高黏度齿轮泵运行与结构参数对泵内压力场影响

2023-10-07刘春波孙智胡加辉张旭东

机床与液压 2023年17期

刘春波，孙智，胡加辉，张旭东

(1.河南工业大学机电工程学院，河南郑州 450000；2.郑州机械研究所有限公司高速事业部，河南郑州 450001)

0 前言

高黏度流体指的是动力黏度大于0.12 Pa·s的流体。高黏度流体在输送过程中流动性较差，流体质点的相对运动引起的内摩擦力较大，从而引起宏观压力场、温度场变化复杂[1]。近年来，随着工业自动化进程的加快，生产领域中需要输送高黏度流体场合逐渐增多，已广泛涉及到石油化工、食品、医药等行业。齿轮泵具有结构简单、自吸性好、可靠性高、价格低等优点，是较为理想的高黏流体输送设备，在石油化工行业应用广泛[2]。

目前市场上出售的高黏度齿轮泵可输送介质的动力黏度约为0.02～300 Pa·s，介质黏度越高，泵在使用过程中出现的问题越多，主要包括噪声较大、泄漏严重、寿命较短等。要解决这些问题，需要对高黏度齿轮泵进行深入研究。

国内外高黏度齿轮泵的研究方向主要包括2个：一个是针对困油、噪声、泄漏、脉动等的结构优化方向[3-5]；另一个是高压化、可变量方向[6-7]。结构优化方向的主要措施包括齿面啮合型面的研究[8]、流量特性及困油特性的研究等[9]。高压化、可变量方向则主要集中在复合泵方向。近年来，随着计算机技术的发展，运用CFD的方法对高黏度齿轮泵内部流场进行仿真分析，进而指导泵优化设计的研究逐渐增多[10-11]。

齿轮泵结构虽然简单，但注入输送介质后，其内部介质输送过程及状态难以监测，成为研究的空白区。而提高泵的工作性能，优化泵体结构的主要依据就是泵内部压力场状态，尤其是解决齿轮泵存在的困液、寿命、泄漏问题，必须充分掌握其内部压力场的变化过程[12]。齿轮泵的性能与介质传输过程中压力的变化密切相关，压力突然升高会引起压力冲击，外在表现就是噪声大、震动大、泄漏严重等[13]；压力突然降低则会引起气蚀，外在表现就是轮齿出现气蚀点，啮合处密封效果变差，流量脉动增大，泵的寿命变短[14]。在高黏度齿轮泵正常工作过程中，保持压力平稳是提高泵的性能、延长泵寿命的有效途径。

本文作者运用CFD方法对高黏度齿轮泵输送介质过程中内部压力场进行全程模拟，研究泵运行与结构参数对压力场的影响，进而探究高黏度泵齿轮的磨损机制，解决高黏度泵寿命短的实际问题，填补国内目前高黏度泵理论研究的空白[15]。研究工作与郑州机械研究所有限公司联合完成，高黏度泵建模时使用的结构数据均经过郑机所修正。

1 理论基础

输送高黏介质的过程中，由于泵齿轮的旋转，带动介质产生旋转并紧贴轮齿的弯曲壁面流动，泵内流场将随时间与空间发生随机变化，属于典型湍流[16]。由于介质流体的黏度较高，属于低雷诺数流动。目前，国内外研究中，解决这种低雷诺数湍流的理论基础是RNGκ-ε湍流模型[17]。这种流动模型同时考虑湍流漩涡与低雷诺数流动黏性问题[18]。此外，高黏介质中含有大量气泡，在传输过程中，由于压力场的变化，导致气泡不断破裂与新生[19]，因此，高黏度泵内部存在空化现象，作者在湍流模型的基础上，引入空化模型[20]，提高了数值模拟的准确性。

2 仿真过程与参数

2.1 高黏齿轮泵结构设计参数

文中所建立的高黏度齿轮泵模拟分析结构如图1所示，为典型的外啮合齿轮泵，建模所需参数包括：齿数、模数、压力角、中心距等。模拟计算中，结构参数以齿数为主，数值取11、13与15，其他参数参考文献[21]进行选择与计算,具体数值如表1所示。

表1 高黏度泵用齿轮基本参数

图1 齿轮泵模型

齿轮泵泵体决定参数包括卸荷槽相关参数、进出油口相关参数及轴内间隙等，计算值如表2所示。

表2 齿轮泵参数

2.2 高黏度泵运行及仿真计算参数

文中研究的高黏度齿轮泵运行参数包括传送介质动力黏度、转速、出口压力。其中，介质动力黏度是文中研究的重点参数，根据具体应用情况，定为0.007～50 Pa·s。

稳定工作后，内部压力场的变化周期为啮合齿轮旋转一周的时间，文中模拟计算时，除研究转速影响部分外，泵的转速设定为75 r/min，即齿轮旋转一周总时长为0.8 s，因此，模拟的时间长度定为0.8 s。网格划分情况：采用非结构性网格，网格的总数为194 035个，面网格的数量为1 007 540个，节点数为491 644个。

3 结果与讨论

文中主要讨论高黏度齿轮泵运行及结构参数对泵内部压力场的影响。

3.1 介质动力黏度对泵内部压力场的影响

数值模拟时根据目前高黏度泵的应用情况，选择了4种动力黏度数值，其中，0.007 Pa·s与普通液压油的动力黏度相当，主要起到对比的作用。另选择了3种化工行业常用动力黏度数值，分别为1、15、50 Pa·s，相当于车用油、重油与原油的黏度。其他相关参数为：齿数为14，转速为75 r/min，进出口压力分别为0.1、1.2 MPa。

图2、3所示为高黏度泵稳定运行后内部压力场云图，其中，左侧为泵内整体云图，右侧为啮合处放大云图，模拟计算时考虑了泄漏的影响，泄漏间隙为0.5 mm，压力云图的时间为困油体积最小时刻。

图2 低黏度段不同介质黏度压力云图

由图2可知：低黏度段内(0～5 Pa·s)时，随着介质黏度值的增加，泵内压力变化区域逐渐缩小。主要是由于黏度的增加使介质的流动性变差，泄漏现象得到一定程度的抑制，因此，压力的梯度变化只体现在泵的出口附近，且变化幅值较大。此外，啮合处压力随介质黏度的增加而升高，黏度为1 Pa·s时，啮合处最大压力可达2.27 MPa，高于出口压力。

介质黏度升高到中黏度段(5～50 Pa·s)后，如图3所示，啮合处压力升高现象更为突出，在泵进、出口压力不变的情况下，啮合压力逐渐升高，当黏度为50 Pa·s，啮合压力高达60 MPa，远高于出口压力。过高的啮合压力周期性作用在轮齿上，对齿轮及轴承产生了很大的径向力作用，使得轮齿产生疲劳磨损、断裂、掉块等现象，轴承磨损，影响泵的密封性及工作效率。这就是实际使用中，高黏度泵寿命短的主要原因。

图3 中黏度段不同介质黏度压力云图

模拟时，按照传统标准设计了卸荷槽，如表2所示。从研究结果来看，介质黏度的升高削弱了卸荷槽的作用，随着啮合点压力升高，困油现象越来越严重，压力冲击现象越明显，噪声越大。因此，应该对高黏度泵卸荷槽设计进行专题研究，进而给出新的设计标准。

3.2 介质动力黏度对困油区域压力的影响

经过上述分析可知，对于高黏度齿轮泵，困油处压力变化较普通齿轮泵更加剧烈，有必要进行详细分析。图4给出了介质不同黏度时，困油部分压力随时间的变化云图。相关参数为：齿数14、转速75 r/min。图中的3个时刻为任一对轮齿进入啮合、啮合中、退出啮合的时间。经过简单计算，图中整个过程持续时间约为0.057 s。由图可知：困油处压力变化范围值随着介质动力黏度的增加而升高。动力黏度为3 Pa·s时，变化范围约为4 MPa，升高速率为70 MPa/s；动力黏度为30 Pa·s时，变化范围约为50 MPa，升高速率为877 MPa/s。可见，压力升高速率与动力黏度增加的关系为指数关系，因此，高黏度泵中困油问题更为突出，是泵设计主要考虑的问题。

图4 困油部分压力随时间变化云图

此外，从图中还可以看出：两齿退出啮合时刻困油压力较进入啮合时刻低，卸荷槽起到了一定的降压作用，因此，合理设计卸荷槽是解决高黏度齿轮泵“困油”问题的有效途径。

3.3 转速对压力场的影响

图5所示为不同转速下泵内压力云图，介质动力黏度为5 Pa·s，其余参数不变。

图5 不同转速下压力云图

由图5可知：转速的增加对压力云图整体影响较小，但对啮合处压力变化影响较大，啮合处压力随着转速的升高而升高。转速的升高使得轮齿啮合时间变短，介质通过卸荷槽泄压的时间变短，泄压流量减小，导致单位时间内被困介质增加，压力升高。因此，高黏度齿轮泵的转速不宜过高。

3.4 出口压力对压力场的影响

高黏度泵出口压力对内部压力场的影响如图6所示，介质动力黏度为5 Pa·s，转速为75 r/min。出口压力的升高对压力场的影响较小，只对出口附近的压力场产生了影响，包括啮合处。啮合处的压力随着出口压力的升高而升高。从提高高黏度齿轮泵的寿命方面考虑，输出压力不宜太高。

图6 不同出口压力下压力云图

3.5 齿数对压力场的影响

除了介质与运行参数对高黏度齿轮泵内压力场会产生影响，泵本身的结构参数同样具有影响作用。图7给出了不同齿数时，泵内压力云图的变化情况。可知：随着齿数的增加，泵内云图整体变化不大，较明显的变化区域是困油处；随着齿数的增加，困油处压力升高明显，齿数由11增加到13后，压力最大值由1.2 MPa增加至4 MPa。从降低困油处压力角度考虑，高黏度齿轮泵设计时齿数尽量少，当然还要综合考虑压力脉动情况。