基于流体力学泄漏模型的螺杆泵泄漏机理分析

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1、2014年10月农业机械学报第45卷第10期doi:10．6041/j．issn．1000-1298．2014．10．051*基于流体力学泄漏模型的螺杆泵泄漏机理分析1222张元勋唐倩李忠华严迪(1．重庆大学航空航天学院，重庆400044;2．重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400044)摘要:针对螺杆泵筒壁间隙、啮合间隙等决定螺杆泵性能的关键间隙设计问题，在研究螺杆各项间隙构成原理的基础上，运用流体力学间隙泄漏理论，建立泵腔间隙泄漏压差流和剪切流模型，分别分析螺杆泵筒壁间隙和啮合间隙的泄漏量，得到螺杆泵不同间隙泄漏的表达式。以主

2、动螺杆2头、从动螺杆3头的双螺杆泵为例，通过理论计算与试验对比分析了螺杆转速、压差对泵泄露的作用机理，揭示了螺杆转速、泵进出口压差对螺杆泵流量特性及容积效率特性的影响规律，从而完善了螺杆泵转子设计理论，提升了螺杆泵输送性能。关键词:螺杆泵泄漏间隙容积效率中图分类号:TH327文献标识码:A文章编号:1000-1298(2014)10-0326-07隙的泄漏量，得到螺杆泵不同间隙泄漏的表达式。引言以主动螺杆2头、从动螺杆3头双螺杆泵为例，分别螺杆泵作为容积式泵系列中的典型产品，具有分析螺杆转速、泵进出口压差对螺杆泵流量特性及结构简单、输

3、送介质粘度范围广、液力脉动小等优容积效率特性的影响，并与试验结果进行对比，验证［1－2］点。多年来，螺杆泵的研究者分别在螺杆齿形模型的正确性。［3－5］［6－8］曲线设计优化、螺杆加工刀具设计及螺杆1螺杆泵间隙构成［9－12］泵密封性能等方面开展了诸多研究。然而，由于螺杆齿面构型的复杂性使得螺杆泵的间隙控制相螺杆泵工作过程中泄漏间隙主要有:①螺杆转比其他类型容积式泵具有更大的不确定性和不均匀子齿顶与泵缸筒壁之间形成的筒壁间隙δ1。②啮［13－14］性，严重影响螺杆泵的容积效率和使用寿命。合区主动螺杆齿顶与从动螺杆齿根或者主动螺杆齿螺杆

4、间隙的波动性直接决定螺杆泵的性能及寿根与从动螺杆齿顶所形成的径向间隙δ2。③啮合命，间隙过大导致泵的内泄漏量增加，容积效率降区螺杆齿面之间沿接触线均匀分布的法向间隙，将低;间隙过小则导致运转部件间的摩擦增加，使用寿其沿圆周投影到轴截面即为法向间隙δ3(图1)。其［15］命降低，因此，螺杆间隙的合理设计备受学者们中，由螺杆啮合线及筒壁所形成的泄漏三角形，由于［16－18］重视。但是，对于间隙的构成及其影响没有形其与法向间隙及筒壁间隙相连，且靠近啮合区，因此成系统的理论;普遍采用样机试验的方法，对不同间将泄漏三角形间隙合并到法向间隙。隙条

5、件下泵的性能进行预测，研发效率低，资源浪费1.1筒壁间隙构成严重。因此，深入研究螺杆泵间隙对泵输送性能的螺杆泵靠相互啮合的螺杆绕各自的轴线旋转产作用机理，获得螺杆泵各项间隙的构成及其对泵性生容积变化将液体从一端吸入，输送到另一端排出。能的影响规律，是螺杆泵性能提高的关键。研究发现，螺杆的筒壁泄漏间隙有效泄漏长度与泵本文在研究螺杆各项间隙构成原理的基础上，缸缸筒长度并不相等。如图2所示，在低压区，由于对螺杆间隙进行分类，针对螺杆泵筒壁间隙、啮合间筒壁间隙内液体与进口液体相连，筒壁间隙内液体隙等决定螺杆泵性能的关键间隙的设计问题，运用压力

6、等于进口压力;同理，在高压区，齿槽内液体与流体力学间隙泄漏理论，分别建立泵腔间隙泄漏压出口压力相等。因此，在螺杆进口端与出口端的某差流和剪切流模型，分析螺杆泵筒壁间隙和啮合间一范围内，筒壁间隙不发生泄漏。收稿日期:2013-09-26修回日期:2013-10-27*国家自然科学基金资助项目(51175522)、教育部创新团队发展计划资助项目(IＲT1196)和重庆市自然科学基金(重点)资助项目(cstc2013jjB70002)作者简介:张元勋，博士生，主要从事螺杆泵和水泵等泵类产品基础理论研究，E-mail:yuanxun．zhan

7、g@yahoo．com通讯作者:唐倩，教授，博士生导师，主要从事机械传动、流体机械及计算机辅助仿真研究，E-mail:tqcqu@cqu．edu．cn第10期张元勋等:基于流体力学泄漏模型的螺杆泵泄漏机理分析327图1螺杆泵泄漏间隙示意图Fig．1Diagrammaticsketchofclearanceofpumpleakage图3螺杆接触线示意图Fig．3Diagramofcontactlineofscrewrotors图2筒壁间隙泄漏长度Fig．2Lengthoftopclearanceoftooth过渡区即为有效泄漏区。随着螺

8、杆的转动，液体将沿着轴向流向泵的排出端，过渡区液体压力从进口端到出口端逐渐增加。螺杆每转一周，过渡区将会重复一次上述运动。由于主动螺杆是双头的，图4泄漏三角形演化示意图因此过渡区长度即为螺杆螺距的2倍，即主动螺杆Fig．