CBG J2齿轮泵流体动力学的理论分析

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[摘 要]外啮合中高压齿轮泵是工程机械液压系统的主要部件之一，但是由于齿轮泵额定压力向中高压方向发展，排量的增大，轴承寿命的缩短成为限制齿轮泵寿命提高的关键因素。轴承的设计选型一直是国内外齿轮泵行业内公认的技术难关，也是提高齿轮泵使用寿命的关键性技术难题之一，本文对cbg j2齿轮泵结构特点的分析，运用三维建模软件建立CBG J2齿轮泵内部流体模型，通过压力测试点的设置及仿真数据的处理得到齿轮泵内流体压力的分布情况，为进一步进行齿轮泵主从动齿轮轴径向力分析及其挠度变形对圆柱棍子轴承滚子凸度的影响提供了条件和基础。

[关键词]齿轮泵 径向力 挠度变形

中图分类号：TH325 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）21-0148-02

CBG J2齿轮泵结构简单，通过轮齿的啮合实现流体的位移传输，由两齿轮反向旋转产生的流体状态很复杂。复杂的流体流动，也要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。如果流动包含有不同成分（组元）的混合或相互作用，系统还要遵守组分守恒定律，如果流动处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍流输运方程。控制方程是这些守恒定律的数学描述。

在对齿轮泵内部流体进行分析计算之前，有必要对流体及流动的基本特性做一下简要的分析。粘性（viscocity）是流体内部发生相对运动而引起的内部相互作用，当流体的粘性较小，运动的相对速度也不大时，所产生的粘性应力比起其他类型的力可忽略不计，此时可以把它称为无粘流体，而对于有粘性的流体，则称为粘性流体。根据密度ρ是否为常数，流体分为可压（compressible）与不可压（incompressible）两大类，当密度ρ为常数时，流体为不可压流体，否则为可压流体。层流（laminar）和湍流（turbulence）是自然界中存在的两种主要的流体流动状态，其流动状态截然不同，分析理论也完全不同，在许多文献中，湍流也被译为紊流。层流是指流体在流动过程中两层之间没有相互掺杂的流动，规律性不明显，一般说来，湍流是普遍存在的，而层流则是属于个别情况。在一定的条件下，层流和紊流可以相互转化，随着流速的增加，层流将慢慢失去其稳定性，出现一定的波动，当速度继续增加，层流将转变为紊流状态。从试验的角度来讲，层流流动就是指流体流动的层与层之间相互没有任何相互干扰，层与层之间流动既没有质量的传递，也没有动量的传递；而湍流流动中层与层之间的流动相互有所干扰，而且相互干扰的力度还会随着流动的加剧而增大，层与层之间既存在质量的传递又存在动量和能量的传递。

采用商业软件Fluent对滑阀内部流场进行了三维数值模拟，分析其内部的流场特性，采用雷诺时均方程法，流动为三维瞬态、可压缩、考虑粘性假设的湍流流动，其控制方程如下式所示：

在控制方程的基础上，利用Simple算法对控制方程离散化处理，根据计算流体动力学连续性方程、动量方程、能量方程、以及人为加入的湍动能方程和湍流耗散率方程，获得流场中关于压力、速度、温度、、封闭方程组，通过对方程组的迭代求解可以获得整个流场的解析，这为更精确描述和模拟斜盘式轴向柱塞泵内部流场提供了理论基础。

CBG J2齿轮泵采用浮动侧板式轴向间隙自动补偿技术，两个互相啮合的齿轮支承在前后滚动轴承里，侧板可在壳体内作轴向浮动，自动补偿工作原理。浮动侧板为8字形结构，侧板内端面为粉末铜冶金密封面，并开耳型高压油槽扩大高压区降低齿轮轴径向力，外端面与高压油槽对应开补偿力油槽。

齿轮泵工作时，压油腔中的高压油通过侧板上的通油孔引至侧板外端面，作用在由耳型密封圈与补偿力凹槽形成的封闭油腔内形成补偿力 Fy，该补偿力大小与齿轮泵工作压力成正比。齿轮端面的油液作用在侧板内端面形成反推力Ff，该反推力大小同样与齿轮泵工作压力成正比。补偿力与反推力的合力将侧板压向齿轮端面，保证在各种工作压力下，侧板能够自动压紧在齿轮端面，并且在侧板磨损后能够自动补偿。

根据对CBG J2齿轮泵结构的建立齿轮泵内部流体结构模型由高压油槽、卸荷槽、泵体、出油口、吸油口等部分组成。

中高压齿轮泵内流体的压力分布是浮动侧板实现轴向力平衡的关键所在。齿轮泵的轴向间隙问题理论计算，是在浮动轴套（侧板）受力分析的基础上，通过其内侧油膜挤压力、困油力、工作油压力和其外侧补偿力等的计算，构建出浮动轴套（侧板）轴向的动力学模型，其计算过程比较复杂。

以CBGJ2齿轮泵结构参数为研究对象，利用三维建模软件建立齿轮泵流体模型，然后运用CFD技术对其进行数值模拟，得到齿轮泵内流体压力的分布情况，进一步进行齿轮泵主从动齿轮轴径向力分析及其挠度变形对圆柱棍子轴承滚子凸度的影响。运用 CFD 技术，通过有计划的改变参数，找到使侧板平衡的更好的参数值，也就能找到减少侧板磨损的优化设计方案，为其结构设计提供指导。CFD软件仿真模型相对于实地测试，速度更快，操作更方便，调整更容易，能提高侧板受力平衡分析的效率。

将CBGJ2齿轮泵流体模型导入CFD软件Pumplinx，对其进行网格划分、边界条件设置以及输出结果设置。其中，网格划分及边界条件的设置过程略去。主从动齿轮轴径向力的计算主要是由齿轮泵高压区和过渡区压力值决定。仿真输出选取的八个测试点的压力分别对应齿轮泵高压区和过渡区的压力值。设定好检测点后，在选中几何体中的“体”的基础上，设定“结果”选框下的变量为“压力”，动画显示中压力范围：“min”设置为“0”，“max”设置为“2.5e+7”，即可完成设置。

通过本文对CBG J2齿轮泵结构特点的分析，运用三维建模软件建立CBG J2齿轮泵内部流体模型。利用CFD技术对其进行数值模拟仿真分析，通过压力测试点的设置及仿真数据的处理得到齿轮泵内流体压力的分布情况，为进一步进行齿轮泵主从动齿轮轴径向力分析及其挠度变形对圆柱棍子轴承滚子凸度的影响提供了条件和基础。

参考文献

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