CN109029864A - 内啮合齿轮泵端面间隙流场可视化研究试验台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内啮合齿轮泵端面间隙流场可视化研究试验台及方法，包括：供脂单元、集脂单元、调速单元、测试及控制单元和PIV试验单元，在激光源作用下，获取啮合齿轮和侧板之间端面间隙流场的粒子图像，并经图像处理进一步得到速度矢量场。该平台采用了PIV技术，实现了内啮合齿轮润滑脂泵端面间隙流场的可视化研究，这对于揭示内啮合齿轮润滑脂泵的端面间隙泄漏机理具有重要意义。

Description

内啮合齿轮泵端面间隙流场可视化研究试验台及方法

技术领域

本发明涉及一种泵流场可视化研究技术领域，尤其是一种内啮合齿轮润滑脂泵端面间隙流场可视化研究试验台及方法。

背景技术

内啮合齿轮泵对介质黏度不敏感，具有泵送压力高、故障率低等优点，作为润滑脂供脂系统(集中润滑系统)的核心部件(润滑脂泵)，广泛用于泵送润滑脂介质。内啮合齿轮泵的泄漏包括：齿间泄漏、径向间隙泄漏和轴向间隙泄漏(即端面泄漏)。其中，端面泄漏为内啮合齿轮泵的主要泄漏形式，抑制端面泄漏可有效提高泵的容积效率。内啮合齿轮泵端面间隙为啮合齿轮对与侧板之间构成一对摩擦副。啮合齿轮端面与侧板之间的减摩是依靠间隙之间形成润滑脂液膜的润滑和支撑作用，同时，间隙液膜的流动也是泵内泄漏的通道。不同于纯水和润滑油，润滑脂具有特有的流变特性，内啮合齿轮泵端面间隙内润滑脂流动的流场变化也更为复杂。PIV(Particle Image Velocimetry，粒子图像速度场仪)技术能够很好地对流体的流场进行表征，实现对流场的可视化研究的目标。然而，现有的研究并没有针对润滑脂泵送过程中流场的可视化研究，开发适用于内啮合齿轮泵输送润滑脂介质的专用可视化试验平台，对揭示内啮合齿轮润滑脂泵的端面间隙泄漏机理具有重要意义。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种内啮合齿轮泵端面间隙流场可视化研究试验台及方法，可以实现对内啮合齿轮润滑脂泵端面间隙的流场特征进行可视化表征，以用于揭示其泄漏机理。

本发明技术方案：一种内啮合齿轮泵端面间隙流场可视化研究试验台，包括：供脂单元：用于暂存润滑脂，并以某一压力值通过试验泵的入口向试验泵供给润滑脂；集脂单元：用于向试验泵出口施加一个小于入口的压力负载，并收集试验泵出口泄露的润滑脂；调速单元：包括调速回路和马达，调速回路调节马达的转速，马达进一步控制试验泵的转速；测试及控制单元：获取试验泵的出口润滑脂流量以及马达的转速，控制所述调速单元对马达转速的控制；PIV试验单元：在激光源作用下，获取啮合齿轮和侧板之间端面间隙流场的粒子图像，并经图像处理进一步得到速度矢量场。

优选的，所述供脂单元包括第一空气压缩机、第一气缸和储脂缸，第一空气压缩机与第一气缸的无杆腔管道相连，储脂缸无杆腔连通试验泵的入口，第一气缸与储脂缸的轴通过联轴器连接。

优选的，所述第一空气压缩机与第一气缸的联通管道上设置有保压的稳压的第一阀组，第一阀组由单向阀和溢流阀组成，单向阀出口处设三通，其中一路连溢流阀入口，另一路联通第一气缸。

优选的，所述集脂单元包括第二空气压缩机、第二气缸和集脂缸，第二空气压缩机与第二气缸的无杆腔相连，集脂缸无杆腔连通试验泵的出口，第二气缸和集脂缸的轴通过第二联轴器相连。

优选的，所述第二空气压缩机与第二气缸的联通管道上设置有第二阀组。

优选的，所述调速回路包括电磁阀、电磁溢流阀和变量泵，变量泵通过电机驱动，电磁溢流阀和变量泵连接至电磁阀，电磁阀连接至马达。

优选的，所述测试及控制单元包括控制器、流量传感器和转速传感器，流量传感器置于试验泵的出口，用于测量试验泵出口的流量；转速传感器置于试验泵和马达连接轴上，用于测试试验泵的转速；控制器分别与转速传感器、流量传感器、电磁阀、电磁溢流阀和变量泵相连，用于采集试验泵的出口流量及其转速。

一种内啮合齿轮泵端面间隙流场可视化研究方法，通过试验泵进口输入润滑脂，在出口监控试验泵的真实润滑脂流量，并在输出口通过高压空气制造模拟负载；通过对试验泵的转速以及结构模型获得的理论流量与实际流量对比，分析泵的容积效率与泄漏量，探究不同容积效率与泄漏量条件下PIV试验单元获取端面流场速度矢量场。

优选的，供脂单元在第一空气压缩机的作用下推动储脂缸向试验泵提供润滑脂；调速单元的马达驱动试验泵转动，转速传感器采集试验泵的转速；设在试验泵出入口的流量传感器采集其出入口的润滑脂流量；集脂单元的集脂缸实现对实验润滑脂的收集，且设在端部的第二气缸与第二空气压缩机相连，第二空气压缩机给第二气缸提供一定压力的高压气体，最终施加在试验泵出口，充当试验泵运行的负载；采用PIV试验装置对试验泵端面间隙开展流场的可视化测试。

有益效果：(1)该平台采用了PIV技术，实现了内啮合齿轮润滑脂泵端面间隙流场的可视化研究，这对于揭示内啮合齿轮润滑脂泵的端面间隙泄漏机理具有重要意义；基于理论分析和试验研究，可以对泵的泄漏量进行定量分析；结合流场分析和泄漏量定量分析，可以寻找泵端面间隙泄漏与流场特征变化的内在关系。

(2)采用空气压缩机配合气缸给试验泵出口施加压力，通过调整空气压缩机的压力即可达到对试验泵出口负载大小的设定，能够模拟试验泵实际工作时的承载工况，进而可用于研究不同载荷下内啮合齿轮泵端面间隙流场与泄漏之间的关联性。添加在气缸进气口处的阀组由单向阀和溢流阀组成，该阀组可实现气缸的稳压效果。

(3)采用液压马达驱动试验泵，与液压马达相连的为含变量泵的调速回路，能够模拟试验泵实际工作时的不同运行转速工况，用于研究不同转速下泵端面间隙流场与泄漏之间的关联性。

(4)本发明能够模拟不同运行工况下内啮合齿轮润滑脂泵的运转情况，并采用理论和试验的方法探究泵端面间隙泄漏与端面间隙流场特征变化的内在关系，进而用于揭示泵端面间隙的泄漏机理。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的内啮合齿轮润滑脂泵端面间隙可视化研究试验台原理图。

图2为本发明具体实施方式的调速单元原理图。

图3为本发明具体实施方式的PIV试验系统原理图。

图4为本发明具体实施方式的第一阀组或者第二阀组示意图。

其中：1-第一空气压缩机，2-第一阀组，3-第一气缸，4-第一联轴器，5-储脂缸，6-试验泵，7-转速传感器，8-流量传感器，9-集脂缸，10-第二联轴器，11-第二气缸，12-第二阀组，13-第二空气压缩机，14-控制器，15-马达，16-激光源，17-显微镜，18-CCD相机，19- 计算机，20-电磁阀，21-电磁溢流阀，22-变量泵，201-单向阀，202-溢流阀，601-啮合齿轮，602-端面间隙，603-侧板。

具体实施方式

下面通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

如图1所示，为本发明提供的内啮合齿轮润滑脂泵端面间隙流场可视化研究试验台，包括：供脂单元、集脂单元、试验泵6、测试及控制单元、调速单元和PIV试验系统。

供脂单元由第一空气压缩机1、第一单向阀2、第一气缸3、第一联轴器4和储脂缸5构成，第一空气压缩机1通过第一阀组2与第一气缸3的无杆腔相连，第一气缸3和储脂缸5通过第一联轴器4相连，储脂缸5无杆腔连通试验泵6的入口，供脂单元用于实验过程中向试验泵6提供润滑脂；第一阀组2由单向阀201和溢流阀202组成，如图4所示，单向阀201 出口处设三通，其中一路连溢流阀202入口，另一路联通第一气缸3。

集脂单元由第二空气压缩机13、第二单向阀12、第二气缸11、第二联轴器10和集脂缸 9构成，第二空气压缩机13通过第二阀组12与第二气缸11的无杆腔相连，第二气缸11和集脂缸9通过第二联轴器10相连，集脂缸9无杆腔连通试验泵6的出口相连且二者之间设流量传感器8，用于收集实验过程试验泵6输送出的润滑脂。第二阀组12结构同第一阀组2。

测试及控制单元由控制器14、流量传感器8和转速传感器7构成，流量传感器8置于试验泵6的出口，用于测量试验泵6出口的流量；转速传感器7置于试验泵6和马达15连接轴上，用于测试试验泵6的转速；控制器14分别与转速传感器7、流量传感器8、电磁阀20、电磁溢流阀21和变量泵22相连，用于采集试验泵6的出口流量及其转速，并且实现对调速回路的控制。

如图2所示，调速单元由调速回路和马达15构成，所述的调速回路由电磁阀20、电磁溢流阀21和变量泵22组成，调速回路采用变量泵22和电磁溢流阀21，可以实现对马达15进行调速控制，进而达到试验泵6的转速根据实验需要进行调整。

PIV试验系统由激光源16、显微镜17、CCD相机18和计算机19构成，如图3所示，用于对啮合齿轮601和侧板603之间端面间隙602的流场进行可视化测试。

一种内啮合齿轮润滑脂泵端面间隙流场可视化研究方法，开展内啮合齿轮润滑脂泵端面间隙流场可视化研究方法包括:试验测试方法、参数调整方法和试验分析方法。

试验测试方法具体包括：供脂单元在第一空气压缩机1的作用下推动储脂缸5向试验泵 6提供润滑脂；调速单元的马达15驱动试验泵6转动，转速传感器7采集试验泵6的转速；设在试验泵6出口的流量传感器8采集其出口的润滑脂流量；集脂单元的集脂缸9实现对实验润滑脂的收集，且设在端部的第二气缸11与第二空气压缩机13相连，第二空气压缩机13 给第二气缸11提供一定压力的高压气体，最终施加在试验泵6出口，充当试验泵6运行的负载；采用PIV试验装置对试验泵6端面间隙开展流场的可视化测试。

参数调整方法具体包括：泵转速调整方法和泵负载调整方法；控制器14控制调速回路的变量泵22实现其排量的变化，进而调速回路整个流量发生变化，马达15转速也将发生变化，实现试验泵6转速的调整；调整第二空气压缩机13的供气压力，第二气缸11与集脂缸9相连，这样试验泵6在试验过程中，将需要克服第二空气压缩机13所提供的推力负载，可以根据试验需要对第二空气压缩机13提供的高压气体压力进行调整，以达到不同试验负载的需求。

试验分析方法具体包括：试验台用于试验泵6端面间隙泄漏与流场特征关联性的分析，依据转速传感器7获得的转速，结合试验泵6结构分析，得出试验泵6的理论流量(理论流量是由泵的结构参数，借助理论推导得来)；依据流量传感器8获得的流量，作为试验泵6的实际流量(直接测试获得的为实际流量是随着工况的变化，而不断变化的，出口获得的即为实际流量)；进而分析泵的容积效率及泄漏量；与此同时，PIV试验平台测试试验泵6端面间隙的流场特征；通过调整泵6运转的转速及负载，测试试验泵6的容积效率及泄漏量，考察其流场变化规律，探究不同容积效率及泄漏量下试验泵6端面间隙的流场特征。

上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种内啮合齿轮泵端面间隙流场可视化研究试验台，其特征在于，包括：供脂单元：用于暂存润滑脂，并以某一压力值通过试验泵(6)的入口向试验泵(6)供给润滑脂；集脂单元：用于向试验泵(6)出口施加一个小于入口的压力负载，并收集试验泵(6)出口泄露的润滑脂；调速单元：包括调速回路和马达(15)，调速回路调节马达(15)的转速，马达(15)进一步控制试验泵(6)的转速；测试及控制单元：获取试验泵(6)的出口润滑脂流量以及马达(15)的转速，控制所述调速单元对马达(15)转速的控制；PIV试验单元：在激光源(16)作用下，获取啮合齿轮(601)和侧板(603)之间端面间隙(602)流场的粒子图像，并经图像处理进一步得到速度矢量场。

2.根据权利要求1所述的内啮合齿轮泵端面间隙流场可视化研究试验台，其特征在于，所述供脂单元包括第一空气压缩机(1)、第一气缸(3)和储脂缸(5)，第一空气压缩机(1)与第一气缸(3)的无杆腔管道相连，储脂缸(5)无杆腔连通试验泵(6)的入口，第一气缸(3)与储脂缸(5)的轴通过联轴器连接。

3.根据权利要求2所述的内啮合齿轮泵端面间隙流场可视化研究试验台，其特征在于，所述第一空气压缩机(1)与第一气缸(3)的联通管道上设置有稳压的第一阀组(2)，第一阀组(2)由单向阀(201)(201)和溢流阀(202)(202)组成，单向阀(201)(201)出口处设三通，其中一路连溢流阀(202)(202)入口，另一路联通第一气缸(3)。

4.根据权利要求1所述的内啮合齿轮泵端面间隙流场可视化研究试验台，其特征在于，所述集脂单元包括第二空气压缩机(13)、第二气缸(11)和集脂缸(9)，第二空气压缩机(13)与第二气缸(11)的无杆腔相连，集脂缸(9)无杆腔连通试验泵(6)的出口，第二气缸(11)和集脂缸(9)的轴通过第二联轴器相连。

5.根据权利要求4所述的内啮合齿轮泵端面间隙流场可视化研究试验台，其特征在于，所述第二空气压缩机(13)与第二气缸(11)的联通管道上设置有稳压的第二阀组。

6.根据权利要求1所述的内啮合齿轮泵端面间隙流场可视化研究试验台，其特征在于，所述调速回路包括电磁阀(20)、电磁溢流阀(202)(21)和变量泵(22)，变量泵(22)通过电机驱动，电磁溢流阀(202)(21)和变量泵(22)连接至电磁阀(20)，电磁阀(20)连接至马达(15)。

7.根据权利要求6所述的内啮合齿轮泵端面间隙流场可视化研究试验台，其特征在于，所述测试及控制单元包括控制器(14)、流量传感器(8)和转速传感器(7)，流量传感器(8)置于试验泵(6)的出口，用于测量试验泵(6)出口的流量；转速传感器(7)置于试验泵(6)和马达(15)连接轴上，用于测试试验泵(6)的转速；控制器(14)分别与转速传感器(7)、流量传感器(8)、电磁阀(20)、电磁溢流阀(202)(21)和变量泵(22)相连，用于采集试验泵(6)的出口流量及其转速。

8.一种内啮合齿轮泵端面间隙流场可视化研究方法，其特征在于：通过试验泵(6)进口输入润滑脂，在出口处监控试验泵(6)的真实润滑脂流量，并在输出口通过高压空气制造模拟负载；通过对试验泵(6)的转速以及结构模型获得的理论流量，进而与实际流量对比，分析泵的容积效率与泄漏量，探究不同容积效率与泄漏量条件下PIV试验单元获取端面流场速度矢量场变化情况。

9.根据权利要求8所述的内啮合齿轮泵端面间隙流场可视化研究方法，其特征在于：供脂单元在第一空气压缩机(1)的作用下推动储脂缸向试验泵(6)提供润滑脂；调速单元的马达(15)驱动试验泵(6)转动，转速传感器(7)采集试验泵(6)的转速；设在试验泵(6)出入口的流量传感器(8)采集其出入口的润滑脂流量；集脂单元的集脂缸(9)实现对实验润滑脂的收集，且设在端部的第二气缸(11)与第二空气压缩机(13)相连，第二空气压缩机(13)给第二气缸(11)提供一定压力的高压气体，最终施加在试验泵(6)出口，充当试验泵(6)运行的负载；采用PIV试验装置对试验泵(6)端面间隙(602)开展流场的可视化测试。