CN113464422A - 非圆齿轮驱动的低脉动凸轮泵 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种非圆齿轮驱动的低脉动凸轮泵，在不改变凸轮泵结构的基础上，增设一电动机、一对相互啮合的高阶傅里叶非圆齿轮副、一主动非圆齿轮轴和一从动非圆齿轮轴。高阶傅里叶非圆齿轮副包括一主动非圆齿轮和一从动非圆齿轮，主动非圆齿轮套设在主动非圆齿轮轴上，且主动非圆齿轮轴通过联轴器与电动机的输出轴相连；从动非圆齿轮套设在从动非圆齿轮轴上，从动非圆齿轮轴通过另一联轴器与凸轮泵主动轴相连。本发明通过一对相互啮合的高阶傅里叶非圆齿轮变速驱动凸轮泵内的一对凸轮转子运动，抑制泵体系统的流量脉动，解决现有圆弧转子凸轮泵流量脉动大的问题。本发明具有脉动小、成本低、结构简单、维护方便等优势。

Description

非圆齿轮驱动的低脉动凸轮泵

技术领域

本发明属于流体传动技术领域，及一种凸轮泵，具体地说，涉及一种非圆齿轮驱动的低脉动凸轮泵。

背景技术

凸轮泵是一种重要的流体介质传送装置，相比于离心泵、叶片泵等其他类型泵，具有流量大、效率高、密闭性好、自吸性能好等特点，因此，其适用于高黏度和含固体颗粒流体介质的传输，被广泛应用于石油化工、日用化工、市政、消防、食品、交通等领域。传统凸轮泵结构简单、维护方便、成本低廉，但是，因其具有较大的周期性流量脉动，导致凸轮泵工作时泵体及管道内存在噪声、振动、介质传输不平稳等问题。

公开号为CN206513550U的专利文献公开了一种用于转子泵的低脉动斜齿转子，其将转子泵原有直转子改进为斜转子,叶片旋转过程中密封腔不是同时打开,密封在腔体里的流体的流量变化幅度明显缩小,脉动现象根本改观，稳定性增强，泵的噪声和管道共振明显降低。但是，该专利文献公开的斜转子结构形状复杂，设计难度大，加工精度要求高。

公开号为CN107939671A的专利文献公开了一种具有错位角的串联式低脉动内啮合齿轮泵，它包括前盖、联接体、后盖、前齿轮箱体和后齿轮箱体，其将两组内啮合齿轮箱串联，两组内啮合齿轮副存在一个错位角，使得齿轮副所产生的流量存在一个相位差。当两股具有相位差的流量合流叠加时，通过合理调整相位角,可以使得出口处的流量脉动降低，实现降低齿轮泵出口流量脉动的目的，但是，串联的齿轮箱导致泵体体积增大、结构复杂，生产成本增加、维护难度增大。

公开号为CN108061032A的专利文献公开了一种在不改变泵体结构的基础上，通过外置一对非圆齿轮变速驱动机构实现平抑椭圆齿轮泵流量脉动的目的，其通过调节椭圆齿轮泵不同转角对应的转速，使其瞬时流量均匀。该发明结构简单、成本低、平抑效果好，但是其节曲线设计方法生成的非圆齿轮节曲线顺滑性较差，导致非圆齿轮加工难度大，在高速传动时容易产生刚性冲击和噪声。因此设计一种高性能、流量平稳的低脉动凸轮泵具有重要意义。

发明内容

为解决目前凸轮泵流量脉动大的问题，本发明的目的是提供一种非圆齿轮驱动的低脉动凸轮泵。该低脉动凸轮泵通过一对高阶傅里叶非圆齿轮副产生的变速运动驱动凸轮泵，降低其流量脉动，抑制凸轮泵系统的噪声和振动冲击。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种非圆齿轮驱动的低脉动凸轮泵，其包括相互作用的一对凸轮转子、一对相互啮合的主动同步齿轮和从动同步齿轮、凸轮泵主动轴、凸轮泵从动轴、一电动机、一对高阶傅里叶非圆齿轮副、一主动非圆齿轮轴和一从动非圆齿轮轴；

所述一对凸轮转子分别套设在所述凸轮泵主动轴和所述凸轮泵从动轴上；所述主动同步齿轮套设在所述凸轮泵主动轴上，所述从动同步齿轮套设在所述凸轮泵从动轴上；

所述一对高阶傅里叶非圆齿轮副包括相互啮合的主动非圆齿轮和从动非圆齿轮；所述主动非圆齿轮套设在所述主动非圆齿轮轴上，且所述主动非圆齿轮轴通过第一联轴器与所述电动机的输出轴相连；

所述从动非圆齿轮套设在所述从动非圆齿轮轴上，所述从动非圆齿轮轴通过第二联轴器与所述凸轮泵主动轴相连；

所述主动非圆齿轮和所述从动非圆齿轮传动比函数为：

式中，

为从动非圆齿轮的转角；n₁为主动非圆齿轮的阶数，n₂为从动非圆齿轮的阶数，且n₁＝n₂＝2*Z₃＝2*Z₄，Z₃、Z₄为两个凸轮转子的叶数，n₁和n₂为正整数；K为傅里叶级数的项数，取正整数；a_n，b_n分别为傅里叶级数展开式的系数。

优选地，所述傅里叶级数展开式系数a_n，b_n的确定方法为：

S1、确定凸轮泵的啮合曲线为：

式中，x_f和y_f分别为啮合曲线的横坐标和纵坐标，a为一对凸轮转子中心距的一半值；b为凸轮转子叶峰圆心至转子中心距离；q为叶峰齿顶角的一半值，q＝π/(2*Z₃)；r为凸轮转子叶峰半径；φ为凸轮转子转角；θ为凸轮转子叶峰圆转角，且

S2、确定凸轮泵的瞬时流量为：

式中，ω₃为凸轮泵主动轴的转速；B为凸轮转子宽度；R_m为凸轮转子叶顶圆半径，R_m＝b+r；

S3、确定非圆齿轮副的理想传动比为：

S4、确定非圆齿轮传动比函数系数为：

式中，

为凸轮泵主动轴转角，

优选地，所述傅里叶级数项数K的取值范围为[1,4]。

优选地，所述一对凸轮转子的叶数Z₃＝Z₄＝2或3。

优选地，当凸轮转子叶数Z₃＝Z₄＝2，所述主动非圆齿轮和从动非圆齿轮的节曲线阶数为4阶；当凸轮转子叶数Z₃＝Z₄＝3，所述主动非圆齿轮和从动非圆齿轮的节曲线阶数为6阶。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明在不改变现有凸轮泵结构的前提下，通过增设一对高阶傅里叶非圆齿轮副变速驱动凸轮泵，有效地抑制了泵体系统的流量脉动。相比于现有技术中通过非圆齿轮变速驱动平抑流量脉动的方式，本发明利用高阶傅里叶级数表达非圆齿轮节曲线的方法，使生成的非圆齿轮节曲线顺滑性更好，非圆齿轮加工难度更低，传动过程更加平稳，不易出现振动冲击和噪声，实际平抑效果更好。相比于优化转子形状和多泵流量叠加的方法，本发明采用非圆齿轮变速驱动平抑方式在有效降低泵的流量脉动的同时，还具有较低设计加工难度和生产成本，在尺寸、结构和后期维护等方面更具有优势，因此工程上更具备实用性。

附图说明

图1是本发明非圆齿轮驱动的低脉动凸轮泵结构示意图；

图2是本发明低脉动双叶凸轮泵泵体结构简图；

图3是本发明二阶傅里叶非圆齿轮副的传动比示意图；

图4是本发明实施例中阶数n₁＝4，n₂＝4，傅里叶级数K＝2的非圆齿轮副的节曲线示意图；

图5是本发明实施例中经过阶数n₁＝4，n₂＝4，傅里叶级数K＝1的非圆齿轮平抑前后凸轮泵瞬时流量曲线示意图；

图6是本发明实施例中经过阶数n₁＝4，n₂＝4，傅里叶级数K＝2的非圆齿轮平抑前后凸轮泵瞬时流量曲线示意图；

图7是本发明实施例中经过阶数n₁＝4，n₂＝4，傅里叶级数K＝3的非圆齿轮平抑前后凸轮泵瞬时流量曲线示意图；

图8是本发明实施例中经过阶数n₁＝4，n₂＝4，傅里叶级数K＝4的非圆齿轮平抑前后凸轮泵瞬时流量曲线示意图。

附图标号：

1、箱体；2、第一凸轮转子；3、第二凸轮转子；4、主动同步齿轮；5、从动同步齿轮；6、凸轮泵主动轴；7、凸轮泵从动轴；8、电动机；9、主动非圆齿轮；10、从动非圆齿轮；11、主动非圆齿轮轴；12、从动非圆齿轮轴；13、第一联轴器；14、第二联轴器；15、变速箱体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“径向”、“轴向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明公开的非圆齿轮驱动的低脉动凸轮泵在不改变凸轮泵体结构的前提下，仅增设了一对高阶傅里叶非圆齿轮副和一个电动机。

如图1～图2所示，常见的凸轮泵包括箱体1、安装固定在箱体内相互作用的一对凸轮转子、一对相互啮合的主动同步齿轮4和从动同步齿轮5、凸轮泵主动轴6和凸轮泵从动轴7。

相互作用的一对凸轮转子包括第一凸轮转子2和第二凸轮转子3，第一凸轮转子2和第二凸轮转子3的结构相同，第一凸轮转子2套设在凸轮泵主动轴6上，第二凸轮转子3套设在凸轮泵从动轴7上；主动同步齿轮4也套设在凸轮泵主动轴6上，从动同步齿轮5套设在凸轮泵从动轴7上；凸轮泵主动轴6与外部驱动电动机的输出轴相连。当外部驱动电动机旋转时，外部驱动电动机带动凸轮泵主动轴6旋转，凸轮泵主动轴6带动第一凸轮转子2转动；同时，凸轮泵主动轴6通过相互啮合的主动同步齿轮4和从动同步齿轮5，带动凸轮泵从动轴7旋转，凸轮泵从动轴7带动第二凸轮转子3转动。

由于传统的凸轮泵在高速运转时，流量脉动大，导致泵体及管道噪声和振动大，如图1所示，本发明在传统凸轮泵系统中增设电动机8、一对高阶傅里叶非圆齿轮副、主动非圆齿轮轴11和从动非圆齿轮轴12。高阶傅里叶非圆齿轮副包括主动非圆齿轮9和从动非圆齿轮10。

主动非圆齿轮9和从动非圆齿轮10啮合，主动非圆齿轮9套设在主动非圆齿轮轴11上，且，主动非圆齿轮轴11通过第一联轴器13与电动机8的输出轴相连；从动非圆齿轮10套设在从动非圆齿轮轴12上，从动非圆齿轮轴12通过第二联轴器14与凸轮泵主动轴6相连。

电动机8通电旋转，通过主动非圆齿轮9和从动非圆齿轮10、主动非圆齿轮轴11和从动非圆齿轮轴12，带动凸轮泵动作。

在本发明较佳实施例中，本发明还包括一非圆齿轮变速箱体15，主动非圆齿轮轴11和从动非圆齿轮轴12通过轴承安装固定在变速箱体15内，主动非圆齿轮9和从动非圆齿轮10分别安装在主动非圆齿轮轴11和从动非圆齿轮轴12上；主动非圆齿轮9和从动非圆齿轮10相互啮合，传递变速运动。

为抑制凸轮泵工作时的脉动流量，降低管道噪声和振动，本发明增设的一对高阶傅里叶非圆齿轮副的传动比函数i₁₂为：

式中，

为从动非圆齿轮转角；n₁为主动非圆齿轮的阶数，n₂为从动非圆齿轮的阶数，且n₁＝n₂＝2*Z₃＝2*Z₄，Z₃、Z₄为一对凸轮转子的叶数，n₁和n₂取正整数；K为傅里叶级数的项数，取正整数，K的取值范围为[1,4]；a_n，b_n分别为傅里叶级数展开式的系数。

其中，傅里叶级数展开式的系数a_n和b_n的确定方法为：

S1、确定凸轮泵的啮合曲线：

式中，x_f和y_f分别为啮合曲线的横坐标和纵坐标，a为一对凸轮转子中心距的一半值；b为凸轮转子叶峰圆心至转子中心距离；q为凸轮转子叶峰齿顶角的一半值，q＝π/(2*Z₃)；r为凸轮转子叶峰圆半径；φ为凸轮转子转角；θ为凸轮转子叶峰圆转角，且

x_f为啮合曲线横坐标，y_f为啮合曲线纵坐标。

S2、确定凸轮泵的瞬时流量为：

式中，ω₃为凸轮泵主动轴的转速；B为凸轮转子宽度；R_m为凸轮转子叶顶圆半径，R_m＝b+r；

S3、确定非圆齿轮副的理想传动比为：

S4、确定非圆齿轮传动比函数中傅里叶级数展开式的系数为：

式中，

为凸轮泵主动轴转角，

本发明实施例，各组成部件的参数为：

表1系统的设计参数

具体而言，非圆齿轮副的传动比函数为：

式中，

为从动非圆齿轮的转角；n₁为主动非圆齿轮的阶数，n₂为从动非圆齿轮的阶数，且n₁＝n₂＝4；K为傅里叶级数的项数，K＝2；a_n，b_n分别为傅里叶级数展开式的系数，其中a_n，b_n系数值的确定方法为：

S1、确定凸轮泵的啮合曲线：

式中，x_f和y_f分别为啮合曲线的横坐标和纵坐标，a为一对凸轮转子中心距的一半值；b为凸轮转子叶峰圆心至转子中心距离；q为凸轮转子叶峰齿顶角的一半值，q＝π/4；r为凸轮转子叶峰圆半径；φ为凸轮泵转子转角；θ为凸轮转子叶峰圆转角，且

S2、确定凸轮泵的瞬时流量为：

式中，ω₃为凸轮泵主动轴的转速；B为凸轮转子宽度；R_m为凸轮转子叶顶圆半径，R_m＝151.32mm；

S3、确定非圆齿轮副的理想传动比为：

S4、确定非圆齿轮传动比函数系数为：

式中，

为凸轮泵主动轴转角，

由高阶傅里叶非圆齿轮传动比计算的非圆齿轮节曲线方程为：

通过表1和公式6计算得到一对二阶傅里叶非圆齿轮的传动比，如图3所示。其中曲线1为非圆齿轮利用傅里叶级数展开式表达的传动比曲线，曲线2为非圆齿轮的理想传动比曲线，可见利用傅里叶级数展开式表示的传动比十分近似的拟合出的理论传动比。

由表1和公式11可以计算出本发明实施例中一对二阶傅里叶非圆齿轮的节曲线，数据如表2所示，得到的非圆齿轮节曲线如图4所示。图4中a为主动非圆齿轮节曲线，b为从动非圆齿轮节曲线。

表2一对二阶傅里叶非圆齿轮节曲线数据

安装高阶傅里叶非圆齿轮副时，要保证主动非圆齿轮最长向径与从动非圆齿轮最短向径对齐。此时低脉动凸轮泵的瞬时流量方程为：

式中，ω₁为电动机输入转速，i₁₂为非圆齿轮副传动比，B为凸轮转子3、4宽度，R_m为凸轮转子叶顶圆半径，R_m＝151.32mm。

无非圆齿轮驱动时，电动机直接驱动凸轮泵的瞬时流量公式为

根据表1和公式(12)-(13)可分别得到有、无非圆齿轮变速驱动的凸轮泵的瞬时流量数据，如表3所示。

表3有、无非圆齿轮变速驱动凸轮泵瞬时流量Q_i(L·s^-1)

调整傅里叶三角函数的项数K，根据表1和公式(10)得到K∈{1,2,3,4}时非圆齿轮传动比函数系数a_n、b_n，如表4所示。

表4非圆齿轮传动比函数系数a_n、b_n

根据表1和公式(12)-(13)可分别得到经过一阶傅里叶非圆齿轮、二阶傅里叶非圆齿轮、三阶傅里叶非圆齿轮、四阶傅里叶非圆齿轮驱动的凸轮泵的瞬时流量曲线，分别如图5、6、7、8所示，其中c为平抑前瞬时流量曲线，d为平抑后瞬时流量曲线。对比图5、6、7、8可知无非圆齿轮和各阶傅里叶非圆齿轮驱动平抑后凸轮泵的最大流量和最小流量以及脉动率，如表5所示。

表5有、无非圆齿轮驱动的凸轮泵流量最值和脉动率

	最大流量(L·s<sup>-1</sup>)	最小流量(L·s<sup>-1</sup>)	脉动率(％)
				无非圆齿轮	67.52	63.74	22.38
K＝1	62.52	60.29	3.62
				K＝2	61.83	61.83	0.84
K＝3	61.67	61.52	0.24
				K＝4	61.62	61.58	0.07

由此可见，通过装有一对高阶傅里叶非圆齿轮对凸轮泵变速驱动后，其流量脉动情况得到了大幅改善，而且当非圆齿轮节曲线的傅里叶级数越大，泵的脉动率越小，平抑效果越好。通过一对高阶傅里叶非圆齿轮副变速驱动凸轮泵，从机械结构的根源上解决了凸轮泵流量脉动问题，降低了泵的振动和噪声，有利于流体的稳定性传送。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种非圆齿轮驱动的低脉动凸轮泵，其特征在于：其包括相互作用的一对凸轮转子、一对相互啮合的主动同步齿轮和从动同步齿轮、凸轮泵主动轴、凸轮泵从动轴、一电动机、一对高阶傅里叶非圆齿轮副、一主动非圆齿轮轴和一从动非圆齿轮轴；

所述一对凸轮转子分别套设在所述凸轮泵主动轴和所述凸轮泵从动轴上；所述主动同步齿轮套设在所述凸轮泵主动轴上，所述从动同步齿轮套设在所述凸轮泵从动轴上；

所述一对高阶傅里叶非圆齿轮副包括相互啮合的主动非圆齿轮和从动非圆齿轮；所述主动非圆齿轮套设在所述主动非圆齿轮轴上，且所述主动非圆齿轮轴通过第一联轴器与所述电动机的输出轴相连；

所述从动非圆齿轮套设在所述从动非圆齿轮轴上，所述从动非圆齿轮轴通过第二联轴器与所述凸轮泵主动轴相连；

所述主动非圆齿轮和所述从动非圆齿轮传动比函数为：

式中，

为从动非圆齿轮的转角；n₁为主动非圆齿轮的阶数，n₂为从动非圆齿轮的阶数，且n₁＝n₂＝2*Z₃＝2*Z₄，Z₃、Z₄为两个凸轮转子的叶数，n₁和n₂为正整数；K为傅里叶级数的项数，取正整数；a_n，b_n分别为傅里叶级数展开式的系数。

2.根据权利要求1所述的非圆齿轮驱动的低脉动凸轮泵，其特征在于：所述傅里叶级数展开式系数a_n，b_n的确定方法为：

S1、确定凸轮泵的啮合曲线为：

式中，x_f和y_f分别为啮合曲线的横坐标和纵坐标，a为一对凸轮转子中心距的一半值；b为凸轮转子叶峰圆心至转子中心距离；q为叶峰齿顶角的一半值，q＝π/(2*Z₃)；r为凸轮转子叶峰半径；φ为凸轮转子转角；θ为凸轮转子叶峰圆转角，且

S2、确定凸轮泵的瞬时流量为：

式中，ω₃为凸轮泵主动轴的转速；B为凸轮转子宽度；R_m为凸轮转子叶顶圆半径，R_m＝b+r；

S3、确定非圆齿轮副的理想传动比为：

S4、确定非圆齿轮传动比函数系数为：

式中，

为凸轮泵主动轴转角，

3.根据权利要求2所述的非圆齿轮驱动的低脉动凸轮泵，其特征在于：所述傅里叶级数项数K的取值范围为[1,4]。

4.根据权利要求3所述的非圆齿轮驱动的低脉动凸轮泵，其特征在于：所述一对凸轮转子的叶数Z₃＝Z₄＝2或3。

5.根据权利要求4所述的非圆齿轮驱动的低脉动凸轮泵，其特征在于：当凸轮转子叶数Z₃＝Z₄＝2，所述主动非圆齿轮和从动非圆齿轮的节曲线阶数为4阶；当凸轮转子叶数Z₃＝Z₄＝3，所述主动非圆齿轮和从动非圆齿轮的节曲线阶数为6阶。

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