CN111502986B - 一种航天齿轮微泵超低粘度介质下用的困油卸荷结构及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航天齿轮微泵超低粘度介质下用的困油卸荷结构及其设计方法,所述困油卸荷结构包括相同尺寸和结构的主渐开线齿轮、从渐开线齿轮,所述主渐开线齿轮与从渐开线齿轮构成一对啮合的齿轮副,所述主渐开线齿轮与从渐开线齿轮啮合的一端通过一对齿轮轴和滑动轴承与前泵盖相连、所述主渐开线齿轮与从渐开线齿轮啮合的另一端通过一对齿轮轴和滑动轴承与后泵盖相连,本发明既能满足困油卸荷用大缝隙和泵轴向密封用小缝隙的不同需求,其中,困油卸荷用大缝隙在困油卸荷中占据主导地位,在最小困油容积位置附近尤为明显,这与常规油泵以槽卸荷为主不同,根增强圆槽就卸荷面积的改善非常明显,且加工简单。
Description
技术领域
本发明涉及航天齿轮微泵技术领域,具体涉及一种航天齿轮微泵超低粘度介质下用的困油卸荷结构及其设计方法。
背景技术
在大型航天器水处理和热控系统的泵驱两相流回路中,驱动泵多采用微型磁力齿轮泵,简称为航天齿轮微泵,传热技术一般采用液氨类介质相变潜热,所以航天齿轮微泵只需提供较小流量(一般<5.1L/min)及较低扬程(一般<0.6MPa)即可,额定转速一般小于4000r/min,航天齿轮微泵属于匹配两相流回路的一种高精准流量动力元件,而困油是由齿轮泵结构所决定的一种固有现象,航天齿轮微泵也不另外,困油现象越严重将导致困油压力的波动越大,直接导致困油冲击越大和汽化气蚀现象越严重,从而给泵造成严重的破坏,使其不能胜任高精准流量动力元件的角色,因此,通过相应的困油卸荷措施来充分缓解困油的压力波动非常必要。目前,常规介质下的航天齿轮微泵主要通过改变卸荷槽口的轮廓来增大卸荷面积,并由增大了的卸荷面积来充分缓解困油的压力波动,而航天齿轮微泵所用的液氨类介质为超低粘度,一般为0.00018Pa.s,其轴向缝隙的困油卸荷效果会比常规介质下的齿轮微泵提高近百倍,并由此改变了卸荷槽口与轴向缝隙在困油卸荷中的主辅关系,因此,针对上述问题,本发明设计了一种航天齿轮微泵超低粘度介质下用的困油卸荷结构。
发明内容
本发明针对背景技术中的不足,提供了一种航天齿轮微泵超低粘度介质下用的困油卸荷结构及其设计方法,目的在于:充分缓解航天齿轮微泵在超低粘度介质下使用时所产生的困油现象,从而降低因困油现象对航天齿轮微泵所造成的危害。
一种航天齿轮微泵超低粘度介质下用的困油卸荷结构,包括相同尺寸和结构的主渐开线齿轮、从渐开线齿轮,所述主渐开线齿轮与从渐开线齿轮构成一对啮合的齿轮副,所述主渐开线齿轮与从渐开线齿轮啮合的一端通过一对齿轮轴和滑动轴承与前泵盖相连、所述主渐开线齿轮与从渐开线齿轮啮合的另一端通过一对齿轮轴和滑动轴承与后泵盖相连,所述困油卸荷结构由分别设置在前泵盖、后泵盖与齿轮副端面相贴合的两内侧面上的两部分困油卸荷区组合而成,所述两部分困油卸荷区关于齿轮副厚度方向 (即轴向)的中间截面完全对称,所述每部分困油卸荷区关于中心对称轴 (即齿轮副的中心连线在所述内侧面上的投影线)和过中心对称轴的中点,并与垂直于中心对称轴的流向对称轴对称,中心对称轴与流向对称轴的交点为齿轮副的传动节点,每部分困油卸荷区是在最常见的对称双矩形卸荷槽结构的基础上,由对称双矩形卸荷槽之间的密封面内陷0.01mm,以及在对称双矩形卸荷槽的四个角点处分别设置4个同直径的圆形槽来实现,每个圆形槽的形位尺寸,首先在最小困油容积位置处,由过最大困油容积位置处的啮合点、矩形卸荷槽轮廓的角点和与齿廓外切的三点约束来初步确定,以及依据《GB T 6135.3-2008直柄麻花钻第3部分_直柄长麻花钻的型式和尺寸标准》选取相应的标准化圆槽直径,最终由过最大困油容积位置处的啮合点、与齿廓外切、标准化圆槽直径唯一确定。
一种航天齿轮微泵超低粘度介质下用的困油卸荷结构的设计方法,其特征在于:所述设计方法包括如下步骤,步骤一、确定航天齿轮微泵的困油过程,步骤二、构建齿轮微泵的困油压力模型,步骤三、航天齿轮微泵的困油卸荷槽设置,步骤四、航天齿轮微泵的困油卸荷面积获取,步骤五、航天齿轮微泵的困油轴向缝隙设置,步骤六、航天齿轮微泵的困油压力仿真运算。
所述设计方法中步骤一,确定航天齿轮微泵的困油过程,设航天齿轮微泵的主渐开线齿轮、从渐开线齿轮的圆心为o1、o2,并以o1、o2分别代表主渐开线齿轮、从渐开线齿轮,在齿轮副的旋转过程中,因齿轮副重合度大于1的传动需要,所以有一个双啮合点共存的旋转子过程,此时由o1、 o2的齿面、双啮合点及前泵盖、后泵盖后的内侧面,构成了一个与泵介质吸入腔、排出腔完全相隔离的密闭困油腔,其内的介质称之为困油介质;注:侧隙点处的较大侧隙值将其两侧的密闭腔连成一个整体的困油腔;设齿轮副在泵排出端、吸入端的啮合点分别为n、n',啮合点n处的齿廓曲率半径为s,其中,当啮合点n为o1上的齿顶点时的s以s1表示,设L为理论啮合线的长度,齿轮的顶圆半径为ra,基圆半径为rb,基圆节距为pb,由此确定出困油腔的一个变化区间(即困油区间)为s∈[s1,s3],其中
在s1和s3的两位置处,困油介质的容积(即困油容积)具有相等的最大值,为此记s1为介质排出端的最大困油容积位置,s3为介质吸入端的最大困油容积位置;
在齿轮副的旋转过程中,s逐渐由s1变化到s3,其中,当侧隙点位于齿轮副中心线上时,困油介质具有最小的困油容积,称之为最小困油容积位置s2,且
在s∈[s1,s2]的困油区间内,随着齿轮副的旋转,困油体积由最大困油容积逐步压缩到最小困油容积,则s∈[s1,s2]为困油的压缩过程,在s∈[s2,s3] 内,随着齿轮副的旋转,困油体积由最小困油容积逐步膨胀到最大困油容积,则s∈[s2,s3]为困油的膨胀过程;
设s∈[s1,s3]区间内的困油容积、困油容积的变化率、困油压力分别为V、DV、p,压缩、膨胀过程中的困油压力又分别设为pg、pd;则
式中,ω为齿轮旋转的角速度,b为齿宽。显然,DV(s)关于DV(s2)对称分布。注:“(*)”前如没有“×”,均表示“*”为变量,下同,例如DV(s)表示s为 DV的变量。
所述设计方法中步骤二,构建齿轮微泵的困油压力模型,设QR、QZ为困油介质通过卸荷槽口、困油腔两端的轴向缝隙(即困油轴向缝隙)与吸入端、排出端介质的交换流量,称之为槽卸荷流量、端卸荷流量,则,由困油腔内各流量的瞬时平衡,得
DV(s)+QR(s)+QZ(s)=0 (4)
困油轴向缝隙可近似为矩形平行平板缝隙,由经典的矩形平行平板的缝隙流量计算,得
式(5)中,“(r'-rf)”和“(0.5pbcosα')”为双矩形卸荷槽之间密封面的宽度和长度,cz为困油轴向缝隙值,r'、rf为齿轮的节圆、根圆半径,μ为介质粘度,α'为齿轮副的啮合角,pi、po为泵的吸入端、排出端的介质压力,显然,QZ也关于QZ(s2)对称分布;
依据式(3)中DV(s)的困油容积V膨胀、压缩时的正、负定义,QR、QZ应以流出困油腔为正,流进困油腔为负。则,[s1,s2]压缩过程内困油压力的求解模型为
式(6)中,QR(s)采用经典的薄壁孔口流量公式加以计算,当pg>po时,取“+”号,否则取“-”号;C为流量系数,ρ为介质密度,AR为卸荷面积,如AR(s) 一旦确定,则可求出pg(s);
在求解模型(6)中,DV(s)、QZ(s)、AR(s)、QR(s)均关于最小困油容积位置对称,则pg和pd也应如此,即
pg(s)+pg(2s2-s)=pi+po (7)
成立,则
所述设计方法中步骤三,航天齿轮微泵的困油卸荷槽设置,航天齿轮微泵的困油卸荷槽是在最常见的对称双矩形卸荷槽(称之为普通槽)的基础上,在其4个角点处分别增设4个同直径的圆形槽来实现(称之为增强槽)来实现;其中,双矩形卸荷槽对称分布在中心对称轴的两侧,每个矩形卸荷槽均以流向对称轴为对称中心线,在最小困油容积位置处,普通槽与中心对称轴平行的轮廓边(称之为槽中心轮廓)分别过困油腔的两个啮合点,普通槽与流向对称轴平行的轮廓(称之为槽流向轮廓)与槽中心轮廓相交于根圆上,称其交点为普通槽的角点,由双普通槽的4个角点围成的矩形区域构成了困油的轴向密封区域;
每个圆形槽的直径和位置,首先在最小困油容积位置处,由过最大困油容积位置处的啮合点、矩形卸荷槽的角点和与齿廓外切的三点约束来初步确定,以及依据《GB T6135.3-2008直柄麻花钻第3部分_直柄长麻花钻的型式和尺寸标准》选取相应的标准化圆槽直径,其次由过最大困油容积位置处的啮合点、与齿廓外切、标准化圆槽直径唯一确定出圆形槽的位置。
所述设计方法中步骤四,航天齿轮微泵的困油卸荷面积获取,首先由齿轮副和卸荷槽的3D模型生成卸荷槽口面域的3D特征,然后通过3D特征的面域测量工具,分别得到普通槽和增强槽的卸荷面积;其中,s∈[s1,s3] 内若干等分的不同困油位置,可由3D齿轮副模型的旋转带动卸荷槽口面域的变化来实现。
所述设计方法中步骤五,航天齿轮微泵的困油轴向缝隙设置,由齿轮副端面的原有轴向缝隙(称之为齿轮副轴向缝隙)+困油的轴向密封面域内陷0.01mm来实现,则,困油轴向缝隙等于齿轮副轴向缝隙+内陷的0.01mm,这样的阶梯式轴向缝隙既满足了抑制泵轴向泄漏用的齿轮副小轴向缝隙和卸荷用的大困油轴向缝隙的不同需求。
所述设计方法中步骤六,航天齿轮微泵的困油压力仿真运算,仿真运算采用a、b、c的三种方案,其中,a采用普通槽和困油轴向缝隙=齿轮副轴向缝隙=0.01mm,b采用增强槽和困油轴向缝隙=齿轮副轴向缝隙=0.01 mm,c采用普通槽和困油轴向缝隙=齿轮副轴向缝隙+0.01mm=0.02mm;
将[s1,s3]区间若干等分,得若干个不同的困油位置s及其相应的普通槽、增强槽的不同卸荷面积,再采用excel软件下的规划求解模块,就这若干个不同困油位置下的不同DV(s)和不同的卸荷面积,分别对式(6)进行0值求解,得三种方案下的困油压力p(s),并加以评判a、b、c三种方案的优劣。
本发明的有益效果:
本发明既能满足困油卸荷用大缝隙和泵轴向密封用小缝隙的不同需求,其中,困油卸荷用大缝隙在困油卸荷中占据主导地位,在最小困油容积位置附近尤为明显,这与常规油泵以槽卸荷为主不同,根增强圆槽就卸荷面积的改善非常明显,且加工简单。困油轴向缝隙和增强圆形槽的组合卸荷,能满足航天微泵抗困油的高性能要求。
附图说明
图1为航天齿轮微泵的困油卸荷结构的组成示意图。
图2为航天齿轮微泵介质排出端一侧的最大困油容积位置示意图。
图3为航天齿轮微泵介质吸入端一侧的最大困油容积位置示意图。
图4为航天齿轮微泵侧隙点位于节点时的最小困油容积位置示意图。
图5为航天齿轮微泵困油卸荷的结构示意图。
图6为通过增强圆形槽形位尺寸的具体确定示意图。
图7为普通槽与增强槽下的卸荷面积对比示意图。
图8为普通槽与增强槽下的困油压力对比示意图。
具体实施方式
实施例
设航天齿轮微泵的实例参数取5.1L/min的最大流量,4000rpm的最高转速,pi=1.1MPa,po=1.6MPa,齿轮的模数为1,齿轮为10,齿顶高系数为1.1,顶隙系数为0.15,压力角为20°,啮合角为α'为29.5°,介质密度为ρ为870Kg/m3,孔口流量系数C为0.62,困油轴向缝隙cz采用0.01、0.02mm 的两种情况,介质的超低粘度为μ=0.00018Pa.s。
如图1至图8所示,一种航天齿轮微泵超低粘度介质下用的困油卸荷结构,包括相同尺寸和结构的主渐开线齿轮、从渐开线齿轮,所述主渐开线齿轮与从渐开线齿轮构成一对啮合的齿轮副,在所述主渐开线齿轮与从渐开线齿轮啮合的一端通过一对齿轮轴和滑动轴承与前泵盖相连、在所述主渐开线齿轮与从渐开线齿轮啮合的另一端通过一对齿轮轴和滑动轴承与后泵盖相连,其特征在于:所述困油卸荷结构由分别设置在前泵盖、后泵盖与齿轮副端面相贴合的两内侧面上的两部分困油卸荷区组合而成,所述两部分困油卸荷区关于齿轮副厚度方向(即轴向)的中间截面完全对称,所述每部分困油卸荷区关于中心对称轴(即齿轮副的中心连线在所述内侧面上的投影线)和过中心对称轴的中点,并与垂直于中心对称轴的流向对称轴对称,中心对称轴与流向对称轴的交点为齿轮副的传动节点,每部分困油卸荷区是在最常见的对称双矩形卸荷槽结构的基础上,由对称双矩形卸荷槽之间的密封面内陷0.01mm,以及在对称双矩形卸荷槽的四个角点处分别设置4个同直径的圆形槽来实现,每个圆形槽的形位尺寸,首先在最小困油容积位置处,由过最大困油容积位置处的啮合点、矩形卸荷槽轮廓的角点和与齿廓外切的三点约束来初步确定,以及依据《GB T6135.3-2008 直柄麻花钻第3部分_直柄长麻花钻的型式和尺寸标准》选取相应的标准化圆槽直径,最终由过最大困油容积位置处的啮合点、与齿廓外切、标准化圆槽直径唯一确定;所述一种航天齿轮微泵超低粘度介质下用的困油卸荷结构的设计方法,所述设计方法包括如下步骤,步骤一、确定航天齿轮微泵的困油过程,步骤二、构建齿轮微泵的困油压力模型,步骤三、航天齿轮微泵的困油卸荷槽设置,步骤四、航天齿轮微泵的困油卸荷面积获取,步骤五、航天齿轮微泵的困油轴向缝隙设置,步骤六、航天齿轮微泵的困油压力仿真运算,所述设计方法中步骤一,确定航天齿轮微泵的困油过程,设航天齿轮微泵的主渐开线齿轮、从渐开线齿轮的圆心为o1、o2,并以o1、 o2分别代表主渐开线齿轮、从渐开线齿轮,在齿轮副的旋转过程中,因齿轮副重合度大于1的传动需要,所以有一个双啮合点共存的旋转子过程,此时由o1、o2的齿面、双啮合点及前泵盖、后泵盖后的内侧面,构成了一个与泵介质吸入腔、排出腔完全相隔离的密闭困油腔,其内的介质称之为困油介质;注:侧隙点处的较大侧隙值将其两侧的密闭腔连成一个整体的困油腔(如图2所示);设齿轮副在泵排出端、吸入端的啮合点分别为n、 n',啮合点n处的齿廓曲率半径为s,其中,当啮合点n为o1上的齿顶点时的s以s1表示,设L为理论啮合线的长度,齿轮的顶圆半径为ra,基圆半径为rb,基圆节距为pb,由此确定出困油腔的一个变化区间(即困油区间) 为s∈[s1,s3],其中
在s1和s3的两位置处,困油介质的容积(即困油容积)具有相等的最大值,为此记s1为介质排出端的最大困油容积位置(如图3所示),s3为介质吸入端的最大困油容积位置(如图4所示);
在齿轮副的旋转过程中,s逐渐由s1变化到s3,其中,当侧隙点位于齿轮副中心线上时,困油介质具有最小的困油容积,称之为最小困油容积位置s2,且
在s∈[s1,s2]的困油区间内,随着齿轮副的旋转,困油体积由最大困油容积逐步压缩到最小困油容积,则s∈[s1,s2]为困油的压缩过程,在s∈[s2,s3] 内,随着齿轮副的旋转,困油体积由最小困油容积逐步膨胀到最大困油容积,则s∈[s2,s3]为困油的膨胀过程;
设s∈[s1,s3]区间内的困油容积、困油容积的变化率、困油压力分别为V、 DV、p,压缩、膨胀过程中的困油压力又分别设为pg、pd,则
式中,ω为齿轮旋转的角速度,b为齿宽,显然,DV(s)关于DV(s2)对称分布。注:“(*)”前如没有“×”,均表示“*”为变量,下同,例如DV(s)表示s为DV的变量;所述设计方法中步骤二,构建齿轮微泵的困油压力模型,设 QR、QZ为困油介质通过卸荷槽口、困油腔两端的轴向缝隙(即困油轴向缝隙)与吸入端、排出端介质的交换流量,称之为槽卸荷流量、端卸荷流量,则,由困油腔内各流量的瞬时平衡,得
DV(s)+QR(s)+QZ(s)=0 (4)
困油轴向缝隙可近似为矩形平行平板缝隙,由经典的矩形平行平板的缝隙流量计算,得
式(5)中,“(r'-rf)”和“(0.5pbcosα')”为双矩形卸荷槽之间密封面的宽度和长度,cz为困油轴向缝隙值,r'、rf为齿轮的节圆、根圆半径,μ为介质粘度,α'为齿轮副的啮合角,pi、po为泵的吸入端、排出端的介质压力,显然,QZ也关于QZ(s2)对称分布;
依据式(3)中DV(s)的困油容积V膨胀、压缩时的正、负定义,QR、QZ应以流出困油腔为正,流进困油腔为负。则,[s1,s2]压缩过程内困油压力的求解模型为
式(6)中,QR(s)采用经典的薄壁孔口流量公式加以计算,当pg>po时,取“+”号,否则取“-”号;C为流量系数,ρ为介质密度,AR为卸荷面积,如AR(s) 一旦确定,则可求出pg(s);
在求解模型(6)中,DV(s)、QZ(s)、AR(s)、QR(s)均关于最小困油容积位置对称,则pg和pd也应如此,即
pg(s)+pg(2s2-s)=pi+po (7)
成立,则
所述设计方法中步骤三,航天齿轮微泵的困油卸荷槽设置,航天齿轮微泵的困油卸荷槽是在最常见的对称双矩形卸荷槽(称之为普通槽)的基础上,在其4个角点处分别增设4个同直径的圆形槽来实现(称之为增强槽)如图5所示;其中,双矩形卸荷槽对称分布在中心对称轴的两侧,每个矩形卸荷槽均以流向对称轴为对称中心线,在最小困油容积位置处,普通槽与中心对称轴平行的轮廓边(称之为槽中心轮廓)分别过困油腔的两个啮合点,普通槽与流向对称轴平行的轮廓(称之为槽流向轮廓)与槽中心轮廓相交于根圆上,称其交点为普通槽的角点,由双普通槽的4个角点围成的矩形区域构成了困油的轴向密封区域;每个圆形槽的直径和位置,如图6所示,首先在最小困油容积位置处,由过最大困油容积位置处的啮合点、矩形卸荷槽的角点和与齿廓外切的三点约束来初步确定,以及依据《GB T6135.3-2008直柄麻花钻第3部分_直柄长麻花钻的型式和尺寸标准》选取相应的标准化圆槽直径,其次由过最大困油容积位置处的啮合点、与齿廓外切、标准化圆槽直径唯一确定出圆形槽的位置,所述设计方法中步骤四,航天齿轮微泵的困油卸荷面积获取,首先由齿轮副和卸荷槽的3D 模型生成卸荷槽口面域的3D特征,然后通过3D特征的面域测量工具,分别得到普通槽和增强槽的卸荷面积。其中,s∈[s1,s3]内10等分的不同困油位置下相应的普通槽、增强卸荷面积,如图7所示,可见卸荷面积增强的绝对效果非常明显,尤其在卸荷槽关闭位置附近(即s2位置)的相对效果最为明显,所述设计方法中步骤五,航天齿轮微泵的困油轴向缝隙设置,由齿轮副端面的原有轴向缝隙(称之为齿轮副轴向缝隙)+困油的轴向密封面域内陷0.01mm来实现,则,困油轴向缝隙等于齿轮副轴向缝隙+内陷的 0.01mm,这样的阶梯式轴向缝隙既满足了抑制泵轴向泄漏用的齿轮副小轴向缝隙和卸荷用的大困油轴向缝隙的不同需求,所述设计方法中步骤六,航天齿轮微泵的困油压力仿真运算,仿真运算采用a、b、c的三种方案,其中,a采用普通槽和困油轴向缝隙=齿轮副轴向缝隙=0.01mm,b采用增强槽和困油轴向缝隙=齿轮副轴向缝隙=0.01mm,c采用普通槽和困油轴向缝隙=齿轮副轴向缝隙+0.01mm=0.02mm;将[s1,s3]区间若干等分,得若干个不同的困油位置s及其相应的普通槽、增强槽的不同卸荷面积,再采用excel 软件下的规划求解模块,就这若干个不同困油位置下的不同DV(s)和不同的卸荷面积,分别对式(6)进行0值求解,得三种方案下的困油压力p(s)如图8 所示,方案b虽然采用了增强槽,比方案a的卸荷面积也有了很大的提高,但仍不能有效缓解困油压力,即困油压力超出吸入端和排出端介质压力线仍很多;而方案c仅仅通过区域面A内陷0.01mm,即可将困油压力近似控制在吸入端和排出端介质压力线之间。由此说明在航天齿轮微泵超低粘度介质下的困油卸荷中,困油轴向缝隙起决定的主要作用,而卸荷槽口仅起辅助的次要作用。
Claims (1)
1.一种航天齿轮微泵超低粘度介质下用的困油卸荷结构的设计方法,其特征在于:困油卸荷结构包括相同尺寸和结构的主渐开线齿轮、从渐开线齿轮,所述主渐开线齿轮与从渐开线齿轮构成一对啮合的齿轮副,所述主渐开线齿轮与从渐开线齿轮啮合的一端通过一对齿轮轴和滑动轴承与前泵盖相连、所述主渐开线齿轮与从渐开线齿轮啮合的另一端通过一对齿轮轴和滑动轴承与后泵盖相连,困油卸荷槽结构由分别设置在前泵盖、后泵盖与齿轮副端面相贴合的两内侧面上的两部分困油卸荷区组合而成,两部分困油卸荷区关于齿轮副厚度方向的中间截面完全对称,每部分困油卸荷区关于中心对称轴对称和过中心对称轴的中点并与垂直于中心对称轴的流向对称轴对称,中心对称轴与流向对称轴的交点为齿轮副的传动节点,所述困油卸荷结构的设计方法包括如下步骤,步骤一、确定航天齿轮微泵的困油过程,设航天齿轮微泵的主渐开线齿轮、从渐开线齿轮的圆心为o1、o2,并以o1、o2分别代表主渐开线齿轮、从渐开线齿轮,在齿轮副的旋转过程中,因齿轮副重合度大于1的传动需要,所以有一个双啮合点共存的旋转子过程,此时由o1、o2的齿面、双啮合点及前泵盖、后泵盖后的内侧面,构成了一个与泵介质吸入腔、排出腔完全相隔离的密闭困油腔,其内的介质称之为困油介质;侧隙点处的较大侧隙值将其两侧的密闭困油腔连成一个整体的困油腔;设齿轮副在泵排出端、吸入端的啮合点分别为n、n',啮合点n处的齿廓曲率半径为s,其中,当啮合点n为o1上的齿顶点时的s以s1 表示,设L为理论啮合线的长度,齿轮的顶圆半径为ra,基圆半径为rb,基圆节距为pb ,由此确定出困油腔的一个变化区间为s∈[s1,s3],其中
在s 1 和s 3 的两位置处,困油介质的容积具有相等的最大值,为此记s1 为介质排出端的最大困油容积位置,s3为介质吸入端的最大困油容积位置;
在齿轮副的旋转过程中,s逐渐由s1变化到s3,其中,当侧隙点位于齿轮副中心线上时,困油介质具有最小的困油容积,称之为最小困油容积位置s2,且
在s∈[s1,s2]的困油区间内,随着齿轮副的旋转,困油容积由最大困油容积逐步压缩到最小困油容积,则s∈[s1,s2]为困油的压缩过程,在s∈[s2,s3]内,随着齿轮副的旋转,困油容积由最小困油容积逐步膨胀到最大困油容积,则在s∈[s2,s3]为困油的膨胀过程;
设s∈[s1,s3]区间内的困油容积、困油容积的变化率、困油压力分别为V、DV、p,压缩、膨胀过程中的困油压力又分别设为pg 、pd ,ω为齿轮旋转的角速度,b为齿宽,则
DV(s)+QR(s)+QZ(s)=0 (4)
困油轴向缝隙可近似为矩形平行平板缝隙,由经典的矩形平行平板的缝隙流量计算,得
其中r'、rf 为齿轮的节圆、根圆半径, cz为困油轴向缝隙值,μ为介质粘度, α'为齿轮副的啮合角,pi、po为泵的吸入端、排出端的介质压力, 依据式(3)中DV(s)的困油容积V膨胀、压缩时的正、负定义,QR、QZ应以流出困油腔为正,流进困油腔为负,则, [s1,s2]压缩过程内困油压力的求解模型为
其中,C为流量系数,AR为卸荷面积,ω为齿轮旋转的角速度,b为齿宽,
在求解模型(6)中,DV(s)、QZ(s)、AR(s)、QR(s)均关于最小困油容积位置对称,则pg 和pd也应如此,即
pg(s)+pg(2s2-s)=pi+po (7)
成立,则
步骤三、航天齿轮微泵的困油卸荷槽设置,航天齿轮微泵的困油卸荷槽是在对称双矩形卸荷槽的基础上,在其4个角点处分别增设4个同直径的圆形槽来实现;其中,双矩形卸荷槽对称分布在中心对称轴的两侧,每个矩形卸荷槽均以流向对称轴为对称中心线,在最小困油容积位置处,矩形卸荷槽与中心对称轴平行的轮廓边分别过困油腔的两个啮合点,矩形卸荷槽与流向对称轴平行的轮廓与槽中心轮廓相交于根圆上,称其交点为矩形卸荷槽的角点,由双矩形卸荷槽的4个角点围成的矩形区域构成了困油的轴向密封区域;每个圆形槽的直径和位置,首先在最小困油容积位置处,由过最大困油容积位置处的啮合点、矩形卸荷槽的角点和与齿廓外切的三点约束来初步确定,以及依据选取相应的标准化圆槽直径,其次由过最大困油容积位置处的啮合点、与齿廓外切、标准化圆槽直径唯一确定出圆形槽的位置;步骤四、航天齿轮微泵的困油卸荷面积获取,首先由齿轮副和困油卸荷槽的3D模型生成卸荷槽口面域的3D特征,然后通过3D特征的面域测量工具,分别得到矩形卸荷槽和圆形槽的卸荷面积;其中,s∈[s1,s3]内若干等分的不同困油位置,可由3D齿轮副模型的旋转带动卸荷槽口面域的变化来实现;步骤五、航天齿轮微泵的困油轴向缝隙设置,由齿轮副端面的原有轴向缝隙+困油的轴向密封面域内陷0.01mm来实现,则,困油轴向缝隙等于齿轮副轴向缝隙+内陷的0.01mm,这样的阶梯式轴向缝隙既满足了抑制泵轴向泄漏用的齿轮副小轴向缝隙和卸荷用的大困油轴向缝隙的不同需求;步骤六、航天齿轮微泵的困油压力仿真运算,仿真运算采用a、b、c的三种方案,其中,a采用矩形卸荷槽和困油轴向缝隙=齿轮副轴向缝隙=0.01mm,b采用圆形槽和困油轴向缝隙=齿轮副轴向缝隙=0.01mm,c采用矩形卸荷槽和困油轴向缝隙=齿轮副轴向缝隙+0.01mm=0.02mm;将[s1,s3]区间若干等分,得若干个不同的困油位置s及其相应的矩形卸荷槽、圆形槽的不同卸荷面积,再采用excel软件下的规划求解模块,就这若干个不同困油位置下的不同DV(s)和不同的卸荷面积,分别对式(6)进行0值求解,得三种方案下的困油压力p(s),并加以评判a、b、c三种方案的优劣。
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