第1章 绪论
1.1 齿轮泵概述
随着“中国制造 2025”战略规划的逐步推进，作为装备制造业重要组成部分的液压元件也正朝着精细化、轻量化、集成化、数字化、智能化的方向大力向前发展。齿轮泵作为重要的液压动力元件，因其具有结构简单、功重比大、自吸性能好、抗污染能力强、工作可靠、成本低廉及维护方便等诸多优势被广泛应用于液压传动与控制领域[1]。
根据齿轮啮合形式的不同，齿轮泵通常被划分为外啮合式和内啮合式[2, 3]，如图 1.1 所示：
长期以来，外啮合齿轮泵在价格、可靠性、寿命及自吸能力等方面均占有优势，因此被液压系统广泛采用。其中 CB 型外啮合齿轮泵的应用最为广泛，该泵为三片式结构[4]，主要由前端盖、泵体、后端盖、一对相互啮合的齿轮转子及前后浮动侧板组成，其具体结构如图 1.2 所示
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1.2 研究背景和意义
齿轮泵虽然有着极为广阔的应用市场，但受制于其自身的结构特点仍然还存在一些突出的问题亟待优化，例如：空蚀破坏严重、齿间困油难以完全消除、径向受力不平衡、输出流量均匀性差、振动噪声较大等，这些问题都制约着齿轮泵的进一步发展。
随着装备制造业对液压技术要求的日益严苛，齿轮泵正朝着流量脉动小、高速高压、低噪声、大流量的方向发展；但齿轮泵在运行过程中空化现象的产生，严重地阻碍了泵性能和其工作品质的提高。因此，深入研究和有效解决齿轮泵在运行过程中的空化问题无疑将会助力齿轮泵的未来发展。关于齿轮泵空化问题的研究热点，主要集中在以下三个方面：一是如何有效防治空化现象的发生或缓解其发生的程度；二是如何减弱泵内空化过程中产生的压力冲击及其破坏程度；三是如何提高齿轮泵的工作性能和工作品质及寿命。
通常，齿轮泵多用于开式液压回路，如传输、增压、燃油喷射及润滑等场合，由于齿轮泵的进口压力较低，空气难免会混入到液压油中被吸入，从而在泵内更容易出现空化现象，对齿轮泵乃至整个液压系统都会产生非常不利的影响[5]。在一些特殊场合，如航空发动机的燃油供给系统，经常采用齿轮泵作为供油泵，要求供油泵体积小、重量轻、供油压力较低（一般在 10MPa 以下），但要实现大流量供油[6-8]。在这种情况下，由于齿轮泵的转排量固定，提高转速无疑成为增大流量的最有效途径，但高转速易使齿轮泵发生吸空，会进一步加剧泵内空化现象的程度。同时，高转速势必会增加齿轮泵自身的发热量，散热不及时将会导致泵内油液温度的升高，使油液粘性减小，进而对齿轮泵的容积效率和空化特性产生不利影响。另外，由于航空发动机的燃油供给系统在高空环境中工作，供油泵的吸油压力将低于普通大气压力，这将会导致供油泵出现欠压吸油的状况，吸油压力的减小也会对齿轮泵的空化特性产生不利影响。
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第2章 空化成因和数值计算基础
2.1 渐开线外啮合直齿轮泵内部流场区域划分
渐开线外啮合直齿轮泵属于容积式泵，它利用相互啮合的齿轮在泵体中的回转，使工作腔的体积周而复始的增大、减小，从而达到吸、排油液的目的[3]。
为了便于分析空化发生时齿轮泵内部气相的动态演变过程，现将泵内流场的各个区域进行划分，具体如图 2.1 所示：
图 2.1 中蓝、绿、黄、红四种颜色代表的区域，在此需要单独说明：蓝色区域为吸油区，表示油液在被吸入泵内的过程中要经过的流域；绿色区域为油液建压区，表示油液从进入到齿间工作腔到排油腔要经过的流域，在此区域内油液的压力从入口压力逐渐增加到出口压力，故称其为油液建压区；黄色区域为排油区，表示油液在被排出泵内的过程中要进过的流域；红色区域为困油区，表示部分油液在形成双齿啮合的过程中被困在该封闭容积内所要经过的流域，此区域内会出现典型的齿轮泵困油现象，相互配合的轮齿在此区域内要逐渐进入啮合，并完成复位，以便进行下一次的工作循环。
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2.2 齿轮泵的工作过程
因为齿轮泵通过齿轮的旋转完成吸排油的工作过程，所以分析一对配合轮齿转过 360°的过程，即可分析出泵完成一次吸排油所经历的过程，进而可知整个泵工作过程。
下面将结合图 2.1 对泵完成一次吸排油工作循环，油液和一对相互配合的轮齿分别经历的过程展开分析。
2.2.1 油液经历的过程
齿轮泵完成一次吸排油的工作循环，被吸入的油液随着齿轮的旋转要经历以下 4 个过程，分别为：
(1) 吸油过程：I（吸入油流/低压）→吸油通道→吸油区→齿间工作腔；
(2) 建压过程：I（吸入油流/低压）→油液建压区→O（排出油流/高压）；
(3) 排油过程：O（排出油流/高压）→排油腔→排油通道→液压系统；
(4) 困油过程：部分油液（高压）→困油区→轴向间隙→泄漏油流。
通过以上 4 个过程，齿轮泵完成一次吸排油液的工作循环。大部分油液经历过程(1) →(2) →(3)后被加压输送到液压系统中，只有很少一部分油液要经历过程(4)，以泄漏的方式重新回到泵内。
特别需要注意的是：在前 3 个过程中，油液也存在着一定体积的泄漏，但在困油过程中油液的泄漏量最大，而困油也会对齿轮泵的空化产生一定的影响，因此本文后续将对其单独进行讨论；在困油过程中，那一小部分油液主要通过轴向间隙泄漏；其他泄漏的途径还有端面间隙泄漏、齿侧间隙泄漏、径向间隙泄漏和轴承间隙泄漏等。
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第 3 章 齿轮泵内部流场及其空化演变规律研究 ............................. 38
3.1 齿轮泵的正常工作条件 ........................................... 38
3.1.1 实际工作条件 .................................. 38
3.1.2 Fluent 数值模拟时的工作条件 ................................ 38
第 4 章 齿轮泵空化特性影响因素分析 ...................................... 55
4.1 吸油压力对齿轮泵空化特性的影响 ........................................ 55
4.1.1 不同吸油压力下齿轮泵内部流场的变化 ................................ 55
4.1.2 不同吸油压力下齿轮泵内部流场空化程度的对比 ................................ 59
第 5 章 齿轮泵内部流场空化产热对液压油的影响 ................................... 88
5.1 齿轮泵内部流场空化产热分析 ......................................... 88
5.1.1 空化气泡的析出 ....................................... 88
5.1.2 气泡的受压产热 ...................................... 89
第6章 空化演变对齿轮泵及其它液压元件的破坏机理
6.1 空化气泡在运动过程中形成的破坏
有研究表明：液压元件的金属内表面会因受到高速射流的冲击力而形成初步的点蚀破坏[139]。由于空化气泡随着油液的流动在液压系统中运动，当空化气泡恰好经过液压元件金属内表面发生点蚀的位置时，会进一步扩大该受损部位的破坏程度和范围，下面将对其进行具体分析。
6.1.1 空化气泡的受力分析
根据气泡动力学理论，气泡的运动与其受力情况有着密切的关系。因此，在研究空化气泡在运动过程中对液压元件金属内表面形成破坏之前，首先需要对空化气泡的受力情况进行分析。
空化气泡在流场中除了受到上述 5 种力的作用之外，还会受到其它力的作用。例如，空化气泡在存在温度梯度的流场中会受到热泳力的作用，空化气泡在声场中会受到声泳力的作用，空化气泡在带电流场中会受到静电力的作用等。由于空化气泡所受的上述几个力和本文研究内容的相关度不大，故在此不作详细阐述。
空化气泡在液压系统内部流场中运动时，其受到的各种作用力并非同等重要，有的甚至相差好几个数量级。对于本文研究的空化气泡，其受到的重力 Fg、浮力Fb、附加质量力 FVM、Basset 力 FB都很小，因此可以将它们进行忽略。
对于本文研究的空化气泡，它随油液的流动所经过的齿轮泵浮动侧板的内表面属于平滑的边壁界面，所以只需要考虑粘性阻力 FD和 saffman 升力 FSL。当空化气泡经过齿轮泵浮动侧板上因点蚀破坏而形成的小坑洞时，还需要考虑压力梯度力 FP的作用。
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第 7 章 总结与展望
7.1 研究总结
为了提高齿轮泵的抗空蚀破坏能力，进而提高其在高速高压状态下的动态性能，本文在分析了国内外当前齿轮泵研究现状的基础上，针对齿轮泵内部流场发生空化时的气相动态演变过程及影响展开研究。采用理论分析、动态数值模拟及实验对比分析相结合的方法，得到了齿轮泵内部流场各区域在发生空化时的特点、三种因素对泵内流场空化特性的影响规律、空化产热对于液压油化学属性的影响、空化演变对齿轮泵及其所在液压系统内其它元件金属内表面的综合破坏机理。本文的主要结论如下：
（1）在齿轮泵的内部流场中，空化的出现与压力和流速的变化密切相关。当泵内流场中的某一区域所受外部压力低于空气分离压时，之前溶入油液的空气便会析出，该区域内的空气体积分数就会随之增大。随着转过角度的变化，泵内流场各区域的体积大小会相应地发生改变，体积的变化会引起该区域所受外部压力的变化，因此，泵内流场的空化程度与各区域的油液体积变化率有很大关系。在齿轮泵内部流场中，吸油区和困油区的空化情况最为明显，油液建压区和排油区的空化现象不明显。当齿轮泵处于双齿啮合状态，两个啮合点 E1、E2关于节点 C对称时，吸油腔的体积变化率取最小值，此时齿轮泵内部流场的空化程度最小；当齿轮泵处于单齿啮合状态，啮合点 E 恰好和节点 C 重合时，吸油腔的体积变化率取最大值，此时齿轮泵内部流场的空化程度最大。
（2）在每一对轮齿进入啮合到退出啮合过程中，齿轮泵内部流场的总气体体积分数都要经历一次波动，齿轮泵内部流场的空化程度随之也会经历一次波动，齿轮泵的出口体积流量也要随之经历一次波动。针对本文研究的齿轮泵，其内部流场中总气体体积分数 FT的最大值为 0.1345，最小值为 0.1182，平均值为 0.1273；该泵的出口体积流量 qc的最大值为 8.8189L/min，最小值为 7.0852L/min，平均值为 8.1247L/min，流量偏差率 ζ 为 1.50%，流量脉动率 γ 为 21.34%。同时，齿轮泵内部流场的空化程度会影响齿轮泵的流量输出品质，当齿轮泵处于双齿啮合状态时，泵出口体积流量的变化规律和泵内流场总气体体积分数的变化规律呈负相关；当齿轮泵处于单齿啮合状态时，泵出口体积流量的变化规律和泵内流场总气体体积分数的变化规律基本呈正相关。
参考文献(略)