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摘要：齿轮泵在实际工况中易受到热力耦合作用，从而产生疲劳破坏，影响泵的工作效率和寿命，因此研究泵体的热变形影响规律，分析热疲劳破坏的原因，对优化泵体结构提高使用性能至关重要。基于此情况，以齿轮泵泵体作为研究对象，借助ANSYS Workbench软件，在热力耦合的情况下，对3种不同散热条件下的泵体进行稳态热、结构力学和疲劳寿命分析。通过对比仿真分析结果可知：泵体在额定工况条件下，采用空气自然对流换热散热效果最差，热变形和热应力最大，寿命最短；采用油冷对流散热效果比空冷好，热变形与热应力较小，寿命比空冷长；而与前两种散热相比，采用水进行自然对流换热散热效果最佳，产生的热变形和热应力最小，寿命最长。这为改善齿轮泵的散热环境和结构优化提供一定的借鉴意义。
关键词：泵体；热力耦合；ANSYS Workbench
0引言
随着科学技术的飞速发展，装备制造业对机械设备的要求也越来越高。为了满足生产的需要，驱动机械设备的液压系统也越来越复杂，要求越来越高[1]。液压系统与其他传动相比，在同等功率的情况下，能传递较大的力或力矩，且具备传动比大、响应快、运转平稳的特点，故在机械行业得到了广泛的应用。液压泵是液压系统中核心元件同时也是动力元件，主要功能是把原动机的机械能转换成输送到系统中去的油液的压力能。在能量传递和转换过程中，液压泵的泄漏问题一直是液压使用中的关键性问题。当液压泵发生泄漏时，不仅会影响整个机械系统的传动与控制精度，影响设备工作，也会使得液压设备自身产生损害。而在众多类型液压泵当中，以外啮合齿轮泵的泄漏最为严重复杂，同时也是国内外研究的焦点。日本千岛工业大学的五百井佐博士设计了一种斜齿轮圆弧齿廓齿轮液压泵，从理论上避免了齿轮液压泵的困油现象，降低了流量脉动幅度[2]。MBattrra M等对斜齿齿轮液压泵的压力和扭矩进行了分析，得出了泵轴线方向上压力的数值是径向压力值的十倍左右的结论。王文运用pumplinx软件对直齿与斜齿两张齿形的液压泵的流场特性进行了仿真分析，结果表明斜齿比直齿的流量脉动低[3-4]。通过上述文献分析可知，多数学者主要从齿轮轮廓设计和流量脉动角度分析研究齿轮的泄漏问题。本文从热力耦合的角度来分析研究齿轮泵工作过程中产生的热变形和应力分别情况，为解决因热变形加剧齿轮泄漏的问题提供新的解决思路和理论依据。
外啮合齿轮泵的基本工作原理是在原动机的驱动下，依靠齿轮的啮合和脱开，在密闭的泵体内连续产生容积的交替变化，从而实现液压泵的吸油和压油。泵体是齿轮泵的基体，它配有齿轮、轴套、泵盖等装置，当液压泵连续长时间工作时，一方面由于在吸油和压油的过程中齿轮会不断地挤压油液，在一定程度上会影响油液温度，另一方面液压油本身黏性较大，在液压系统中能量传递和转换过程中，有一部分液压能将转化成热能，因此在双重因素的影响下会加剧油温的升高，影响泵体的热变形和热应力。再加之液压泵本身的工作压力会对泵体产生较大的负载，泵体在热和力的作用下，将致使泵体热变形和热应力加大，进一步导致齿轮泵泄漏加剧，泵的容积效率降低，最终导致液压泵的寿命严重缩短。
基于上述分析，本文借助ANSYS Workbench软件对外啮合齿轮油泵的泵体进行稳态热、结构力学及疲劳寿命分析，在稳定工况下，得到泵体温度云图、热变形和热应力云图，为油泵结构的改进和优化提供借鉴和参考。
1基本原理与分析思路
1.1热传导
热量传递的基本方式有热传导、热对流及热辐射。当物体内部存在温度差时，热量从高温部分传递到低温部分，或从一个物体传入与之相接触的另一个物体，都统称为热传递。在热传导理论中，概不考虑物质的微粒构造，而把物体当做是连续介质。一般而论，在热传导的过程中，物体内各点的温度随着各点的位置不同和时间的经过而变化，因而温度中是位置坐标和时间：的函数：
在任意时刻，所有各点的温度值总体，称为温度场。如果温度场随时间而变的，如式(1)所示，称为瞬态温度场；如果它的温度不随时间而变，就称为稳态温度场”。在稳态温度场中，温度只是位置坐标的函数，即
热传导遵循傅里叶定律，即：
式中qn为热流密度；k为导热系数。
1.2热对流
热对流是指温度不同的各个部分之间发生相对运动所引起的热传递方式。高温物体表面附近的空气因受热而膨胀，使密度降低而向上流动，同时密度较大大的冷空气会向下流动替代原来的受热空气面引发对流现象。热对流满足牛顿冷却方程即：
式中：h为对流换热系统；T.为固体表面温度；T为周围流体的温度。
1.3热辐射
热辐射是指物体发射电磁能，并被其他物体吸收转变为热能的热量交换过程。
1.4分析思路
液压泵工作时热量传递主要以热传导和热对流为主。本文采用热力耦合的方法对泵体热变形情况进行研究，基本思路是先对泵体进行稳态热分析，然后将分析结果运用到结构力学分析中，再综合分析得到结果。如图1所示是此次分析研究的基本思路图。
2泵体热力分合分析
2.1泵体建模
齿轮油泵主要包括一对几何参数相同的外齿轮、前后泵盖、泵体及密封装置等。各零部件各司其职共同完成齿轮泵的吸油和压油工作。如图2所示。齿轮泵由泵体、前后端盖和密封件共同形成一个封闭的密闭空间，齿轮安装在泵体里，由原动机拖动齿轮转动，泵体分为吸油腔和压油腔。齿轮转动过程中压油腔会不断地挤压油液，故泵体压油腔内表面会承受来自油液的压力，此夕外液压油在液压系统转换能量过程中，由于油液的黏性，一部分的压力能会转化成热能，因此，泵体不仅要承受压力载荷还有温度载荷。载荷增加泵体变形和应力也会增大，变形超过设计要求时，会造成齿轮与泵体内壁产生刚性接触，影响齿轮的工作效率和寿命。因此，本文重点对齿轮油泵泵体的热力情况进行研究。
根据工程实际尺寸，对齿轮泵泵体进行三维建模，将在Solidworks中建好的模型导入到DesignModeler，得到泵体实体结构如图3所示。简化后如图4所示。
2.2不同散热条件下泵壳稳态热分析
根据设计要求泵体材料为球墨铸铁(QT450-10),无接触的连续体，为线性弹性各向同性材料。主要参数有：质量密度为7 150 kg/m3,泊松比为0.3,杨氏模量为9×10 10 Pa,导热系数为120 W/(m·℃)。
分析前先对泵体模型进行简化处理，删除泵体模型上对分析结果影响不大的细小特征；再设置基本参数，按照设计要求设置单位，设定材料属性；然后进行网格划分，使用智能网格自动划分，由于泵体尺寸较大，设置网格单元尺寸大小为3mm,点击网格划分更新[13]。此外，泵体内表面与液压油进行热传递，泵体外表面与周围流动介质进行对流换热，相关的参数大小设置，如表1所示。
最后分析求解得到不同散热条件下泵体的分布云图，如图5所示。由云图可知，采用空气自然对流换热，泵体内表面最高温度65℃,最低温度在泵体外面表63.2℃,内外温度差仅降低了2.3%左右，采用水进行自然对流换热，泵体内最高温度45℃,外表面温度最低11.7℃,内外温度差下降了74%;采用油冷内表面最高50℃,外表面最低温度33.3℃,内外温度差下降了33.4%。说明泵体的外表面与空气自然对流换热效果较差，不能有效地改善泵体的散热状况，而采用水进行自然对流换热散热效果最好。
2.3不同工况下泵体的力学分析
泵体力学分析继承了稳态热分析的材料数据、几何模型、网格数据、求解结果，因此无需对模型进行前处理，只需对泵体设置边界条件和施加载荷即可。泵体是通过4个安装孔固定在前后端盖上，故对4个孔添加固定支撑约束，又由于齿轮泵泵腔分为两个互不相通的吸油腔和压油腔，吸油腔压力略小于大气压力，而压油腔压力为齿轮泵的出口压力，也是齿轮泵的工作压力，因此需要在泵体压油腔内表面施加压力载荷[14-15]。泵体边界条件施加情况如图6所示，边界设置完成后分别导入不同散热条下求解的温度载荷，最后求解得到不同工况下和不同散热条件下泵体的热变形和热应力分布云图，如图7所示。
由云图可知，在热力耦合情况下，齿轮泵体采用空气自然对流的换热方式，泵体顶部和底部附近最大变形可达0.03 mm,而最大等效应力出现在泵体左下孔附近位置，可达到400 MPa左右；采用水进行自然对流换热，最大变形仅有0.012 mm,最大应力可达1**MPa,出现在泵体的出油口位置；采用油进行对流换热，最大变形达到0.017 mm,出现在前后端面上，最大应力为232 MPa,出现在端面内腔边界位置。由此可知，齿轮泵采用水对流的方式进行换热散热效果最明显，产生的热应力也最小，其次是用液压油散热，散热效果最差的是采用空气自然对流。此外，从材料结构安全的角度来分析，泵体材料采用球墨铸铁，许用应力有450 MPa,大于空冷条件下的最大应力400 MPa,故齿轮泵无论采用何种方式散热，对泵体材料的结构无影响[16-17]。
2.4热力耦合情况下的泵体疲劳寿命分析
零构件在恒幅载荷作用下的疲劳寿命，可以直接利用S-N曲线进行估算，具体为将应力水平代入S-N曲线中求出对应的疲劳寿命，该疲劳寿命表示结构在此应力水平下的可循环次数[18-19]。对泵体的疲劳寿命分析可以在设计阶段对齿轮泵结构进行优化，亦可在其服役阶段内对其进行寿命预测，现将热力耦合情况下泵体的求解结果导入Ncode中，将材料与载荷进行映射，QT450-10材料的S-N曲线如图8所示[20]。
经Ncode标准S-N求解器求解后，分析设置中，设定疲劳强度因子0.8,平均应力理论选择goodman,最后求解得到不同散热条件下泵体疲劳寿命分布云图如图9所示。通过对比齿轮泵泵体3种不同散热条件下疲劳寿命云图可知，空气对流条下泵体寿命最短，在应力最大位置处寿命仅有26 745;寿命最长的是采用水对流方式散热，最小寿命可达3.6×105。
3结束语
本文以齿轮泵泵体作为研究对象，借助软件ANSYS Workbench先对泵体进行稳态热分析，得到在不同散热条件下泵体的温度分布云图，然后在此基础上进行了静力学和疲劳寿命分析，得出了齿轮泵泵体的热变形、热应力和疲劳寿命情况。通过仿真分析最后得出，泵体在额定工况条件下，采用空气自然对流的方式进行散热效果最差，产生的热变形和热应力最大，寿命最短，但仅限于低压系统，高压系统热变形较大，泄漏严重，不适合；采用水进行自然对流换热散热效果最好，产生的热变形和热应力最小，寿命最长，但是液压系统需要单独设计一个供水系统，增加了液压系统整体设计的复杂性；而采用油冷进行换热虽散热效果比水冷差，但比空冷好，而且不需要单独设计供油系统，相比水冷更经济，对中高压系统比较适合。
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基于Workbench的液压泵泵体的热力耦合分析论文
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