基于Matlab-GUI的齒輪泵齒輪正向參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件開發(fā)

陳占鋒 王延昌

摘 要：本文依據(jù)某型航空齒輪泵的輸入要求和齒輪泵的設(shè)計(jì)原理，應(yīng)用Matlab軟件的參數(shù)化建模和計(jì)算功能，并用GUI界面做成軟件，最后生成所有滿足要求的齒輪泵的齒輪參數(shù)，極大提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)選型的效率。

關(guān)鍵詞：齒輪泵;參數(shù)化建模和計(jì)算;效率

引言

隨著液壓系統(tǒng)的發(fā)展，齒輪泵已廣泛的應(yīng)用于工程機(jī)械、機(jī)床、航空和航天等領(lǐng)域。齒輪泵結(jié)構(gòu)簡單緊湊，加工容易，自吸性能好，抗污染能力強(qiáng)，但是其流量和壓力脈動(dòng)大，又限制了它的應(yīng)用。航空發(fā)動(dòng)機(jī)用齒式燃油泵，為中高壓齒輪泵，具有轉(zhuǎn)速高，高壓力，結(jié)構(gòu)小等特點(diǎn)，這些都加大了設(shè)計(jì)難度。由于齒數(shù)一般在10～14之間，因而普遍采用變位齒輪。齒輪泵的流量，效率和體積等指標(biāo)和齒輪參數(shù)是一個(gè)綜合影響的關(guān)系，因而建立齒輪泵齒輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件，對(duì)于快速選型顯得尤為重要。Matlab是一款以數(shù)學(xué)計(jì)算為主的專業(yè)數(shù)學(xué)軟件，本文應(yīng)用Matlab-GUI建立齒輪泵的齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件，具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 齒輪泵工作原理

齒輪泵工作原理如圖1所示。齒輪泵的基本工作原理是工作液經(jīng)殼體進(jìn)油口流進(jìn)齒輪泵內(nèi)部齒輪嚙合區(qū)域，齒間在進(jìn)口區(qū)被低壓工作液充滿，齒輪嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)，齒牙將齒間的工作液擠往出口，形成一定的壓力，進(jìn)而給工作液能量，通過殼體出油口流向下級(jí)管路。主動(dòng)齒輪軸由驅(qū)動(dòng)單元帶動(dòng)，通過驅(qū)動(dòng)單元的連續(xù)工作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)為整個(gè)系統(tǒng)提供循環(huán)動(dòng)力的功能。由此可見，齒輪是齒輪泵的功能單元和核心部件，而其余零部件的尺寸參數(shù)，都要依托于齒輪參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因而齒輪參數(shù)直接影響齒輪泵的性能。

2 Matlab 齒輪參數(shù)化軟件設(shè)計(jì)

2.1 齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)流程簡介

根據(jù)齒輪泵的設(shè)計(jì)原理[3]和齒輪變位原理[2]。齒輪泵齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)的過程圖2所示。

以上輸出數(shù)據(jù)為齒輪的基本參數(shù)，用于齒輪設(shè)計(jì)和加工。計(jì)算公式和編程中的變量符號(hào)如表1所示。

2.2.1 定義輸入指標(biāo)和設(shè)計(jì)變量

一般齒輪泵原始輸入指標(biāo)包含：流量，壓力，轉(zhuǎn)速和外形尺寸。某齒輪泵的輸入指標(biāo)為22L/min，轉(zhuǎn)速為4000r/min。齒輪泵的設(shè)計(jì)變量為模數(shù)m、齒數(shù)z、齒頂高系數(shù)ha、頂隙系數(shù)cn、壓力角α。其中對(duì)于中高壓齒輪泵，齒數(shù)一般為10～14;齒頂高系數(shù)一般可在1～1.2之間取值，初始設(shè)計(jì)時(shí)，可優(yōu)選1.15;頂隙系數(shù)為0.25（固定值）;壓力角可選20°;而模數(shù)需在標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)表中進(jìn)行對(duì)應(yīng)選取，如表2所示，主要命令如下。

（3）數(shù)據(jù)輸出

最后應(yīng)用xlswrite命令將計(jì)算結(jié)果寫入excel，其命令如下：xlswrite （filename，shuchujuzhenA，sheet1，B1） ;

2.3 GUI界面的設(shè)計(jì)和計(jì)算軟件的生成

Matlab-GUI是圖形化的軟件操作界面，允許用戶使用鼠標(biāo)鍵盤等設(shè)備操縱屏幕上的圖標(biāo)或菜單，以選擇命令、調(diào)用文件、啟動(dòng)程序或執(zhí)行其他工程任務(wù)。

2.3.1 GUI界面設(shè)計(jì)[1]

齒輪泵齒輪設(shè)計(jì)軟件需要用到以下幾種操作對(duì)象（1）靜態(tài)文件（Static Text），用于設(shè)置各個(gè)參數(shù)名稱的定義，如圖3中左側(cè)一列。（2）可編輯文件（Edit Text），用于輸入設(shè)計(jì)變量和輸入指標(biāo)，如圖3中右側(cè)一列。（3）觸控按鈕（Push botton），用于啟動(dòng)程序計(jì)算和程序的初始化，如圖3中計(jì)算和初始化2個(gè)按鈕。在面板上單擊計(jì)算按鈕，并在彈出的列表中單擊callback 行中的鉛筆按鈕，即可定位到程序的主體部分，此處用于放置上文中編寫的參數(shù)化設(shè)計(jì)代碼。

2.3.2 軟件封裝

封裝軟件可以保證程序不會(huì)被誤動(dòng)，同時(shí)也方便其他計(jì)算機(jī)上使用。在命令行輸入deploytool后彈出封裝軟件的界面，選擇需要封裝的程序文件并進(jìn)行其他必要的相關(guān)設(shè)置，然后點(diǎn)擊package，即可生成相應(yīng)的軟件。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

將某型號(hào)齒輪泵設(shè)計(jì)參數(shù)：流量、轉(zhuǎn)速、齒頂高系數(shù)、壓力角、容積效率輸入軟件，即可快速生成計(jì)算結(jié)果，如表3所示。

4 結(jié)束語

本軟件實(shí)現(xiàn)了齒輪泵齒輪參數(shù)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，可以一鍵完成齒輪泵的齒輪相關(guān)參數(shù)計(jì)算;通過調(diào)整設(shè)計(jì)變量（齒頂高系數(shù)和壓力角）的數(shù)值，即可重新生成一組的齒輪參數(shù)，最后結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和客戶的其他需求（如外形體積），從中優(yōu)選出多組齒輪參數(shù)模型進(jìn)行流體仿真。該軟件大大提高的產(chǎn)品選型效率，同時(shí)建立在優(yōu)選模型的流體仿真，也更利于找到最優(yōu)模型，從而減小設(shè)計(jì)變更次數(shù)，降低研發(fā)費(fèi)用和縮短研發(fā)周期。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅華飛，邵斌.Matlab GUI 設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)手冊(cè)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2020.

[2]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第3卷[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[3]西北工業(yè)大學(xué)，遠(yuǎn)東機(jī)械制造有限公司.發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)齒輪式燃油泵設(shè)計(jì)指南[S].1988.