关于外齿轮泵流动仿真的本科生研究项目的探索与实践*

2018-04-25康文明林诗峰马骁夫

机电工程技术 2018年1期

黄思，康文明，林诗峰，马骁夫

（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 510640）

0 前言

为培养高素质、“三创型（创新、创造、创业）”人才，切实提高本科生的综合素质，华南理工大学为本科生开设了“学生研究项目”（Stu⁃dent Research Program，SRP），旨在鼓励本科生参与探索性的研究工作，获得科学研究的训练和技能，从而达到拓展创新能力的目的[1-5]。

齿轮泵是一种应用广泛的液压机械，结构上分为外啮合和内啮合形式，其中以外啮合齿轮泵应用较广[6]。齿轮泵的工作原理是当齿轮旋转时，两个齿轮的啮合点发生变化，吸油腔工作容积增大，形成部分真空产生吸油作用；另外在压油腔中，由于齿轮逐渐啮合，其工作容积减小，向压力管路产生压油作用。由于齿轮泵是旋转机械，其结构是封闭的且仅有很小的啮合间隙（一般0.13～0.17 mm），现有条件下无法观测到齿轮泵内的流动状况。因此，开展“外齿轮泵内流场仿真计算及动画制作”的SRP项目研究，指导学生使用流动软件模拟计算齿轮泵内的瞬态流场并制作教学动画课件，使学生能直观地了解齿轮泵的工作原理和性能变化规律，同时也是对过程控制专业必修课“过程流体机械”教学手段的补充与完善。

1 项目实施过程与方法

学生根据个人的兴趣爱好申请参加指导教师拟定的SRP项目，指导教师从中选拔出具备一定机械设计和CAD建模基础的学生加入到项目组。项目启动后，指导教师首先帮助学生理解项目的任务和内容；引导学生查阅有关文献资料，使学生掌握齿轮泵的工作原理，掌握完成项目所需的流动计算方法和技能；最后是根据学生的基础和能力，安排项目的具体分工，制订各自的目标和工作内容。整个SRP项目的内容和阶段步骤见表1。

表1 项目计划安排

2 项目实施的主要结果

2.1 流动计算域模型的建立

齿轮泵的设计参数具体见表2。齿轮泵流动计算域建模采用GearTrax软件画出标准的渐开线外齿轮，导入到Solidworks软件中生成并组装成一对啮合的齿轮。在软件中对齿轮固体区域运用布尔运算得到流体计算域模型，如图1所示。

表2 齿轮泵的设计参数

图1 外齿轮泵流体计算域

2.2 计算域的网格划分

将流体计算域模型导入到流动计算软件中，采用软件网格划分模块对流体计算域进行网格划分[7]，得到如图2所示的结构网格单元。

图2 外齿轮泵结构网格

2.3 流场仿真计算

流体介质为煤油（25℃），模拟计算采用湍流、空化流动模型；进口边界条件设置静压为1 atm，出口静压为5 atm。齿轮转速为2 500 r/min，模拟计算的泵旋转时间为4周。

仿真计算得到的齿轮泵出口质量流量曲线如图3所示。由图可知，在经历了一段过渡时间后，外齿轮泵的出口流量随时间开始作稳定的谐波变化，流动进入正常工作状态。指导教师借助该计算结果使学生们了解到齿轮泵的流动是不稳定的，由此进一步引导学生通过改变齿轮泵的尺寸、齿数、模数及转速等参数，探索减小齿轮泵流量脉动的有关措施[8-9]。

图3 泵出口流量随时间变化曲线

2.4 后处理与动画制作

通过对计算结果进行后处理，学生们可以直观地看到齿轮泵内的压力（图4）和流速矢量（图5）。计算结果显示由泵入口到出口的压力值逐渐增大，每个腔室内的压力值较为均匀，不同腔室的压差比较明显。两齿轮啮合的地方是压差最大的位置，该处的介质在压差驱动下泄漏速度达到15 m/s左右。教师指导学生如何从计算结果文件中直接读取齿轮泵的流量、功率以及扭矩等参数，使学生应用所学的知识进一步计算出齿轮泵的效率并绘制出齿轮泵的特性曲线，提高了对齿轮泵的理论认识。