造工艺装配.西安:西安电子科技大学出版社.2006.8:9014孙德志.机械设计基础课程设计.北京:冶金工业出版社,1997:10015吴拓.机械制造工程.北京:机械工业出版社.2005:3116朱锡成.齿轮螺杆式液压泵及马达.北京:机械工业出版社,1998.10:7817魏列江,李涛,卢利锋,强彦,罗小梅.梯形卸荷槽对外啮合齿轮泵困油压力与流量脉动影响的研究J.液压与气动,2021,45(03):62-69.18强彦,王亚强,赵春丽,变转速泵控系统建压过程中流量死区特性分析J.兰州理工大学学报,2021,47(01):54-60.19方波,杨丽华,李小强.基于ANSYSWorkbench的外啮合齿轮泵泵体有限元分析及优化J.液压与气动,2021(01):140-145.20姚奇,沈仙法,季丰.基于FIUent的外啮合齿轮泵内部流场仿真分析J科技与创新,2020(24):55-57.21张涛.基于困油容积的外啮合齿轮泵困油现象的研究J.河北农机,2020(08):71.22刘兆领,朱文锋,李嘉.齿轮泵卸荷槽设计及其内流场特性仿真J.液压与气动,2020(09):1023杨家军.机械创新设计技术科学出版社.2008:89不得不翻过这一页，奔向诗和远方，行文至此，百感交集，从怀揣梦想与憧憬进入大学，到带着不甘与希望开启一段新的征程。马上要结束的这四年，有遗憾，有不廿,还有些许不舍，感谢这段旅程中出现的每一个人，让我的这段旅程变得更加五彩斑斓,更加的难忘。一朝沐杏雨，一朝念师恩。感谢我的指导老师水清皎，从选题方向的肯定和后续的悉心指导，老师教导我的不仅是前沿的专业知识，更是独立思考的智慧和终身学习的意识。无论何时，保持一颗平常心，脚踏实地做好眼前的事，这个道理我将受用终身。希望日后在自己的工作岗位上也能秉持这份态度，兢兢业业，祝愿老师身体健康，工作顺利，万事顺心。家人之爱，永记于心。感谢我的父母，感谢你们见证了我的成长，教会我正直、真诚的对待别人，感谢你们一路以来默默的陪伴，在我最困难的时候，给我的支持，感谢你们苦口婆心的叮咛嘱咐，关注着我的吃穿住行你们是我前进路上最大的底气，是我在低谷期最大的动力，有你们，我不怕我输的一无所有，谢谢你们把最好的都给了我。相逢方一笑，相送还成泣。感谢我宿舍来自天南地北的舍友，感谢我参与的社团的所有成员，感谢我的朋友，是你们陪我走过了这丰富多彩一段旅程。君子之交淡如水,直至现在我才明白，真正的友情不需要形影不离，而是在需要的时候对方一直在，帮我分担所有的不开心，帮我分担压力，感谢他们在这四年中对我的照顾以及他们带给我的快乐。祝愿你们前程似锦，不负心中的热爱。以梦为马，不负韶华，感谢自己在这求学路上十几年的努力，虽然暂时还未看到胜利的曙光，但我一定砥砺前行，给自己一份满意的答卷。