齒輪泵內泄漏途徑及控制方法研究

馬曉三

(國營蕪湖機械廠，安徽蕪湖 241007)

作為液壓泵的一種常用類型，齒輪泵因其質量輕、體積小、結構簡單緊湊、工作可靠、自吸性能好等諸多優點而得到廣泛應用。齒輪泵內泄漏是指油液通過泵體內部齒輪零件的裝配間隙以及其他途徑從泵高壓腔(即排油腔)向低壓腔(即吸油腔)的泄漏。在工程實踐中，隨著齒輪泵出口壓力的增加，內泄漏加劇，導致齒輪泵容積效率下降，工作性能(出口流量和壓力)不能滿足預期設計要求，從而制約了高壓齒輪泵的發展和應用。

目前，針對齒輪泵內泄漏及其控制措施的研究［1－6］大都針對齒輪傳動部位的內泄漏，而針對泵體部位的內泄漏研究較少。文中以外嚙合齒輪泵為研究對象，結合內部結構特點，對包括齒輪嚙合部位和泵體部位在內的齒輪泵內泄漏的途徑進行了逐類分析，對防止和減少齒輪泵內泄漏的措施進行了總結，并就因安全活門部位異常內泄漏導致的齒輪泵流量或壓力性能不合格的常見故障進行了原因分析，給出了故障排除方法。

1 齒輪泵內泄漏的途徑

圖1 某型外嚙合齒輪泵結構

齒輪泵是一種容積式液壓泵，即依靠齒輪傳動過程中輪齒進入和脫離嚙合，分別在高壓腔和低壓腔形成瞬時容積的減小和增大，從而實現排油和吸油。常見齒輪泵內部結構如圖1 所示，主要由端蓋、齒輪殼體、后蓋組成，一對齒數相同的齒輪裝在齒輪殼體內，用平鍵分別連接在主動軸和從動軸上。齒輪殼體兩端的密封圈和后蓋內的密封皮碗用來防止齒輪泵工作中油液向泵體外部泄漏(又稱外泄漏)。齒輪泵的內泄漏途徑主要有以下幾方面。

1.1 齒輪傳動部位內泄漏

1.1.1 端面間隙泄漏

在圖1 所示的齒輪泵中，齒輪是高速旋轉零件，為避免在工作中齒輪端面與端蓋、后蓋的端面發生刮蹭，在裝配時，需要保證齒輪端面與端蓋、后蓋的端面有0.03～0.10 mm 的間隙，該間隙一般通過齒輪和齒輪殼體零件的厚度差保證。在齒輪泵工作時，該間隙構成了貫通高壓腔和低壓腔的內泄漏通道，從而導致齒輪泵的端面間隙泄漏。端面間隙泄漏由兩部分組成:(1)齒輪齒谷將油液從吸油口帶往排油口過程時，油液從齒谷經端面間隙泄漏到主動軸或從動軸的軸頸，再通過軸承，回到吸油口;(2)排油口內的高壓油液經過齒輪端面間隙泄漏回到吸油口，以發生在主動軸和從動軸之間的齒輪嚙合處的端面間隙泄漏為主。

端面間隙泄漏存在泄漏通道面積大、泄漏途徑短、泄漏方向與齒輪轉動方向一致的特點，端面間隙泄漏是齒輪泵最主要的內泄漏途徑，約占齒輪傳動部位總泄漏量的75%～80%［7］，因此，控制端面間隙泄漏是減少齒輪泵內泄漏的最有效的方法。在工程實踐中，也常用增加或減小齒輪端面間隙的方法，實現齒輪泵出口流量或壓力等性能參數降低或增加。

1.1.2 齒頂間隙泄漏

為保證齒輪泵工作中齒輪能夠靈活轉動，在裝配時，需保證齒輪齒頂圓與齒輪殼體上的齒輪裝配孔(俗稱油井孔)裝配間隙為0.10～0.20 mm。在齒輪泵工作中，該間隙構成了齒輪泵齒頂間隙泄漏通道。

齒頂間隙泄漏存在泄漏途徑長、泄漏方向與齒輪轉動方向相反的特點，齒頂間隙泄漏約占齒輪傳動部位總泄漏量的15%～20%［7］。

1.1.3 嚙合點泄漏

在齒輪泵工作中，有時會由于齒形加工誤差等原因造成齒輪傳動嚙合點接觸不好，導致油液從高壓腔通過嚙合點泄漏到低壓腔。在正常情況下，通過齒輪嚙合點的泄漏是很少的，約占齒輪傳動部位總泄漏量的4%～5%［1］，一般不予考慮。

1.2 泵體部位內泄漏

1.2.1 困油卸荷槽內泄漏

在齒輪泵工作中，為保證齒輪傳動連續平穩，必須保證齒輪傳動的重合度εα＞1，即在上一對輪齒尚未脫離嚙合的情況下，下一對輪齒已進入嚙合狀態。這就導致在齒輪泵工作中，油液被封閉在兩對同時嚙合的輪齒所形成的如圖2 所示的封閉油腔T 內。該封閉油腔T 在隨著齒輪轉動由排油腔向吸油腔移動的過程中，經歷了容積先變小后變大的過程。為避免在此過程中，該封閉油腔內液壓力急劇升高和降低，即消除困油現象，通常需要在端蓋和后蓋端面上齒輪嚙合點兩側分別靠近排油腔和吸油腔處開困油卸荷槽，如圖2 中虛線所示。排油腔卸荷槽用于在封閉油腔T 容積由大變小過程中，將油液向排油腔排出，防止油腔T 內壓力急劇升高;吸油腔卸荷槽用于在封閉油腔T容積由小變大過程中，從吸油腔及時補充油液，防止油腔T 內形成局部真空。

在圖2 中，封閉油腔T 在最小容積時兩對輪齒的嚙合接觸點分別為A 和B。為了完全消除困油現象，需要兩個卸荷槽應分別通過點A 和點B。由于零件制造、裝配誤差原因，將導致兩個卸荷槽通過油腔T 短時接通，從而造成從排油腔到吸油腔的泄漏。另外兩個卸荷槽還在一定程度上縮短了端面間隙泄漏通道，加劇了端面泄漏。

圖2 齒輪泵困油及卸荷槽示意圖

1.2.2 潤滑通道泄漏

齒輪泵工作中，主動軸和從動軸為高速旋轉運動零件，軸承的潤滑是齒輪泵設計過程中必須考慮的問題，尤其是當主動軸和從動軸為滑動軸承支撐時，軸承的潤滑和冷卻問題更為突出。為簡化產品結構，大多數齒輪泵的軸承采用工作介質潤滑，即從泵體的排油腔引入高壓油，然后通過滑動軸承上的螺旋形潤滑油通道，實現對軸承的潤滑后，再引入吸油腔。這也是齒輪泵內泄漏不容忽視的一部分。

1.2.3 安全活門泄漏

為對齒輪泵及液壓系統其他元件進行高壓保護，齒輪泵通常帶有安全活門裝置。工作原理如圖3 所示。安全活門一般采用單向閥結構，反向密封類型有壓膠面密封、金屬面錐面密封、鋼球密封等，活門內部彈簧的裝配預緊力用來保證活門的打開壓力。當齒輪泵出口壓力大于安全活門所調定的打開壓力時，安全活門打開，齒輪泵內泄，從而實現對齒輪泵和其他液壓元件的高壓安全保護。當安全活門正向密封不嚴時，也將導致產品內泄漏加劇。

圖3 齒輪泵安全活門工作原理槽示意圖

2 齒輪泵內泄漏的控制

2.1 端面間隙泄漏的控制

端面間隙泄漏是齒輪泵最主要的內泄漏途徑，多種關于端面間隙泄漏研究的數學模型均表明:端面間隙泄漏流量ΔQs與端面間隙值s 的三次方成正比［1－2，6］，端面間隙值s 每增加0.1 mm，因為端面間隙泄漏將導致容積效率ηV下降20%［2］。因此，減少端面間隙值s 是減少端面間隙泄漏、提高齒輪泵容積效率的最有效方法。然而，如果在齒輪兩端面與端蓋和后蓋均為剛性接觸的情況下，端面間隙值s 太小，將加劇齒輪和前后端蓋之間的磨損和刮蹭，并且有可能導致齒輪轉動卡滯。

目前，為減少端面間隙泄漏而通常采取方法是采用端面間隙自動補償結構，主要有彈性側板式、浮動軸套式和浮動側板式3 種類型。浮動軸套式和浮動側板式端面間隙自動補償結構工作原理都是軸套或側板采用浮動安裝，從齒輪泵排油腔引入壓力油，使軸套或側板緊貼在齒輪端面上，從而實現對端面間隙的自動補償［8］。這兩種類型內部結構比較復雜，并且從排油腔引入壓力油作為自動補償的動力源，還有可能引起新的內泄漏。目前在工程實踐中應用較多的是彈性側板式自動補償機構。圖1 所示的齒輪泵增加彈性側板后結構如圖4 所示，在產品內部增加了彈簧、固定側板和活動側板。在彈簧力的作用下，齒輪兩端面分別與活動側板和固定側板接觸緊貼在一起，既減小了端面間隙，又增加了接觸面的彈性，防止工作中齒輪端面磨損和轉動卡滯。

圖4 外嚙合齒輪泵彈性側板結構

彈性側板和活動側板的外徑與齒輪齒頂圓直徑相同，與齒輪殼體上的齒輪裝配孔(俗稱油井孔)間隙配合。側板的材料可采用減磨性較強的青銅，還可采用在鋼制基體與齒輪摩擦表面燒結磷青銅或噴涂特氟隆耐磨層等。彈性側板可采用一個彈簧壓緊，也可采用若干個沿圓周均布的幾個彈簧壓緊。

在泵體內部結構確定的情況下，通過適當增加齒輪齒數或增大齒輪變位的方法增大齒輪齒根圓直徑，也可以減小端面泄漏。

2.2 困油卸荷槽泄漏的控制

對于有困油卸荷槽的齒輪泵而言，減小內泄漏的方法就是合理設計相關結構尺寸，提高加工精度。如對于圖2 所示的卸荷槽，在完全消除困油現象的前提下減少內泄漏的的方法是提高兩卸荷槽起點的位置精度，使卸荷槽起點分別盡可能與封閉油腔T 最小容積時兩對輪齒的嚙合接觸點A 和B 重合。另外卸荷槽采用圖2 所示的三角形，即起點橫截面積小，向兩端逐步增大，也有利于減少困油卸荷槽內泄漏。

3 齒輪泵安全活門異常內泄漏的原因和故障排除

在齒輪泵生產實踐中，經常會出現性能試驗時個別齒輪泵性能異常的情況，主要表現:在規定的出口壓力下，出口流量達不到規定要求;或在規定的出口流量下，出口壓力達不到要求。這種故障往往不是產品設計缺陷所致，而是由于安全活門異常內泄漏導致性能不合格。

導致以上故障的可能原因主要有以下3 個方面:(1)安全活門調定壓力太小，在產品規定性能的工作狀態下，安全活門提前打開;(2)安全活門在活門殼體內運動不靈活，不能在彈簧力的作用下復位至關閉狀態;(3)安全活門和活門殼體之間的接觸密封面或閥口不密封，導致產品異常內泄漏。

針對以上導致故障的可能原因，當齒輪泵性能不合格時，可采取以下方法進行故障排除:(1)在泵出口壓力為零的狀態下，用液壓靜壓力試驗并重新調定安全活門打開壓力;(2)分解安全活門，檢查安全活門在活門殼體內運動是否靈活，并消除運動卡滯原因;(3)檢查接觸密封面或閥口的完好性，尤其是在安全活門為金屬面錐面密封的情況下，可通過采用安全活門和活門殼體對研的方法，增加安全活門接觸密封面的接觸貼合度。通過以上辦法，可有效減少安全活門異常內泄漏，排除齒輪泵性能不合格故障。

4 結束語

以外嚙合齒輪泵為例，對齒輪泵內泄漏的途徑進行了逐類分析，對防止和減少齒輪泵內泄漏的措施進行了總結，并就內泄漏導致的齒輪泵流量或壓力性能不合格的原因進行了分析，指出了故障排除方法。為控制和減少齒輪泵內泄漏提供了理論依據，同時為柱塞泵、葉片泵等其他種類液壓泵的相關設計和研究提供了參考。

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［5］岳彩霞.消除齒輪泵內泄漏的方法與措施［J］.林業機械與木工設備，2005，33(6):21－22.

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