一、前言
齿轮泵是液压传动系统的动力元件，有结构简单、价格低廉、对液压工作介质污染不敏感、工作可靠的特点，广泛应用于工程机械等的液压传动系统中，是最早生产的液压元件之一。目前我国正处于工业转型的关键时期，对齿轮泵的需求很大。但是，由于齿轮泵存在一些不足，比如由于自身的工作原理导致的困油现象，齿轮泵的流量脉动和压力脉动都比较大等，在很大程度上限制了齿轮泵的应用范围。针对这样的市场需求和技术现状，本文将主要论述齿轮泵的工作机理和针对其自身存在的一些不足而进行的优化设计。
二、齿轮泵的结构和工作原理
齿轮油泵是通过一对参数、结构相同的齿轮相互啮合，将低压油升至可以做功的高压油的重要部件，是把机械能转化成液压能的动力装置。齿轮泵分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵，前者应用最为广泛。齿轮泵是分离三片式结构，由泵壳、相互啮合的主动轮和从动轮、齿轮轴、轴承、轴承座盖及安全阀等组成。泵壳内装有一对相互啮合的齿数相等、宽度与泵体接近的齿轮，这对齿轮与泵壳形成封闭腔，齿顶和啮合线把此封闭空间划分为吸油腔和压油腔。两齿轮分别通过键连接固定在由轴承支承的主动轴和从动轴上，电动机带动主动轴旋转。安全阀安装在泵体上，当齿轮泵排出压力超过规定压力时，液体自动顶开安全阀，使高压液体返回吸油腔。当齿轮泵的主动齿轮沿工作方向旋转时，齿轮泵吸油腔一侧齿轮的轮齿退出啮合，使吸油腔的密封容积变大，出现局部真空，油箱中的油液在外界大气压的作用下，经吸油管道和吸油腔进入齿间，这就是齿轮泵的吸油过程。随着齿轮不断的旋转，吸入齿间的油液被带到另一侧的压油腔，这时压油腔的轮齿进入啮合，使压油腔的密封空间逐渐减小，齿轮间部分的油液被挤出，这就是齿轮泵的压油过程。齿轮啮合时两齿轮的接触线把吸油腔和压油腔分隔开，起配油作用。随着驱动电机的连续运转，齿轮泵的主动齿轮不断旋转，吸油腔的轮齿脱开啮合，密封容积变大，不断从油箱中吸油，排油腔的轮齿进入啮合，密封容积减小，不断地排油，这就是齿轮泵的工作原理。齿轮泵出口的油压完全取决于泵出口处负载的大小。齿轮泵每转一转，排出的油量是一样的，泵的流量直接与泵的转速有关。实际上，在齿轮泵内有很少量的流体损失，这些流体被用来润滑轴承和齿轮两侧，故吸入的液压油不能完全从出口排出。以上是齿轮泵的工作特点。
三、齿轮泵的优化设计
在渐开线齿轮泵工作的过程中，若要齿轮泵能够平稳工作，泵内互相啮合的齿轮的重合度必须大于1，所以至少总有两对轮齿同时处于啮合状态，并有一部分液压油被围困在这两对轮齿围成的封闭容腔之间，一开始封闭体积随齿轮的不断转动而逐渐变小，以后又逐渐变大。封闭容积的减小使被困油液受挤压而产生很高的压力，并且从缝隙中产生泄露，导致油液温度升高，并致使齿轮泵受到额外载荷；而封闭容积的增大又导致局部真空，油液中溶解的气体分离，产生气穴现象。这称为齿轮泵的困油现象。齿轮泵的困油现象会导致噪音和振动，因而不能应用在对平稳性要求较高的场合中，这就限制了其应用范围。齿轮泵内一对齿轮副的轮齿沿齿宽方向同时进入或脱离啮合，两齿间的液压油是突然被挤出排油腔的，这就导致了齿轮泵的流量脉动。齿轮泵的流量脉动又会导致执行元件的脉动，引起了液压系统的振动和噪声。在前后泵盖或浮动轴套上开设卸荷槽是缓解齿轮泵困油现象的有效手段之一。由于齿轮泵在工作时分为相互独立且相互隔离的吸油腔和排油腔，构成这两个腔的轮齿在啮合的同时也在不停地运动，这就给卸荷槽的开设带来了难度。严格控制槽宽，保证齿轮泵的高低压油腔不能连通，这是开设载荷槽的难点。开设卸荷槽的原则：两槽间距为最小闭死容积，而使闭死容积由大变小时左边的卸荷槽与压油腔相通，闭死容积由小变大时右边的卸荷槽与吸油腔相通。本文以缓解齿轮泵的困油现象为研究目标，分析困油现象产生的原因，提出包括卸荷槽开设位置、数量、形状在内的荷槽设计的可行方案。传统意义上的卸荷槽是双矩形卸荷槽，此外还有圆弧形和锥形的卸荷槽。近年来，随着计算机技术的发展，研究人员纷纷开始研究齿轮泵内部流场，这就使泵的工作原理得到了更清晰的认识，对卸荷槽的设计提供了一种新的思路，这样传统卸荷槽的开发就有必要改进，以使困油现象得到进一步的缓解。此外，卸荷槽的开设也有利于缓解齿轮泵的流量脉动，不同数量、位置、形状的卸荷槽对齿轮泵流量脉动的缓解程度也不同。有研究表明，向低压侧偏移的双卸荷槽对齿轮泵流量脉动能起到不错的缓解效果。在提出卸荷槽的优化设计方案之前，首先了解一下前人在卸荷槽的优化设计方面所得出的结论。在封闭空间由小变大的过程中，困油对齿轮泵的性能基本没有影响，所以在设计卸荷槽时主要考虑封闭空间由大变小的过程对齿轮泵的影响。增大困油部分的容积可以减轻困油现象。优先选用卸荷槽间距小、齿轮侧隙小的卸荷方案。基于以上几点结论，提出以下卸荷槽的设计方案。通过偏移卸荷槽的位置来优化卸荷槽的设计。把两矩形卸荷槽向向吸油腔一侧偏移一定的距离，偏移距离要保证困油容积最小时，排油区侧的轮齿啮合点全部在卸荷槽内。这样在封闭容积由大变小时，困油的压力可以被全部缓解，卸荷槽的宽和长要保证包括除两卸荷槽之间部分以外所有的啮合点，根据设计经验，最小槽宽可取1-1.2mm，最小槽深可取0.8mm。考虑到加工时的误差，在实际加工时，卸荷槽的长、宽都要采取正偏差。
四、结论与展望
齿轮泵结构简单、维护方便，是在液压系统中广泛应用的动力元件，但是，由于其工作原理而导致的困油现象影响了齿轮泵的工作性能，限制了齿轮泵的应用范围。本文提出了一种偏移卸荷槽的方案现代农业论文，有效地缓解了困油现象对齿轮泵工作性能的影响。
作者：王艳萍 单位：大连莫依诺泵业有限公司
