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水压传动技术直接以天然水或自来水作为工作介质,既具有液压技术的共性优点,又具有节省资源、经济环保、动态性能好、系统效率高、应用范围广等突出的特点。水压传动技术适应了环境保护和可持续发展的要求,可大幅提高经济效益,已成为液压工业技术进步与创新的主要领域之一。 液压泵是液压系统的动力源。齿轮泵排量范围适中、结构简单、成本低、工业应用广、在产量上占绝对优势。当前,水液压柱塞泵已经研制并形成产品,而水液压外啮合齿轮泵的研究和产品在国内外未见报道,针对这一全新技术,作者进行了大量理论分析和实验研究。 首先,在查阅大量国内外资料的基础上,分析了国内外水压元件的研究与应用情况,指出了研究水压齿轮泵的重要意义,明确了研究水压外啮合齿轮泵的主要技术难点,在此基础上,提出了解决水压齿轮泵技术难点所需的关键技术,确定了本文的主要研究内容。 在对影响齿轮泵容积效率的泄漏特性进行分析后,采用功率损失最小原则对水压齿轮泵齿顶和端面间隙进行了优化,为水压齿轮泵的结构设计及研制奠定坚实的理论基础,考虑到水压齿轮泵内部流动特性的不确定性,同时还给出了水压外齿轮泵紊流泄漏流量公式,为确定水压齿轮泵内部流态提供支持。 为研制出高性能的水压齿轮泵,本文还对齿轮泵各零部件材料进行了选择,并对关键摩擦副材料进行了研究,在参考国内外文献的基础上,确定了水压齿轮泵关键摩擦副材料的组成成分,采用正交设计法制备了摩擦磨损试件,并在 MPX-200型摩擦磨损试验机上对试件进行了水润滑下摩擦磨损试验,采用极差方差分析法和对磨损表面形貌分析确定了该材料的最佳配比,试验结果表明:该材料在载荷1000 N、转速1100r/min下的摩擦系数为0.08,线磨损率为0.41×10-10mm/N·m;同时还对该材料的物理化学特性及机械性能进行了测试分析。 本文还应用理论与实验相结合的方法证明了水压齿轮泵内部流场流动特性为层流,并应用流固耦合理论对水压齿轮泵进行了二维流场的仿真分析,仿真结果表明水压齿轮泵齿顶泄漏与层流理论计算结果一致,进一步验证了水压齿轮泵内部泄漏为层流,在此基础上,对齿轮泵的液压径向力进行了仿真计算,为结构设计奠定基础。 水压齿轮泵的结构也是影响其性能的主要因素,因此,本文确定了水压齿轮泵的结构形式,对其关键零部件——浮动轴套进行了结构创新设计,并应用预紧力设计原理对密封圈沟槽进行了结构设计,同时为防止径向力不平衡而使轴承寿命降低,以及由于轴承得不到有效的润滑而处于干摩擦状态,进行了径向平衡孔的设计,并确定了径向平衡孔的布置位置及方式。 在结构设计的基础上,对水压齿轮泵样机进行了加工制造,并对样机进行了试验研究,结果表明:水压齿轮泵动力部件——主从动齿轮的材料选择正确,满足水压齿轮泵的要求;研制的浮动轴套侧板材料在出口压力为3MPa左右时,齿轮泵容积效率达到设计要求,对应用在更高压力时,该材料硬度及强度达不到要求,需进一步研究提高其硬度和强度的材料配方及制备方法;需要进一步提高水压齿轮泵加工精度,特别是浮动轴套侧板以及齿轮端面的平面度、表面粗糙度以提高水压齿轮泵的性能。