WO2023284019A1 - 一种高压齿轮泵止推板及其补偿油槽的设计方法 - Google Patents
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- calculating the resultant force includes obtaining and calculating the tooth profile area of the driving gear through the CFD fluid simulation software The pressure, the pressure of each tooth profile area of the driven gear, and the pressure of the meshing area, combined with the area of each tooth profile area of the driving gear, the area of each tooth profile area of the driven gear, and the area of the meshing area to calculate the force on the thrust plate in the gear fluid domain
- the resultant upward force F up includes obtaining and calculating the tooth profile area of the driving gear through the CFD fluid simulation software The pressure, the pressure of each tooth profile area of the driven gear, and the pressure of the meshing area, combined with the area of each tooth profile area of the driving gear, the area of each tooth profile area of the driven gear, and the area of the meshing area to calculate the force on the thrust plate in the gear fluid domain.
- Fig. 7 is the surface state schematic diagram of the traditional thrust plate test of the second embodiment of the present invention.
- the design of the compensation oil tank by this method will solve the problem of the thrust plate tilting during operation; the thrust plate compensation oil tank designed by this method will be reprocessed and tested.
- the test conditions are: inlet pressure 1MPa, outlet pressure 20MPa, speed After running at 2000r/min for 50 hours, it was disassembled to obtain the surface state of the thrust plate, as shown in Figure 8. It can be seen from the figure that there is no obvious side wear trace on the surface of the thrust plate. It can be inferred that the thrust plate was not damaged during operation. Tilt occurs.
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Abstract
一种高压齿轮泵止推板及其补偿油槽的设计方法。该方法包括，计算高压齿轮泵在额定工况下各区域的压力，并根据各区域的压力和其作用点计算合力和合力的作用点；计算止推板所受各分力，并根据止推板在高压情况下所受合力平衡建立平衡方程A；基于止推板所受各分力计算止推板上各分力相对于X轴和Y轴的力矩，并根据力矩平衡建立平衡方程B；根据平衡方程A和平衡方程B对止推板上补偿油槽的面积、形状和位置进行调整。该方法通过在齿轮泵上设计压力补偿油槽，使止推板在较高压力情况下保持平稳工作，起到压力补偿的效果，提高止推板和高压齿轮泵的使用寿命。
Description
本发明涉及高压齿轮泵的技术领域，尤其涉及一种高压齿轮泵止推板及其补偿油槽的设计方法。
止推板是高压齿轮泵中的重要零件，是直接与齿轮配合的零件，起到密封高压油的作用。止推板结构设计不合理将直接导致止推板和齿轮之间发生侧向磨损，使两者之间的油膜无法建立，进而使止推板和齿轮之间相互磨损，降低齿轮泵的使用寿命。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明提供了一种高压齿轮泵止推板及其补偿油槽的设计方法，能够解决现有高压齿轮泵止推板因设计不合理导致止推板发生磨损的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，计算高压齿轮泵在额定工况下各区域的压力，并根据所述各区域的压力和其作用点计算合力和合力的作用点；计算止推板所受各分力，并根据所述止推板在高压情况下所受合力平衡建立平衡方程A；基于所述止推板所受各分力计算止推板上各分力相对于X轴和Y轴的力矩，并根据力矩平衡建立平衡方程B；根据所述平衡方程A和平衡方程B对止推板上补偿油槽的面积、形状和位置进行调整。
作为本发明所述的高压齿轮泵止推板及其补偿油槽的设计方法的一种优选方案，其中：计算所述各区域的压力包括，利用CFD流体仿真软件计算所述高压齿轮泵在额定工况下各区域的压力。
作为本发明所述的高压齿轮泵止推板及其补偿油槽的设计方法的一种优选方案，其中：计算所述合力包括，通过所述CFD流体仿真软件获得计算得到主动齿轮各齿廓区域的压力、从动齿轮各齿廓区域的压力以及啮合区域的压力，结合主动齿轮各齿廓区域的面积、从动齿轮各齿廓区域的面积以及啮合区 域的面积计算齿轮流体域止推板所受的向上合力F
up：
F
up＝F
1+F
2+F
3+F
4+F
5+F
6+F
7+F
8+F
9+F
10+F
11+F
12+F
13+F
1’+F
2’+F
3’+F
4’+F
5’+F
6’+F
7’+F
8’+F
9’+F
10’+F
12’+F
13’+F
14+F
15+F
16其中，F
1、F
2、F
3、F
4、F
5、F
6、F
7、F
8、F
9、F
10、F
11、F
12、F
13、F
1’、F
2’、F
3’、F
4’、F
5’、F
6’、F
7’、F
8’、F
9’、F
10’、F
12’和F
13’为止推板下侧各区域所受流体所施加的向上推力；F
14、F
15、F
16为啮合区域所受的流体所施加的向上推力。
作为本发明所述的高压齿轮泵止推板及其补偿油槽的设计方法的一种优选方案，其中：所述合力的作用点包括，在止推板齿轮侧由主动齿轮各齿廓区域、从动齿轮各齿廓区域以及啮合区域各作用点产生的流体向上推力的合力中心坐标
为：
其中，i为整数，取值为从1到n，n为整数，为面积单元个数的最大值；X为流体向上推力的合力横坐标，Y为流体向上推力的合力纵坐标，S为齿槽区域的总面积，σ为微分中的面积单元。
作为本发明所述的高压齿轮泵止推板及其补偿油槽的设计方法的一种优选方案，其中：计算止推板所受各分力包括，设齿轮泵出口区域的压力为P
out1，面积为S
out；齿轮泵进口区域的压力为P
in，面积为S
in；则齿轮泵进口区域和齿轮泵出口区域对止推板产生向上的推力分别为：
F
in＝P
in*S
in
F
out＝P
out*S
out
其中，F
in为齿轮泵进口区域对止推板产生向上的推力，F
out为齿轮泵出口区域对止推板产生向上的推力。
作为本发明所述的高压齿轮泵止推板及其补偿油槽的设计方法的一种优选方案，其中：还包括，设止推板上出口区域S
down的压力为P
out2，面积为S
down， 则止推板上侧对止推板产生的向下推力为：
F
down＝P
out2*S
down
其中，F
down为止推板上侧对止推板产生的向下推力。
作为本发明所述的高压齿轮泵止推板及其补偿油槽的设计方法的一种优选方案，其中：所述平衡方程A包括，
F
up+F
in-F
down＝0。
作为本发明所述的高压齿轮泵止推板及其补偿油槽的设计方法的一种优选方案，其中：所述平衡方程B包括，以Y轴为旋转轴，顺时针为负逆时针为正，由止推板力矩平衡可得：
-F
up*|X|+F
down*|X
down|-F
in*|X
in|＝0
以X轴为旋转轴，顺时针为负逆时针为正，由止推板力矩平衡可得：
-F
up*|Y|+F
down*Y
down+F
in*|Y
in|＝0
其中，X
in和Y
in分别为齿轮泵进口区域作用点的横、纵坐标，X
down和Y
down分别为向下推力作用点的横、纵坐标。
本发明的有益效果：本发明通过在齿轮泵上设计压力补偿油槽，使止推板在较高压力情况下保持平稳工作，起到压力补偿的效果，提高止推板和高压齿轮泵的使用寿命。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明第一个实施例所述的一种高压齿轮泵止推板及其补偿油槽的设计方法的CFD流体仿真软件计算出的压力云图；
图2为本发明第一个实施例所述的一种高压齿轮泵止推板及其补偿油槽的设计方法的齿轮泵齿廓流体区域示意图；
图3为本发明第一个实施例所述的一种高压齿轮泵止推板及其补偿油槽的设计方法的补偿油槽外形示意图；
图4为本发明第一个实施例所述的一种高压齿轮泵止推板及其补偿油槽的设计方法的以Y轴为旋转轴时止推板受力示意图；
图5为本发明第一个实施例所述的一种高压齿轮泵止推板及其补偿油槽的设计方法的以X轴为旋转轴时止推板受力示意图；
图6为本发明第一个实施例所述的一种高压齿轮泵止推板及其补偿油槽的设计方法的齿轮泵进口和出口区域示意图；
图7为本发明第二个实施例的传统止推板试验后的表面状态示意图；
图8为为本发明设计的止推板试验后的表面状态示意图。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”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。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广 义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1～图6，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种高压齿轮泵止推板及其补偿油槽的设计方法，包括：
S1：计算高压齿轮泵在额定工况下各区域的压力，并根据各区域的压力和其作用点计算合力和合力的作用点。
利用CFD流体仿真软件计算高压齿轮泵在额定工况下各区域的压力；具体的，首先在CFD流体仿真软件中设置好泵的进口压力、出口压力、齿轮泵转速，接着运行CFD流体仿真软件，运行一段时间后得出各齿廓间压力的平均值，齿轮泵各齿廓间的压力云图如图1所示。
进一步的，参照图2，主动齿轮各齿廓区域为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13，由CFD流体仿真软件计算得1、12、13区域的压力为P1；2～8区域的压力分别为P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8；9、10、11区域的压力为P9；从动齿轮各齿廓区域为1’、2’、3’、4’、5’、6’、7’、8’、9’、10’、12’、13’，由CFD流体仿真软件计算所得1’、12’、13’区域的压力为P1；2’～8’区域的压力分别为P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8；9’、10’区域的压力为P9；啮合区域为14、15、16，压力分别为P14、P15、P16。
设齿廓区域1的面积为S1；区域2～8、2’～8’的面积为S2；9、10、11、12、13的面积分别为S9、S10、S11、S12、S13；9’、10’、12’、13’的面积分别为S9’、S10’、S12’、S13’；啮合区域14、15、16的面积为S14、S15、S16。
因此，(1)止推板下侧(靠近齿轮侧)各区域所受流体所施加的向上推力分别为：
F
1＝P
1*S
1
F
2＝P
2*S
2
F
3＝P
3*S
2
F
4＝P
4*S
2
F
5＝P
5*S
2
F
6＝P
6*S
2
F
7＝P
7*S
2
F
8＝P
8*S
2
F
9＝P
9*S
9
F
10＝P
9*S
10
F
11＝P
9*S
11
F
12＝P
1*S
12
F
13＝P
1*S
13
F
1’＝P
1*S
1
F
2’＝P
2*S
2
F
3’＝P
3*S
2
F
4’＝P
4*S
2
F
5’＝P
5*S
2
F
6’＝P
6*S
2
F
7’＝P
7*S
2
F
8’＝P
8*S
2
F
9’＝P
9*S
9
F
10’＝P
9*S
10
F
12’＝P
1*S
12
F
13’＝P
1*S
13’
(2)啮合区域所受的流体所施加的向上推力为：
F
14＝P
14*S
14
F
15＝P
15*S
15
F
16＝P
16*S
16
结合(1)和(2)获得齿轮流体域止推板所受的向上合力F
up：
F
up＝F
1+F
2+F
3+F
4+F
5+F
6+F
7+F
8+F
9+F
10+F
11+F
12+F
13+F
1’+F
2’+F
3’+F
4’+F
5’+F
6’+F
7’+F
8’+F
9’+F
10’+F
12’+F
13’+F
14+F
15+F
16
再进一步的，设各齿廓流体域和进出口区域向上流体力的作用点坐标分别为：(X
1，Y
1)、(X
2，Y
2)、(X
3，Y
3)、(X
4，Y
4)、(X
5，Y
5)、(X
6，Y
6)、(X
7， Y
7)、(X
8，Y
8)、(X
9，Y
9)、(X
10，Y
10)、(X
11，Y
11)、(X
12，Y
12)、(X
13，Y
13)、(X
1’，Y
1’)、(X
2’，Y
2’)、(X
3’，Y
3’)、(X
4’，Y
4’)、(X
5’，Y
5’)、(X
6’，Y
6’)、(X
7’，Y
7’)、(X
8’，Y
8’)、(X
9’，Y
9’)、(X
10’，Y
10’)、(X
12’，Y
12’)、(X
13’，Y
13’)、(X
14，Y
14)、(X
15，Y
15)、(X
16，Y
16)。
根据力学中重心的计算方法类推可知，在止推板齿轮侧由1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、1’、2’、3’、4’、5’、6’、7’、8’、9’、10’、12’、13’区域各作用点产生的流体向上推力的合力中心坐标
为：
其中，i为整数，取值为从1到n，n为整数，为面积单元个数的最大值；X为流体向上推力的合力横坐标，Y为流体向上推力的合力纵坐标，S齿槽为区域的总面积，σ为微分中的面积单元。
S2：计算止推板所受各分力，并根据止推板在高压情况下所受合力平衡建立平衡方程A。
止推板所受各分力包括齿轮泵进口区域和齿轮泵出口区域对止推板产生向上的推力、止推板上侧对止推板产生的向下推力。
具体的，(1)设齿轮泵出口区域的压力为P
out1，面积为S
out；齿轮泵进口区域的压力为P
in，面积为S
in；则齿轮泵进口区域和齿轮泵出口区域对止推板产生向上的推力分别为：
F
in＝P
in*S
in
F
out＝P
out*S
out
其中，F
in为齿轮泵进口区域对止推板产生向上的推力，F
out为齿轮泵出口区域对止推板产生向上的推力。
齿轮泵进出口区域作用点的坐标分别为(X
in，Y
in)、(X
out，Y
out)。
(2)设止推板上出口区域S
down的压力为P
out2，面积为S
down，则止推板上 侧对止推板产生的向下推力为：
F
down＝P
out2*S
down
其中，F
down为止推板上侧对止推板产生的向下推力。
向下推力的作用点坐标为(X
down，Y
down)。
在齿轮泵最高输出压力时，对止推板在Z方向受力分析，可得平衡方程A：
F
up+F
in-F
down＝0。
S3：基于止推板所受各分力计算止推板上各分力相对于X轴和Y轴的力矩，并根据力矩平衡建立平衡方程B。
平衡方程B包括：
(1)以Y轴为旋转轴，顺时针为负逆时针为正，由止推板力矩平衡可得：
-F
up*|X|+F
down*|X
down|-F
in*|X
in|＝0
(2)以X轴为旋转轴，顺时针为负逆时针为正，由止推板力矩平衡可得：
-F
up*|Y|+F
down*Y
down+F
in*|Y
in|＝0
其中，X
in和Y
in分别为齿轮泵进口区域作用点的横、纵坐标，X
down和Y
down分别为向下推力作用点的横、纵坐标。
S4：根据平衡方程A和平衡方程B对止推板上补偿油槽的面积、形状和位置进行调整。
(1)由止推板上侧对止推板产生的向下推力和平衡方程A可得：
S
down＝(F
up+F
in)/P
out2
由上式即可求出止推板上补偿油槽的面积S
down。
(2)由平衡方程B可得止推板上补偿油槽的重心坐标(X
down，Y
down)：
由于补偿油槽在出口侧，所以X
down取正：
X
down＝(F
in*|X
in|+F
up*|X|)/F
down
Y
down＝(F
up*|Y|-F
in*|Y
in|)/F
down
根据(1)、(2)计算出的止推板上补偿油槽的面积S
down时以及补偿油槽的重心坐标(X
down，Y
down)调整止推板上补偿油槽的面积大小、形状、位置，使其满足合力、合力矩计算出的中心坐标值要求。
实施例2
传统设计中无补偿油槽设计或补偿油槽设计不合理，止推板会发生偏磨痕迹；设定试验条件：进口压力1MPa、出口压力为20MPa、转速为2000r/min 运行50小时后拆解，获得传统的止推板表面状态，如图7所示；从图中可知，该止推板发生侧磨，表面出现深浅不一的磨痕，从磨痕可以推断，止推板在运行过程中发生了倾斜。
通过本方法对补偿油槽设计，会解决止推板在运行过程中发生倾斜的问题；将本方法设计的止推板补偿油槽重新加工试验，试验条件为：进口压力1MPa、出口压力为20MPa、转速2000r/min运行50小时后拆解，获得止推板表面状态，如图8所示；从图中可知，该止推板表面无明显侧磨痕迹，可以推断，止推板在运行过程中未发生倾斜。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
- 一种高压齿轮泵止推板及其补偿油槽的设计方法，其特征在于：包括，计算高压齿轮泵在额定工况下各区域的压力，并根据所述各区域的压力和其作用点计算合力和合力的作用点；计算止推板所受各分力，并根据所述止推板在高压情况下所受合力平衡建立平衡方程A；基于所述止推板所受各分力计算止推板上各分力相对于X轴和Y轴的力矩，并根据力矩平衡建立平衡方程B；根据所述平衡方程A和平衡方程B对止推板上补偿油槽的面积、形状和位置进行调整。
- 如权利要求1所述的高压齿轮泵止推板及其补偿油槽的设计方法，其特征在于：计算所述各区域的压力包括，利用CFD流体仿真软件计算所述高压齿轮泵在额定工况下各区域的压力。
- 如权利要求1所述的高压齿轮泵止推板及其补偿油槽的设计方法，其特征在于：计算所述合力包括，通过所述CFD流体仿真软件获得计算得到主动齿轮各齿廓区域的压力、从动齿轮各齿廓区域的压力以及啮合区域的压力，结合主动齿轮各齿廓区域的面积、从动齿轮各齿廓区域的面积以及啮合区域的面积计算齿轮流体域止推板所受的向上合力F up：F up＝F 1+F 2+F 3+F 4+F 5+F 6+F 7+F 8+F 9+F 10+F 11+F 12+F 13+F 1’+F 2’+F 3’+F 4’+F 5’+F 6’+F 7’+F 8’+F 9’+F 10’+F 12’+F 13’+F 14+F 15+F 16其中，F 1、F 2、F 3、F 4、F 5、F 6、F 7、F 8、F 9、F 10、F 11、F 12、F 13、F 1’、F 2’、F 3’、F 4’、F 5’、F 6’、F 7’、F 8’、F 9’、F 10’、F 12’和F 13’为止推板下侧各区域所受流体所施加的向上推力；F 14、F 15、F 16为啮合区域所受的流体所施加的向上推力。
- 如权利要求1所述的高压齿轮泵止推板及其补偿油槽的设计方法，其特征在于：所述合力的作用点包括，在止推板齿轮侧由主动齿轮各齿廓区域、从动齿轮各齿廓区域以及啮合区域各作用点产生的流体向上推力的合力中心坐标为：
其中，i为整数，取值为从1到n，n为整数，为面积单元个数的最大值；X为流体向上推力的合力横坐标，Y为流体向上推力的合力纵坐标，S为齿槽区域的总面积，σ为微分中的面积单元。 - 如权利要求1所述的高压齿轮泵止推板及其补偿油槽的设计方法，其特征在于：计算止推板所受各分力包括，设齿轮泵出口区域的压力为P out1，面积为S out；齿轮泵进口区域的压力为P in，面积为S in；则齿轮泵进口区域和齿轮泵出口区域对止推板产生向上的推力分别为：F in＝P in*S inF out＝P out*S out其中，F in为齿轮泵进口区域对止推板产生向上的推力，F out为齿轮泵出口区域对止推板产生向上的推力。
- 如权利要求5所述的高压齿轮泵止推板及其补偿油槽的设计方法，其特征在于：还包括，设止推板上出口区域的压力为P out2，面积为S down，则止推板上侧对止推板产生的向下推力为：F down＝P out2*S down其中，F down为止推板上侧对止推板产生的向下推力。
- 如权利要求1所述的高压齿轮泵止推板及其补偿油槽的设计方法，其特征在于：所述平衡方程A包括，F up+F in-F down＝0。
- 如权利要求1所述的高压齿轮泵止推板及其补偿油槽的设计方法，其特征在于：所述平衡方程B包括，以Y轴为旋转轴，顺时针为负逆时针为正，由止推板力矩平衡可得：-F up*|X|+F down*|X down|-F in*|X in|＝0以X轴为旋转轴，顺时针为负逆时针为正，由止推板力矩平衡可得：-F up*|Y|+F down*Y down+F in*|Y in|＝0其中，X in和Y in分别为齿轮泵进口区域作用点的横、纵坐标，X down和Y down分别为向下推力作用点的横、纵坐标。
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