外啮合齿轮泵卸荷槽结构优化设计

２０１４．Ｎ０．１２　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｅｎａｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　机械与自动化　外啮合齿轮泵卸荷槽结构优化设计　朱玉丽Ｉ　张ｌ华　（１．河南科技大学机电工程学院，河南　洛阳４７１０００；２．平顶山工业职业技术学院机械工程学院，河南　平顶山４６７０００）　摘　要：卸荷槽的设计是外啮合齿轮泵设计中最重要的部分之一，卸荷槽设计是否合理直接关系到齿轮泵的工作性能和使用寿　命。本文以ＣＢＧ型齿轮泵为研究对象，ＣＢＧ系列高压齿轮泵中，开设圆形或矩形卸荷槽不能彻底解决困油噪声及气蚀问题，为此　采用猫眼式卸荷槽结构．并进一步运用健壮性设计方法优化结构参数，验证了设计的合理性。　关键词：卸荷槽：健壮性设计；优化　中图分类号：ＴＨ３２５文献标识码：Ａ１前言　文章编号：１００３—５１６８（２０１４）２３—０１３８—０２　０　在液压传动与控制技术中，齿轮泵占有很大的比重，被广泛　应用于机床、轻工、冶金、工程机械等机械产品的液压系统中ｌｌ１。具　３实验设计及响应面模型建立　为了建立困油压力的数学模型，对困油压力进行正交试置令　设计。由于困油压力是一个状态量，为了降低困油压力，这里以　有结构简单、自吸性好、污染敏感性低、可靠性高、寿命长、维修方　便、价格便宜等优点。卸荷槽的设计是外啮合齿轮泵设计中最重　困油压力最大值为目标值，选择直径ｄ。、直径ｄ　、角度ｄ、长度ａ、　转速ｎ、负载压力Ｐｏｕｔ、介质含气量ｇ作为设计因子，根据各设计　要的部分之一，卸荷槽设计是否合理直接关系到齿轮泵的工作　性能和使用寿命　。在ＣＢＣ系列高压齿轮泵中，开设圆形或矩形　因子取值范围，在范围内选取三水平，进行正交试验设计，结果　如表１所示。　卸荷槽不能彻底解决闲油噪声及气蚀问题，为此本文提出采用　猫眼式卸荷槽结构，并进一步运用健壮性设计方法优化结构参　数，验证设计的合理性。　２建立齿轮泵ＣＦＤ模型　在ＣＢＧ系列高压齿轮泵中，开设圆形或矩形卸荷槽不能彻　底解决困油噪声及气蚀问题，因此，对于该系列齿轮泵。在圆形　表１　困油压力正交试验设计表　ｄＩｈ１１　（ｒａｉｎ）　实验１　实验２　实验３　实验４　实验５　实骑６　ｄ２（ｘ２）　ｄｈ３ｌｆ。１　ａ（ｘ４）ｍｍ）　ｎ（ｘ５）（ｒｐｍ）　Ｐｏｕｔ（ｘ６）　ｇ　７）（％）　Ｐｍａｘ　（Ｍｐａ）　５　８　ｌ０　１０　５　８　（Ｎｌｎ１）　５　７　９　５　７　９　（Ｍｐａ）　１８　２０　２２　１８　２０　２２　ｌＯ　】０　ｌ０　１２　ｌ２　１２　１０００　１６　１８　１６　ｌ８　１４　１Ｏ　２０　３０　３０　１０　２０　５５　２　４８１　７５　３　６０　３　５０　９　３７　７　２０００　３０００　２ｏｏ０　３０００　１ｏｏ０　卸荷槽之外开圆形小孔结构（即猫眼式结构）。将ＣＢＧ齿轮泵浮　动侧板猫眼式卸荷槽结构进行参数化建模后，其结构参数与变　量之间的对应关系如图１所示。　实验７　实验８　ｌ４　５　７　２０　２２　１４　１６　３０００　１０００　２０　３０　１０　５　５５　６　４５　２　实验９　实验ｌ０　实验１１　实验ｌ２　实验１３　１４　ｌ０　１０　１Ｏ　１２　９　５　７　９　５　１８　２２　１８　２０　２０　１　８　１８　２Ｏ００　２ｏ【）ｏ　３０００　１㈣　１０　２０　３０　１０　３０　８　５　８　ｌＯ　８　３３　６　７１　３　７８　４　３３　５　５３　６　１　８　１（３ＯＯ　实验１４　实验Ｉ５　实验１６　１２　ｌ２　１４　７　９　５　２２　１　８　２２　２０００　ｌ６　ｌ６　１０　２０　ｌＯ　ｌ０　５　８　４ｌ　２　５２　３　４７　５　３０００　３０００　实验Ｉ７　Ｊ４　ｌ４　７　９　Ｉ８　２０　ｌ８　ｉ４　ｌ０００　２０００　２０　３０　】０　５　３６　０　５１　ｌ　图ｌ　猫眼式卸荷槽结构与参数变量对应关系　实验１８　ＣＢＧ齿轮泵卸荷槽结构参数，齿轮泵主要结构参数：卸荷　槽大圆直径ｄ。，大圆中心与中心线距离ａ，猫眼孔直径ｄ：，啮合角　４卸荷槽结构响应面函数　选择二阶响应面函数Ｉ　对困油区最高压力值进行拟合，为　屑槽。主要在第一段主切削刃上的后刀面上磨出单边分屑槽．使　原来的宽切屑变窄，有利于排屑，尤其适合于钻削钢料　３．６切削刃尖角处研磨出ｒ＝＝Ｏ．２的小圆角，使其有较好的　修光作用。　大，边缘处的后角可适当大些，除避免与孑Ｌ壁摩擦外，还可提高　切削刃的锋利程度，一般控制在ｃ￣３＝２５。一３０。左右。　３．９主切削刃的前、后刀面用细油石研磨，以细化表面．其　表面粗糙度为Ｒａ０．４１ｘｍ。去除刃口上的毛刺，以减小切削中的粘　结和摩擦　４结语　３．７磨出副后角　＝６。～８。，并保留棱边宽度为０．Ｉ～　０．２ｒａｍ，修磨长度为４－５ｒａｍ，以减少对孔壁的摩擦，提高钻头寿　命。　３．８修磨各段主切削刃的后角。第一段边缘处的后角控制　在　ｉ＝８。－１０。左右，这里主要是起钻孑Ｌ作用，受力大，切削环境恶　历，后角不宜太小，以免降低钻头的强度；第二段边缘处的后角　控制在ｃ￣２＝１６。左右；第三段主切削刃的切削量较小，受力不太　１３８　经修磨后的钻头在钻削直径为‘ｐ３一ｔｐｌ６ｍｍ的内孔时，一般　采用的切削用量为：Ｖｃ＝２一ｌＯｍ／ｍｉｎ，ｆ＝Ｏ．０８—０．２ｍｍ／ｒ。冷却润滑液　为乳化液或植物油。同时手工钻孔或扩ＹＬｕ￣，进给要均匀，最后　钻削碳钢时加工精度可达ＩＴ６～ＩＴ８，表面粗糙度可达Ｒａ１．６～　Ｏ．８ＩＸｍ。最终，孑Ｌ的加工精度和表面质量均较高。　机械与自动化　了求解和校验各二次交叉项系数，ＪＪｔ￣７，．除正交试验设计外的任　意２０组数据对模型系数进行计算，最终获得响应面函数如下式　①所示：　＝１２　９５６ｘｌ！十ｌ　０５ｘ。十２　５１３ｘ，　十Ｏ　２３ｘ４　十５　０ｘｌ０一　５：一０１６７ｘ６　十Ｏ　６９７ｘ７：÷６２，２９５ｘｌ　５．４６６ｘ３赫＋２１　９１５ｘ１０一　Ｘ４Ｘ￥＋０９６２ｘ￣ｘ６－８　５９７ｘ４ｘ　＋４．９１ｘｌＯ－４ｘ￣ｘ６—３０１　８５ｘＩ　１００　６２ｘ２＋１９　６ｘｓ＋２３０．ＯｌＸ４一Ｏ　９４６ｘ￣＋１４　６７ｘ６＋３０８　１５ｘ：一１００　９５　该响应面模型经过修正后其评价标准如下式②所示：　∑（　（ｆ）一　（　Ｒ　＝１－旦　————一　∑（　（ｆ）一　）　②　式中ｙｒｓｍ（ｉ）为设计空间响应面值；ｙ（ｉ）为设计空间仿真　值；为设计空间各仿真值的均值；Ｎ表示设计空间检验点的数　量。　通过选取１０组数据对响应面模型进行校正．获得检验误　差决定系数Ｒ　＝０．９３６，这表明响应面模型与仿真模型基本一致．　可以作为困油区压力关于各设计因子的数学模型。　５健壮性设计及验证　考虑到该健壮性设计中部分设计变量的随机性．同时要求　目标响应波动程度不能过大，若采取确定性的优化，会带来优化　设计变量过多，且结果与实际差距难以控制，因此，目标响应的　优化计算必须定量地估计各种不确定因素对响应产生的影响，　使所得结果在外部条件变化时也能保证较优的性能指标。这里　以不可控因素为随机变量，目标性能服从正态分布为目标。通过　优化可控因素来实现“均值达到目标”和“均方差最小化”．从而　来减少目标函数值，降低目标函数对不确定因素的敏感性　。　该健壮性设计的目标响应为：　Ｆ：车［　ｆ）＋　】　③　目标函数的最大、最小表达式为：　】　④　式中：ｗ，为权重系数；１１．为比例因子；Ｍ．为目标值；ｕ；为均　值；盯　为均方差。　选取转速ｎ、１１，负载压力Ｐ…介质含气量ｇ为噪声因子，直　径ｄ。、直径ｄ　、角度　、长度ａ为优化设计变量。约束条件为１０≤　Ｘｌ≤１５，５≤ｘ２≤１０，１０≤ｘ］≤３０，１４≤ｘ４≤１８，噪声因子Ｘ５在２０００　的［７５％，１２５％］范围内取随机值，Ｘ　在２０的［７５％，１２５％］范围内　取随机值，Ｘ　在７．５的『７５％，１２５％１范围内取随机值。经过３００次　迭代计算，获得基于响应面健壮性设计的结果，如表２所示。　表２基于响应面函数的健壮性设计结果　变量名　健壮性设计前　健壮性设计后　直径ｄ。（ｘ，）（ｍｍ）　１２　１３．５４　直径ｄ　（ｘ：）（ｍｍ）　７　７＿８８　角度ｄ（ｘ，）（。）　２０　２１３　长度ａ（ｘ４）（ｍｉｌ１）　１８　１６．５５　２０１４．ＮＯ．１２　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｅｎａｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　由图２和图３所示，比较健壮性设计前后困油区压力峰值　分布情况，通过健壮性设计困油区压力峰值分布较之前集中．均　值在５５Ｍｐａ左右，均方差为２．５左右。说明噪声因子随机变化时．　齿轮泵困油区压力峰值变化集中在均值附近，此结构具有一定　的抵抗噪声因子干扰的能力。　２５　２Ｏ　鬈１５　罄　１０　仔　骥５　堰　０　Ｓ５　哇５　５５　６５　７５　圈油区压力蟾￣ａｘ（１ｌｐａ）　图２健壮性设计前困油区压力峰值响应分布　２５　２０　１５　熏ｌｏ　墓５姆　　Ｏ　Ｓ５　《５　５５　６５　５　困油区惩力峰值Ｐ　（ｉｐａ）　图３健壮性设计后困油区压力峰值响应分布　５结论　运用健壮性设计方法对卸荷槽结构进行优化设计，提高了　齿轮泵性能，降低了困油压力。通过优化结构参数，一方面降低　了困油压力，另一方面降低了困油压力对不可控因素的敏感性。　参考文献：　［１］殷金祥．低脉动齿轮泵的机理分析与优化设计【Ｄ］．扬州大　学．２００２：１—２．　［２］侯刚．外啮合齿轮泵卸荷槽的设计［Ｊ１．流体传动与控制，　２００４（６）．　［３］历红梅，孙继玲．齿轮泵困油现象的解决方法［Ｊ］．农机使　用与维修，２００３（２）．　［４］孙文英．齿轮油泵困油现象分析【Ｊ】．甘肃科学学报，２００１　（２）：９２－９５．　【５］甘学辉，吴晓铃，侯东海．液压齿轮泵的性能研究ｆＪ１＿机械　设计与制造，２００１（３）：６９—７０．　资助项目：　河南省高等学校青年骨干教师资助计划：河南省高校科技　创新团队支持计划（１３ＩＲＴＳＴＨＮ０２５）。　作者简介：　朱玉丽（１９７９一），女，硕士，讲师，通讯作者，主要从事机械　方面的教学和研究工作。导师：张华，男，河南科技大学，副教授，　研究方向：机械。　１３９