基于数值模拟的外啮齿轮泵空化过程及防治措施的研究
发布时间：2021-08-26 10:02
外啮合齿轮泵因工作原理简单等众多优点被广泛应用于农业机械、工程机械及航空航天领域,但受结构限制空化问题一直是制约其发展的一个重要因素,加之近年来,工业产品对泵转速和压力的要求日益严苛,这更加剧了其空化现象的发生。因此,本课题针对齿轮泵空化问题展开研究,运用数值模拟的方法分析了造成齿轮泵空化的原因及空化对泵性能的影响规律,并提出了抑制齿轮泵空化的具体措施,这为提升泵的工作性能,延长泵的使用寿命提供了一种技术思路,有重要的工程实用价值。首先,通过了解空化基本理论及数值计算基本模型,明确了各类空化发生的条件及数值计算所运用的控制方程;建立了仿真模型,并通过对比数值计算和理论计算的结果分析了仿真模型的准确性。结果表明:计算模型的齿轮啮合间隙在5μm、网格数量在21万左右时,计算结果的准确性较高。接着,对几个关键位置泵内油液的流动状态进行了分析,得出了油液压力变化的基本规律,并通过数值模拟,分析了流场内压力、速度及气体体积分数的变化情况,得出了齿轮泵空化的原因、条件及主要类型。结果表明:齿轮泵的空化是由吸空现象和高速旋流导致的;转速的提高是泵空化的主要条件;在泵空化过程中气体空化占主导地位。然后...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CB型外啮合齿轮泵
獾挠攀疲??惨蚪峁瓜拗疲?涮烊淮嬖?诸多缺点，如流量脉动大，噪声较高以及径向受力不平衡等[5]。而高端制造业对液压产品日益增长的技术要求，使得齿轮泵必须朝着高速高压、大流量低脉动、低噪音等方向发展[6-8]。在国外，航天用齿轮泵的转速已高达13000r/min[9]，1999年德国力士乐研发出无噪音泵，而后Bosch-Rexroth在此基础上研发出了无困油现象的泵，其工作噪声低至15分贝[10]，如图1.2为SilencePlus齿轮泵。在国内，参照意大利MAR20-00H1设计的GHP1AQ型高压小排量齿轮泵更是将泵的工作压力提高到了35MPa[11]。图1.2SilencePlus齿轮泵外观（左）和啮合线（右）（引自文献[12]）通常，在实际的生产应用中齿轮泵常被作为燃料泵、供油泵、增压泵、计量泵、动力泵等使用，其工作环境多为开式系统入口压力较低，油液暴露在大气中会溶解一定量的空气。当油液进入泵内时复杂的流动会使气体从油液析出，析出的气体在高压油液作用下被压溃，会释放大量的热和冲击波使得元件材料表面出现剥蚀的现象[4]，如图1.3为气蚀对齿轮泵造成的损伤。可以看到齿轮端面和浮动侧板内侧均出现了小的坑洞或小面积的凹陷。在液压系统中，气蚀现象对液压元件损伤是不可逆转的，当元件表面出现损伤时，元件会出现无法正常工作的现象，最终导致整个液压系统出现故障。但对于绝大多数液压泵空化现象是不可避免的，所以一直以来空化都是齿轮泵普遍存在的问题[14,15]，转速和压力要求的提高更使空化成为限制齿轮泵发展的一个突出问题。因此，针对齿轮泵空化问题，研究空化现象的发生过程，分析空化对泵性能的影响规律，探讨如何防治或者缓解空化现象的产生，将会助力齿轮泵在未来的发展。
工程硕士学位论文3a)齿轮受到的损伤b)浮动侧板受到的损伤图1.3齿轮泵受到的气蚀破坏(引自文献[13])鉴于以上背景本课题将针对外啮合齿轮泵空化问题展开具体的研究，运用有效研究手段对齿轮泵内流场进行分析，通过对流场特征的分析，得出齿轮泵空化的原因、条件及主要类型，并通过对流场数据的检测，分析空化对泵性能的影响，最后基于以上分析提出能够有效抑制齿轮泵发生空化现象的措施。这些研究将会对泵空化问题的解决、工作性能的提升和使用寿命的延长提供一些理论支撑，因此本课题的研究具有一定的工程实用价值。1.2相关领域的研究概况1.2.1空化问题的研究方法人们对空化现象的认识起源于18世纪，在1753年Euler指出“水管中某处压强降低时，水会从管壁分离在该处形成真空”[16]。1839年Besant和1873年Reynolds开始在实验室对空化现象进行研究[17]。到19世纪后期，随着蒸汽机船舶的发展，人们发现转速提高反而会使螺旋桨效率降低，1895年，Barnaby和Parsons对这一现象进行研究，首次提出“空化”的概念，指出了液体压强和空化间的关系[18]，并于1903年建立了世界上第一个研究空化的小型水洞[19]，1902年在英国海军舰艇的螺旋桨上首次发现空蚀损伤，Rayleigh着手进行研究，并于1917年系统的提出了空化理论，建立了Rayleigh方程[20]，后经Plesset进一步研究，得到了著名的Rayleigh—Pleseet方程[21]。到19世纪40年代Knapp等人用高速摄像机对水洞中形成的空化区进行观察，清楚的看到了空化初生、长大、缩孝压溃的过程，自此空化开始进入人们的视野[22]。随着研究的深入，关于空化问题的理论和实验研究不断得到完善，并最终形成一个新的领域，围绕这一问题主要的研究内容有：气蚀现象、空化初生、气泡动力学及空化噪音等[23-25]。根据现有?
【参考文献】：
期刊论文
[1]转速对齿轮泵内流场空化强度的影响[J]. 强彦,王文安,罗小梅,项可,魏列江. 液压气动与密封. 2020(02)
[2]考虑空化效应的齿轮泵流量特性研究[J]. 周俊杰,苑士华,荆崇波. 兵工学报. 2020(01)
[3]宽温域条件下齿轮泵内流场空化强度的变化规律[J]. 强彦,王文安,罗小梅,吕庆军,魏列江. 兰州理工大学学报. 2019(05)
[4]吸油压力对外啮合齿轮泵空化特性的影响[J]. 李明学,杨国来,李晓青,白桂香,柴红强. 农业机械学报. 2019(03)
[5]齿轮泵液压径向力精确计算及仿真分析[J]. 金林,祝海林,彭雨萌,於雷. 常州大学学报(自然科学版). 2019(01)
[6]基于SimulationX的外齿轮泵输出特性的研究[J]. 李玙璠,赵斌,张晓刚,权龙. 液压与气动. 2018(11)
[7]齿轮泵入口侧的空化性能研究与分析[J]. 文昌明,李玉龙,钟飞. 机床与液压. 2018(19)
[8]工程机械高端液压元件“一条龙”应用思考[J]. 王万. 液压气动与密封. 2018(10)
[9]液压元件及核心零部件细分市场研究报告[J]. 王长江. 今日工程机械. 2017(Z2)
[10]齿轮泵研究的现状与发展简论[J]. 姚春芳. 中国石油和化工标准与质量. 2017(21)
博士论文
[1]齿轮泵发生空化时的气相动态演变过程及影响研究[D]. 李明学.兰州理工大学 2019
[2]压力调节锥阀阀芯振动与空化的可视化研究[D]. 闵为.兰州理工大学 2018
[3]热力学敏感流体空化流动三维数值模拟研究[D]. 孙铁志.哈尔滨工业大学 2016
[4]齿轮泵多连通容积内空化演变过程及其影响研究[D]. 周俊杰.北京理工大学 2015
[5]液压节流阀中的空化流动与噪声[D]. 陆亮.浙江大学 2012
[6]液压阀口空化机理及对系统的影响[D]. 杜学文.浙江大学 2008
[7]溢流阀阀口气穴与气穴噪声的研究[D]. 高红.浙江大学 2003
硕士论文
[1]宽温域变转速条件下齿轮泵空化特性研究[D]. 王文安.兰州理工大学 2019
[2]渐开线外啮合直齿轮泵内部流场及极限转速的研究[D]. 武彩娥.兰州理工大学 2019
[3]高温燃油柱塞泵配流副空化特性分析[D]. 张鹤然.浙江大学 2019
[4]水齿轮泵空化机理及影响因素研究[D]. 张此军.哈尔滨理工大学 2018
[5]渐开线外啮合直齿轮泵困油现象分析与研究[D]. 李明学.兰州理工大学 2016
[6]斜齿齿轮泵内部流场三维数值仿真与分析[D]. 史伟东.兰州理工大学 2016
[7]变排量齿轮泵三维内流场分析[D]. 高家赫.上海工程技术大学 2016
[8]变排量齿轮泵的空化流动研究及验证[D]. 董旭旭.上海工程技术大学 2014
[9]基于流场的外啮合齿轮泵径向力与困油压力的计算[D]. 赵光明.兰州理工大学 2012
本文编号：3364037
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CB型外啮合齿轮泵
獾挠攀疲??惨蚪峁瓜拗疲?涮烊淮嬖?诸多缺点，如流量脉动大，噪声较高以及径向受力不平衡等[5]。而高端制造业对液压产品日益增长的技术要求，使得齿轮泵必须朝着高速高压、大流量低脉动、低噪音等方向发展[6-8]。在国外，航天用齿轮泵的转速已高达13000r/min[9]，1999年德国力士乐研发出无噪音泵，而后Bosch-Rexroth在此基础上研发出了无困油现象的泵，其工作噪声低至15分贝[10]，如图1.2为SilencePlus齿轮泵。在国内，参照意大利MAR20-00H1设计的GHP1AQ型高压小排量齿轮泵更是将泵的工作压力提高到了35MPa[11]。图1.2SilencePlus齿轮泵外观（左）和啮合线（右）（引自文献[12]）通常，在实际的生产应用中齿轮泵常被作为燃料泵、供油泵、增压泵、计量泵、动力泵等使用，其工作环境多为开式系统入口压力较低，油液暴露在大气中会溶解一定量的空气。当油液进入泵内时复杂的流动会使气体从油液析出，析出的气体在高压油液作用下被压溃，会释放大量的热和冲击波使得元件材料表面出现剥蚀的现象[4]，如图1.3为气蚀对齿轮泵造成的损伤。可以看到齿轮端面和浮动侧板内侧均出现了小的坑洞或小面积的凹陷。在液压系统中，气蚀现象对液压元件损伤是不可逆转的，当元件表面出现损伤时，元件会出现无法正常工作的现象，最终导致整个液压系统出现故障。但对于绝大多数液压泵空化现象是不可避免的，所以一直以来空化都是齿轮泵普遍存在的问题[14,15]，转速和压力要求的提高更使空化成为限制齿轮泵发展的一个突出问题。因此，针对齿轮泵空化问题，研究空化现象的发生过程，分析空化对泵性能的影响规律，探讨如何防治或者缓解空化现象的产生，将会助力齿轮泵在未来的发展。
工程硕士学位论文3a)齿轮受到的损伤b)浮动侧板受到的损伤图1.3齿轮泵受到的气蚀破坏(引自文献[13])鉴于以上背景本课题将针对外啮合齿轮泵空化问题展开具体的研究，运用有效研究手段对齿轮泵内流场进行分析，通过对流场特征的分析，得出齿轮泵空化的原因、条件及主要类型，并通过对流场数据的检测，分析空化对泵性能的影响，最后基于以上分析提出能够有效抑制齿轮泵发生空化现象的措施。这些研究将会对泵空化问题的解决、工作性能的提升和使用寿命的延长提供一些理论支撑，因此本课题的研究具有一定的工程实用价值。1.2相关领域的研究概况1.2.1空化问题的研究方法人们对空化现象的认识起源于18世纪，在1753年Euler指出“水管中某处压强降低时，水会从管壁分离在该处形成真空”[16]。1839年Besant和1873年Reynolds开始在实验室对空化现象进行研究[17]。到19世纪后期，随着蒸汽机船舶的发展，人们发现转速提高反而会使螺旋桨效率降低，1895年，Barnaby和Parsons对这一现象进行研究，首次提出“空化”的概念，指出了液体压强和空化间的关系[18]，并于1903年建立了世界上第一个研究空化的小型水洞[19]，1902年在英国海军舰艇的螺旋桨上首次发现空蚀损伤，Rayleigh着手进行研究，并于1917年系统的提出了空化理论，建立了Rayleigh方程[20]，后经Plesset进一步研究，得到了著名的Rayleigh—Pleseet方程[21]。到19世纪40年代Knapp等人用高速摄像机对水洞中形成的空化区进行观察，清楚的看到了空化初生、长大、缩孝压溃的过程，自此空化开始进入人们的视野[22]。随着研究的深入，关于空化问题的理论和实验研究不断得到完善，并最终形成一个新的领域，围绕这一问题主要的研究内容有：气蚀现象、空化初生、气泡动力学及空化噪音等[23-25]。根据现有?
【参考文献】：
期刊论文
[1]转速对齿轮泵内流场空化强度的影响[J]. 强彦,王文安,罗小梅,项可,魏列江. 液压气动与密封. 2020(02)
[2]考虑空化效应的齿轮泵流量特性研究[J]. 周俊杰,苑士华,荆崇波. 兵工学报. 2020(01)
[3]宽温域条件下齿轮泵内流场空化强度的变化规律[J]. 强彦,王文安,罗小梅,吕庆军,魏列江. 兰州理工大学学报. 2019(05)
[4]吸油压力对外啮合齿轮泵空化特性的影响[J]. 李明学,杨国来,李晓青,白桂香,柴红强. 农业机械学报. 2019(03)
[5]齿轮泵液压径向力精确计算及仿真分析[J]. 金林,祝海林,彭雨萌,於雷. 常州大学学报(自然科学版). 2019(01)
[6]基于SimulationX的外齿轮泵输出特性的研究[J]. 李玙璠,赵斌,张晓刚,权龙. 液压与气动. 2018(11)
[7]齿轮泵入口侧的空化性能研究与分析[J]. 文昌明,李玉龙,钟飞. 机床与液压. 2018(19)
[8]工程机械高端液压元件“一条龙”应用思考[J]. 王万. 液压气动与密封. 2018(10)
[9]液压元件及核心零部件细分市场研究报告[J]. 王长江. 今日工程机械. 2017(Z2)
[10]齿轮泵研究的现状与发展简论[J]. 姚春芳. 中国石油和化工标准与质量. 2017(21)
博士论文
[1]齿轮泵发生空化时的气相动态演变过程及影响研究[D]. 李明学.兰州理工大学 2019
[2]压力调节锥阀阀芯振动与空化的可视化研究[D]. 闵为.兰州理工大学 2018
[3]热力学敏感流体空化流动三维数值模拟研究[D]. 孙铁志.哈尔滨工业大学 2016
[4]齿轮泵多连通容积内空化演变过程及其影响研究[D]. 周俊杰.北京理工大学 2015
[5]液压节流阀中的空化流动与噪声[D]. 陆亮.浙江大学 2012
[6]液压阀口空化机理及对系统的影响[D]. 杜学文.浙江大学 2008
[7]溢流阀阀口气穴与气穴噪声的研究[D]. 高红.浙江大学 2003
硕士论文
[1]宽温域变转速条件下齿轮泵空化特性研究[D]. 王文安.兰州理工大学 2019
[2]渐开线外啮合直齿轮泵内部流场及极限转速的研究[D]. 武彩娥.兰州理工大学 2019
[3]高温燃油柱塞泵配流副空化特性分析[D]. 张鹤然.浙江大学 2019
[4]水齿轮泵空化机理及影响因素研究[D]. 张此军.哈尔滨理工大学 2018
[5]渐开线外啮合直齿轮泵困油现象分析与研究[D]. 李明学.兰州理工大学 2016
[6]斜齿齿轮泵内部流场三维数值仿真与分析[D]. 史伟东.兰州理工大学 2016
[7]变排量齿轮泵三维内流场分析[D]. 高家赫.上海工程技术大学 2016
[8]变排量齿轮泵的空化流动研究及验证[D]. 董旭旭.上海工程技术大学 2014
[9]基于流场的外啮合齿轮泵径向力与困油压力的计算[D]. 赵光明.兰州理工大学 2012
本文编号：3364037
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