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齿轮泵工作原理

2017-07-21 15:21

核心原理:容积变化与密封

  1. 结构基础:

    • 泵内包含两个紧密啮合的齿轮(通常为直齿、斜齿或人字齿):一个是主动齿轮(由电机或发动机驱动旋转),另一个是从动齿轮(由主动齿轮带动反向旋转)。

    • 齿轮被安装在精密配合的泵壳内。齿轮的外径、齿顶与泵壳内壁之间的间隙非常小,齿轮的端面与泵的端盖(侧板)之间的间隙也非常小。

    • 泵壳上开有两个通道:吸入口(通常较大)和排出口(通常较小)。

    • 两个齿轮将泵腔分隔成两个基本隔离的区域:吸油腔(吸入侧)和压油腔(排出侧)。

  2. 工作过程:

    • 当齿轮旋转到排出口一侧时,轮齿开始重新进入啮合。

    • 重新啮合的轮齿占据齿间空间,使得齿间容积逐渐减小

    • 容积减小的过程挤压封闭在其中的液体。

    • 被挤压的液体压力升高,当压力高于排出管路压力时,液体被强制从排出口排出泵外。

    • 随着齿轮持续旋转,这个过程不断重复,实现液体的连续吸入和排出。

    • 随着齿轮继续旋转,被液体充满的齿间容积被轮齿携带着沿着泵壳内壁从吸油腔向排油腔移动。

    • 此时,轮齿处于完全啮合状态(在中间位置附近),齿间容积被轮齿本身和泵壳/端盖严密封闭,形成一个“封闭包”。液体被封闭在这个空间中,无法流回吸油腔,也无法流向排油腔(此时尚未连通)。

    • 密封性至关重要: 齿轮与泵壳内壁、齿轮端面与端盖之间微小的间隙是实现有效密封和防止内部泄漏的关键。间隙过大会导致泄漏增加,降低泵的效率和排出压力。

    • 当齿轮按图示方向(主动齿轮顺时针,从动齿轮逆时针)旋转时,在吸入口一侧,齿轮的轮齿逐渐脱离啮合。

    • 脱离啮合的轮齿之间的齿间容积(称为“工作腔”)随着齿轮旋转而逐渐增大

    • 这个容积增大在吸油腔区域形成局部真空(压力低于大气压或供油压力)。

    • 在压差作用下,液体被吸入泵内,填充这些增大的齿间容积。

    • 步骤1:吸入过程(容积增大,形成局部真空)

    • 步骤2:输送过程(密闭携带)

    • 步骤3:排出过程(容积减小,挤压排出)

关键特点与注意事项

  1. 流量特性:

    • 理论流量由齿轮的几何尺寸(模数、齿数、齿宽)和转速决定,与排出压力基本无关(忽略泄漏)。

    • 实际流量小于理论流量,其差值主要是由于内部泄漏(通过径向间隙和轴向间隙)造成的。排出压力越高,泄漏量越大,实际流量越小。

    • 流量存在脉动:由于轮齿啮合过程中,齿间容积的填充和排出不是完全连续的瞬间动作,导致瞬时流量有波动。齿数越少(或模数越大),脉动越明显。斜齿轮和人字齿轮的脉动比直齿轮小。

  2. 压力特性:

    • 齿轮泵是定量泵(排量固定)。其产生的排出压力取决于负载(下游阻力)。负载越大,排出压力越高。

    • 排出压力受限于泵的结构强度、轴承承载能力和密封性能。过高的压力会导致泄漏剧增、效率下降,甚至损坏泵或使轴承受过大径向力。

  3. 困油现象:

    • 在齿轮啮合过程中,尤其是在直齿轮泵中,两对轮齿同时啮合会形成一个封闭的容积。随着齿轮旋转,这个封闭容积先减小后增大,导致其中的液体压力急剧升高(压缩)或降低(膨胀),产生噪音、振动和气蚀,并消耗额外功率。通常在泵的端盖上开设有卸荷槽来消除或减轻困油现象的危害。

  4. 径向力:

    • 排出腔的高压液体作用于齿轮外圆,产生不平衡的径向力,作用在齿轮和轴承上。压力越高,径向力越大。这限制了齿轮泵的最高工作压力。常采用缩小排出口尺寸、采用浮动轴套或浮动侧板等措施来平衡部分径向力。

  5. 优点:

    • 结构简单紧凑,制造维护成本相对较低。

    • 工作可靠,自吸性能好(启动前无需灌泵)。

    • 对油液的污染不敏感,抗污染能力强。

    • 转速范围宽。

  6. 缺点:

    • 流量和压力脉动较大(尤其是直齿)。

    • 噪声相对较高。

    • 存在固定的内部泄漏,效率不如柱塞泵高,且效率随压力升高而下降。

    • 工作压力和容积效率通常低于柱塞泵。

    • 输送的液体粘度对性能影响较大,不适合输送低粘度或含有固体颗粒的液体(除非特殊设计)。

内啮合齿轮泵

其原理与外啮合类似,也是一个齿轮(内齿圈)包围着另一个齿轮(小齿轮)。当小齿轮旋转时,它与内齿圈在非同心位置啮合,在两者之间形成月牙形工作腔。容积变化同样发生在吸入口(容积增大吸入)和排出口(容积减小排出)区域。内啮合泵通常具有更小的流量脉动和噪声。