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《机械科学研究院》 2002年
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聚合物齿轮泵特性理论研究及数值模拟

甘学辉  
【摘要】: 齿轮泵除具有流量和容积效率、扭矩和机械效率、功率和总效率等基本特性外,还存在着困油、噪声和气穴等现象,这些特性和现象直接影响齿轮泵的质量,对斜齿齿轮泵的这些特性和现象的理论研究难度较大,目前大多仍局限于实验测试研究阶段,而聚合物齿轮泵在输送化工流程中的高温、高压的粘流态聚合物时特性的理论研究在国内基本还处于空白。为了改变这种局面,本文对普通斜齿齿轮泵和聚合物齿轮泵的特性均进行了深入的理论研究,并提出了聚合物齿轮泵转子新的齿形,对于齿轮泵技术的理论发展和实际应用均具有重要的意义。本论文的主要工作成果和创新如下: 1.基于聚合物齿轮泵在石油化工生产中的作用和性能要求,本文首次提出聚合物齿轮泵的全封闭齿廓啮合型面的概念。运用齿轮啮合原理,推导出全封闭齿廓啮合型面的齿形方程,完成齿形相应的数值计算程序,并对齿轮转子进行三维实体造型及齿轮装配体运动仿真的研究;用齿轮三维造型来进行装配模拟并分析啮合副装配的干涉和侧隙,在加工前就能对齿轮齿廓形状的正确与否进行判断。 2.首次对普通斜齿齿轮泵流量特性进行了深入的理论研究,在此基础上研究了全齿廓啮合斜齿齿轮泵流量特性,首次得到了完全消除斜齿齿轮泵流量脉动的螺旋角的选择条件。研究结果表明:在主要参数相同的情况下,普通斜齿齿轮泵无侧隙时流量脉动率小于有侧隙时的流量脉动率;全齿廓啮合斜齿轮泵比普通斜齿轮泵的流量脉动略小。 3.首次对普通斜齿齿轮泵的困油特性进行深入的理论研究,分别讨论了有侧隙和无侧隙时普通斜齿齿轮泵转子的端面重合度与困油现象之间的理论关系,以及困油容积随转角的变化关系,得到了完全消除斜齿齿轮泵困油冲击的螺旋角 机械科学研究院博士学位论文 的选择范围。在此基础上,首次对全齿廓啮合斜齿齿轮泵的困油特性进行了详细 的理论研究,得到了完全消除全齿廓啮合斜齿齿轮泵困油冲击的螺旋角的选择范 围。 4.基于粘性流体力学,以功率损失最小为目标,首次对牛顿流体在斜齿齿 轮泵中的漏流特性进行了研究,建立了泄漏模型,分别得到了斜齿齿轮泵的径向 和轴向泄漏的数学计算模型;同时得到了斜齿齿轮泵最佳径向间隙和最佳轴向间 隙,并在此基础上进行了数值计算。研究结果表明:最佳的轴向间隙值略小于径 向间隙,液体粘性引起的摩擦功率随间隙的增大而减小,在最佳间隙值的附近, 摩擦功率受间隙变化影响不大。 5.利用幂律流体本构方程,首次对聚合物流体在斜齿齿轮泵中的漏流特性 进行了研究,建立幂律流体在间隙中的泄漏模型,利用边界条件求出速度分布及 泄漏量;由间隙泄漏量得到漏流损失功率,由速度分布得到流体摩擦功率损失, 并得到间隙最优解的数值计算数学模型,同时给出实例及数值计算结果。研究结 果表明:齿轮泵输送幂律流体所消耗的摩擦功率远远大于输送牛顿流体时消耗的 摩擦功率,齿轮泵输送幂律流体时最佳径向和轴向间隙更大。 6.在对斜齿齿轮泵输送牛顿流体和聚合物流体时漏流特性研究的基础上, 首次对斜齿齿轮泵的输人特性进行了理论研究和数值计算,建立了泵轴的机械摩 擦扭矩、液压扭矩、流体粘性摩擦扭矩和流体碰撞损失扭矩的数学计算模型,并 且对泵的输人功率和效率进行理论研究,分别建立适用于牛顿流体和幂律流体的 输人功率、容积效率和总效率数学计算模型,通过数值计算仿真得到泵的特性曲 线,为齿轮泵的输人特性提供了理论依据。 7.在对聚合物齿轮泵特性理论研究的基础上,研制出全齿廓啮合斜齿齿轮 泵样机,并进行了样机的特性测试试验,与理论推导结果进行对比研究;本文的 研究成果可直接用于计算在工程应用的齿轮泵特性。
【学位授予单位】:机械科学研究院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2002
【分类号】:TH325

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