基于Fluent的外啮合齿轮泵内部流场仿真分析＊

姚奇，沈仙法，季丰

基于Fluent的外啮合齿轮泵内部流场仿真分析＊

姚奇，沈仙法，季丰

（三江学院 机械与电气工程学院，江苏 南京 210012）

为提高外啮合齿轮泵的使用寿命，减轻齿轮泵的困油和泄漏现象，利用Fluent软件对外啮合齿轮泵的内部流场进行了仿真，研究了齿轮泵齿侧间隙为0.05 mm、0.1 mm和0.15 mm时对困油压力的影响，分析了转速为1 000 r/min、2 000 r/min和3 000 r/min时齿轮泵内部速度流场分布。结果表明，齿轮泵的侧向间隙越大，泄漏量越大，容积效率越低；齿轮泵转速越大，内泄漏越大，容积效率越低，流量脉动加大，液场流速增大。研究成果为外啮合齿轮泵的设计改进提供了技术参考，具有一定的实践意义。

外啮合齿轮泵；流场；仿真分析；Fluent

1 引言

外啮合齿轮泵是液压系统的重要动力元件，它因具有结构简单、维修方便、自吸能力强、对油液污染不敏感等优点而广泛应用在冶金、采掘机械、航空航天和深海探测等诸多领域。但是，同时，它也存在着泄漏、困油和径向不平衡力等缺点。针对这些缺点，国内外学者对其展开了研究，并取得了一定成果。李志华等运用数学模型的方法对齿轮泵进行优化设计[1]。冀宏等使用Fluent和Pro-E软件对外啮合齿轮泵的径向力进行了数值计算，比较了卸荷槽改进前后的外啮合齿轮泵径向力后认为合理的卸荷槽设计可以使外啮合齿轮泵的径向力大大降低[2]。周雄等通过大量的数值计算，求得间隙与泄漏之间的相对应关系，得出最佳的理论间隙[3]。李金鑫等利用Matlab软件研究了壳体参数对于泄漏的流量的影响[4]。YANADA等对不同转速、不同进出口的压力差值以及不同齿侧间隙而引起的泵内速度场以及压力场进行了仿真计算分析，从而得到高速旋转下的的泵确实会产生困油和负压现象[5]。EATON等认为齿轮在受到气穴以及混入空气的影响时，在其退出啮合时，被困的油液会快速发生膨胀现象，但不会出现负压[6]。为此，本文将针对外啮合齿轮泵的内部流场进行仿真分析，从而进一步探索产生困油和泄漏现象的原因，这对提高高压高速外啮合齿轮泵的性能有着十分重要的意义。

2 齿轮泵工作原理与基本参数

齿轮泵的泵体内装有一对齿数相等、模数相同的外啮合齿轮，这对齿轮与泵的两端盖和泵体间形成一个密封容积腔，并由齿轮的齿顶和啮合线把密封腔分为互不相通的两部分，即吸油腔和压油腔，如图1所示。

图1 齿轮泵的结构图

当齿轮泵的主动齿轮按图示箭头方向旋转时，齿轮泵上侧的轮齿逐渐脱开啮合，使密封容积腔的容积逐渐增大，形成局部真空，即形成吸油腔，油箱中的油液在外界大气压的作用下，经油管进入吸油腔[7]。然后随着齿轮的旋转，齿槽间的油液被带到左侧，进入排油腔，这时轮齿逐渐进入啮合使下侧容积逐渐减小，腔内压力增大，迫使齿槽间的压力油进入液压系统。

外啮合齿轮泵的电动机额定转速为2 000 r/min，电动机功率为12 kW，外啮合齿轮泵流量为5 000 L/h，其压力为 5 MPa。齿轮模数为4 mm，齿数为12，齿轮的节圆直径为48 mm，齿宽为22 mm，齿轮的压力角为20°，重合度为1.64。

3 困油压力的瞬态仿真

3.1 模型和参数设置

首先用Pro-E创建三维模型，然后导入Fluent中，进行网格划分[8]。进口压力设置为一个标准大气压，出口压力设置为5 MPa，流体黏度设置为46 mm2/s。为了获得较为准确的结果，首先采用弹性光顺的网格划分方法，然后再进行局部重构划分，以便得到较为准确的仿真结果。网格形状为三角形网格，尺寸大小为0.3 mm。

3.2 仿真结果分析

仿真时转速为2 000 r/min，步长为0.001 s，再进行求解可以得到瞬时静压分布云图，如图2所示。

图2 静压分布云图

从图2（a）、2（b）和2（c）可以看出，当齿轮进入啮合状态时，困油还没形成，腔内体积减小压力伴随着变大，随着继续旋转，两点能完全啮合，困油区的体积最小，由于间隙很小，油液受到挤压却不能马上排出泵内，导致困油区内的压力增大，从而出现齿轮冲击、振动和噪声。

从图2（d）、2（e）和2（f）可以看出，困油腔的压力呈现先增后减趋势。当齿轮退出啮合，困油腔内形成真空，气穴由此产生。当齿轮完全结束啮合状态，由于问隙与吸油腔相通，困油腔地压力变小并恢复到正常工作压力。

从图2（g）和2（h）可看出，困油区的压力急速变动，对齿轮泵有较大冲击，由此会减少齿轮泵的使用寿命。

3.3 不同侧隙对困油压力的影响

调整齿轮中心距使其齿侧间隙为0.05 mm、0.1 mm和0.15 mm，通过仿真可以得到不同侧隙下的困油压力，结果如图3所示。从图3可清楚看到，齿侧问隙越小，齿轮泵在正常工作时，困油腔内的压力就会越大，且波动变化就越明显。但当齿侧间隙变大到0.15 mm时，困油腔内的压力变小，且压力波动变化趋势变得平缓。但因此也会使齿轮泵的内泄漏增加，容积效率下降，从而振动加大，噪声增大，因此需要合理选择齿轮传动的齿侧间隙。

图3 不同侧隙条件下的困油压力曲线

4 外啮合齿轮泵瞬时流量仿真

当齿轮泵的转速为分别设置为1 000 r/min、2 000 r/min和3 000 r/min时，通过仿真得到其流场流速云图，如图4、图5和图6所示。由图4可知，在低于正常工作转速情况下，即当齿轮转速为1 000 r/min时，由于其进出的流量较小，泄漏量几乎为零。由图5和图6可知，在额定转速为2 000 r/min时，进出口瞬时流量增加，容积效率为94.18%；当转速加到3 000 r/min时，因为流量逐渐增加，平均流量达到 180 L/min，容积效率变小，为91%，同时泄漏量增加，并且存在流量脉动明显。随着速度进一步增加，齿轮泵中的气蚀会加剧，这将会引起较大的振动与噪声，因此齿轮泵的转速要控制在适合速度范围。最终可得出齿轮泵在不同转速时的流场速度图，如图7所示。

图4 1 000 r/min时流场流速分布云图

图5 2 000 r/min时流场流速分布云图

图6 3 000 r/min时流场流速分布云图

图7 流场速度和转速关系曲线

从图7可以看出，随着齿轮泵转速的提高，流场内的液场流速也随之增大。

综合上述，齿轮侧向间隙对齿轮泵内泄漏有很大影响，侧向间隙越大，泄漏量越大，容积效率越低；当其他条件一定时，齿轮泵转速越大，内泄漏也越大，同时容积效率降低，流量脉动加大，并且随着转速的提高，流场内的液场流速随之增大。因此，为减轻齿轮泵的困油和泄漏现象，设计齿轮泵时应减小齿轮侧向间隙，确定合理转速。

5 结论

利用Fluent软件仿真分析了外啮合齿轮泵二维内部流场，分析了齿轮泵在不同时刻的静态压力分布，研究了齿轮泵在不同侧隙时对困油压力的影响以及在不同转速时的齿轮泵的内部速度流场分布。结果认为：齿轮泵的侧向间隙越大，泄漏量越大，容积效率越低；齿轮泵转速越大，内泄漏越大，容积效率降低，流量脉动加大，液场流速增大。为减轻齿轮泵的困油和泄漏现象，在设计齿轮泵时应减小侧向间隙并选择合理转速。

［1］李志华，刘小思，顾广华.齿轮泵齿轮基本参数的优化设计［J］.江西农业大学学报，1997（3）：136-140.

［2］冀宏，赵光明.基于流场的外啮合齿轮泵径向力计算［J］.机床与液压，2013，41（7）：1-4.

［3］周雄，朱新才，李良.外啮合齿轮泵齿顶与泵体间的最佳理论径向间隙［J］.液压与气动，2007（12）：63-65.

［4］李金鑫，张年松，何勇.外啮合齿轮泵壳体几何参数对其流量的影响研究［J］.机床与液压，2014，42（9）：105-108.

［5］YANADA I I.Study of the trapping of the fluid in a gear pumps［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineering, Part A:Power and Process Engineering，1987，201（11）：39-45.

［6］EATON M，KEOGH P S，EDDE K A.The modeling prediction and experimental evaluation of gear pump meshing pressures with particular reference to aero-engine fuel pumps［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part I-Journal of Systems and Control Engineering，2008，220（5）：365-379.

［7］沈仙法.液压与气动技术［M］.北京：机械工业出版社，2019.

［8］毛子强.基于 FLUENT 的外啮合斜齿轮泵内部流场的仿真与分析［D］.兰州：兰州理工大学，2014.

2095－6835（2020）24－0055－03

TH137.51

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.24.018

姚奇（1989—），男，江苏南京人，助理工程师，研究方向为机械CAD/CAE技术。

三江学院科研资助项目（编号：2019SJKY005）；江苏省高校自然科学研究资助项目（编号：17KJB460011，14KJB460022）

〔编辑：严丽琴〕