以新质生产力为视角，对桩工机械用齿轮泵在基础工程领域的应用作了深入分析。通过对齿轮泵性能提升、智能化发展、节能环保等发展方向的全面阐述，为深基础工程领域技术进步的推进提供强有力的学术支持。

　　0引 言

　　随着经济的快速发展和城市化进程的不断推进，深基础工程在建筑、交通、能源等领域的重要性日益凸显。桩工机械作为深基础工程施工的关键设备，其性能和技术水平直接影响着工程的质量和效率。齿轮泵作为桩工机械液压系统的核心部件之一，在新质生产力的背景下，面临着新的机遇和挑战。深入研究桩工机械用齿轮泵的发展趋向，对于提高深基础工程施工的效率和质量，降低成本，实现可持续发展具有重要意义。某大型企业生产的典型桩工机械设备如图1所示。用于大型桩工机械设备的大流量高压齿轮泵如图2所示。

　　图 1 某典型桩工机械设备

　　图 2 大型桩工机械设备用大流量高压齿轮泵

　　1 新质生产力的内涵与特征

　　1.1新质生产力的内涵

　　新质生产力是指在新技术、新产业、新业态、新模式等新经济形态下，以科技创新为核心驱动力，以提高资源利用效率、降低环境污染、提升产品和服务质量为目标，实现经济可持续发展的生产力。

　　1.2新质生产力的特征

　　新质生产力的特征分为创新性、高效性、绿色性、融合性，其结构如图3所示。

　　图 3 新质生产力的特征

　　创新性

　　通过不断引进新技术、新工艺、新材料来促进产业的升级和经济的发展，新质生产力强调了科学技术创新的核心地位。比如在桩工机械领域中，桩工的智能化水平随着数字化技术、人工智能技术和物联网技术的应用而不断提高，大大提高了施工的效率与质量。

　　高效性

　　新质生产力以最大限度地提高经济效益为目的，以提高资源利用效率、降低生产成本为重点，提高生产效率。在桩工机械用齿轮泵的发展中，通过对齿轮泵进行优化设计，提高齿轮泵容积效率和机械效率;采用先进的制造工艺和材料，使桩工机械的工作效率得到提高。

　　绿色性

　　经济发展与环境保护应相协调、相统一，以减少对环境的污染。注重采用环保材料和节能技术，减少泄漏和噪声污染，降低能源消耗，在发展桩工机械用齿轮泵方面做到绿色施工。

　　融合性

　　新质生产力推动不同行业间的一体化发展，不断形成产业生态和经济增长点。桩工机械用齿轮泵的发展需要与实现智能化、高效化、绿色化的液压技术、传感技术、控制技术、通信技术等多个领域进行深度融合。

　　2桩工机械用齿轮泵的技术现状

　　2.1齿轮泵的工作原理与特点

　　齿轮泵是一种依靠齿轮啮合运动来输送液体的容积式泵。它具有结构简单、体积小、重量轻、自吸性能好、工作可靠等优点，但也存在流量和压力脉动较大、噪声较高等缺点，其工作原理如图4所示。

　　图 4 齿轮泵的工作原理

　　2.2桩工机械对齿轮泵的要求

　　高压、大流量

　　桩工机械在工作过程中需要承受较大的负荷和冲击，对齿轮泵的性能要求较高，因此，桩工机械在使用过程中需要承受桩工机械的液压系统，并为桩锤、钻头等工作部件提供足够的压力和流量来进行驱动。据统计，在大型旋挖钻机中，液压系统工作压力可达35～45MPa，流量可达500～600L/min。齿轮泵要满足桩工机械的工作需要，需要有高电压和大流量的输出能力。

　　可靠性高

　　桩工机械的工作环境恶劣，齿轮泵在恶劣的环境下要能长期稳定地工作，需要有良好的可靠性和耐久性。行业调查表明，齿轮泵平均无故障工作时间应不短于5000h。

　　噪声低

　　桩工机械的工作噪声较大，为了降低施工现场的噪声污染，齿轮泵需要具备较低的噪声水平。一般来说，齿轮泵的噪声应控制在80dB以下。

　　2.3目前桩工机械用齿轮泵存在的问题

　　高压、大流量输出具有局限性

　　以某大型桩工机械为例，其所需液压系统流量为600L/min，而目前常用的单个齿轮泵最大流量仅为120L/min(此处120L/min远小于600L/min)。为满足系统要求，不得不采用5台齿轮泵并联工作。每台齿轮泵的成本为1800元左右，多台并联后总成本为5×1800=9000元，相比使用一台高性能大流量齿轮泵(假设高性能大流量齿轮泵成本为5000元)成本大幅增加。同时，多台泵并联工作增加了故障点，系统可靠性降低。假设单个齿轮泵的可靠性为92%(以百分比表示)，则5台并联后的可靠性为92%5≈65.908%。理想情况下，一台能够满足该大型桩工机械液压系统要求的齿轮泵应具备流量为600L/min，且能在 28MPa高压下稳定工作。而目前的齿轮泵在相同压力下，流量仅能达到120L/min，差距为600−120=480L/min。

　　无法实时监测和控制的影响

　　可靠性方面

　　不能实时监测齿轮泵的运行状态，无法及时发现潜在故障。例如，在一项对100台桩工机械的调查中，有20台因齿轮泵故障导致停工，其中因未能及时监测到泵的异常磨损、过热等问题而引发故障的占比达到70%。若能实现实时监测，通过传感器检测泵的温度、压力、振动等参数，可以提前预警故障，减少停工损失。假设每次因故障停工造成的损失为5000元，那么在一定时间内，平均每100台齿轮泵由于智能化程度低导致的损失可达20×70%×5000=70000元。

　　使用寿命方面

　　缺乏实时控制功能，无法根据实际工况调整泵的运行参数，可能导致设备过度磨损或在不利条件下运行。以某深基础工程领域桩工机械用齿轮泵为例，在理想的运行条件下，使用寿命可达8000h。但由于不能实时发现潜在故障和异常振动以及磨损，做出转速调整等控制措施，导致实际使用寿命仅为6800h(明显小于理想时长)。经过对50台使用该型号齿轮泵的桩工机械的统计，平均每台泵因智能化程度低导致的使用寿命缩短了8000−6800=1200h， 增加了设备更换成本。

　　能量损失与泄漏问题突出

　　能量利用率低

　　目前桩工机械用齿轮泵的能量利用率仅为60%左右。以一台功率为100kW的齿轮泵为例，在工作过程中,实际有效输出功率仅约为100×60%=60kW,而损失的功率为100×(1− 60%)=40kW。假设该泵每天工作8h,一年工作300d,则一年浪费的能量为100×(1−60%)×8×300=96000kW.h。以每千瓦时工业电费为0.6元计算, 一年因能量利用率低造成的电费损失为100×(1−60%)×8×300×0.6=57600元。

　　泄漏量占比高

　　泄漏量占总流量的3%～5%。以一台流量为200L/min的齿轮泵为例，泄漏量在200×3%=6L/min到200×5%=10L/min之间。同时，意外泄漏还会造成环境污染，增加处理成本。考虑泄漏对环境的影响以及后续处理费用，损失巨大。

　　3新质生产力视角下桩工机械用齿轮泵的发展趋向

　　3.1性能提升

　　高压化、大流量化

　　齿轮泵在工业领域是必不可少的。泵的耐压能力和流量输出可以通过对齿轮泵结构设计和材料选择的优化而得到明显的改善。 一方面，从结构设计上讲，齿轮的外形、尺寸以及啮合方式等都能得到很好的优化。如：采用新型渐开式的线齿形设计，可使齿轮啮合更顺畅，从而减少由于撞击而产生的压力波动，使齿轮泵耐压能力得到提高。合理设计泵体流道结构，可使流体阻力降低，流量输出也随之增加。 另一方面，从材料选用上来说，采用高强度合金钢制造齿轮和泵体。强度和耐磨性极佳的高强度合金钢，能承受得比较高的压力和磨损，使泵的寿命得到延长。 经过实际的验证，这些优化的措施可以使齿轮泵的性能得到明显的改善，从而为高效的工程齿轮泵运行提供强有力的保证。

　　低噪声化

　　在工业生产中，齿轮泵的噪声问题一直以来都备受关注。可采用如下先进降噪技术有效降低齿轮泵的噪声水平。首先，齿轮参数的合理计算选择是重要的降噪措施。可以通过对模数、齿数以及压力角等参数的精确测算和调整，使啮合更加顺畅，噪声也会因啮合良好而降低。比如适当减小模数，能使线速降低，从而减低噪声;同时对齿轮的传动比进行合理的齿数比选择，可使震动幅度降低。经过大量的试验和实际应用，以上措施一般可降低5～10dB。其次，采用吸声材料也是一种降噪的有效方法。吸声材料安装在齿轮泵的外壳内部或周围，如吸声棉、泡沫塑料、玻璃纤维等，能将噪声能量吸收掉，使噪声传播减少。这些吸声材料具有很好的吸声性能，可以消耗噪声转化为热能或其他形式的能量，可以起到很好的作用。试验表明，齿轮泵的噪声可以在安装吸声材料后降低8～12dB。此外，隔声的罩面是降噪的直接有效措施。隔声罩能完全包裹齿轮泵，阻隔其扩散到周围环境的途径。隔声罩一般采用多层结构，有吸声层、隔声层及防护层等; 吸声式隔声罩，如吸声棉等，能起到一定的吸收作用;隔声式隔声器有隔声筒、隔声板等。齿轮泵的噪声可以通过对隔声式隔声罩的结构、材料进行合理的设计而降低到10～15dB。综上所述，通过优化齿轮参数、采用吸声材料和安装隔声罩等先进的降噪技术，可以显著降低齿轮泵的噪声水平，为生产现场提供更加安静、舒适的环境。齿轮泵的噪声主要来源于齿轮啮合时的冲击和流体流动的噪声。假设原齿轮泵的噪声为N1(dB)，通过优化齿轮参数，使齿轮啮合时的冲击噪声降低了𝑎(dB)，采用吸声材料使流体流动噪声降低了𝑏(dB)，则优化后的噪声为N2=N1−𝑎−𝑏。例如，某桩工机械的齿轮泵噪声为80dB，通过优化齿轮参数使泵体内的液压冲击噪声降低了5dB，采用吸声材料使流体流动噪声降低了8dB，则优化后的噪声为N2=80−5−8=67dB。图5所示为某桩工机械用齿轮优化后的齿轮轴。

图 5 已做齿形优化的桩工机械齿轮泵的齿轮轴

　　高可靠性

　　在众多的工业应用的场合当中，齿轮泵的可靠性十分重要。采用冗余设计是加强齿轮泵的可靠性设计的有效途径之一。通过冗余设计可以大幅度提高齿轮泵的耐冲击性能。在工程设备生产当中，齿轮泵或将面临着诸如压力波动、机械碰撞等各种突发冲击，而这种冲击将会严重损坏齿轮泵内部结构，影响其正常运转。在设备运转过程中，齿轮的振动引发的冲击导致了齿轮泵的损坏。通过采用冗余设计，增加泵的备用部件，可以极大地提高齿轮泵的抗冲击、抗疲劳性能，延长其使用寿命，为桩工机械设备工作的稳定运行提供坚实的保障。假设原齿轮泵的平均无故障工作时间为T1(h)，通过采用冗余设计，增加泵的备用部件，使可靠性提高k倍。则优化后的平均无故障工作时间为T2=T1×k。例如，某型号桩工机械的工程齿轮泵平均无故障工作时间为5000h，采用冗余设计后可靠性提高了1.5倍，则优化后的平均无故障工作时间为T2=5000×1.5=7500h。

　　3.2智能化发展

　　实时监测与故障诊断

　　利用传感器技术对齿轮泵的运行状态进行实时监测，及时发现故障隐患，并通过智能诊断系统进行故障诊断和预警。假设传感器对齿轮泵的各项参数进行监测，每秒采集𝑛个数据点。通过对这些数据进行分析，判断泵的运行状态。例如，压力传感器采集到的压力数据为𝑃(𝑡)，在时间𝑡1到𝑡2内，压力的变化率为Δ𝑃/Δ𝑡=[𝑃(𝑡2)−𝑃(𝑡1)]/(𝑡2−𝑡1)。如果压力变化率超过一定阈值，则判断可能存在故障隐患。 通过智能诊断系统，可以对多个参数进行综合分析，提高故障诊断的准确性。

　　智能控制

　　通过采用先进的控制算法，实现对齿轮泵的流量、压 力等参数的精确控制，提高桩工机械的工作效率和精度。采用比例积分微分(PID)控制算法，对齿轮泵的流量进行控制。假设目标流量为Qtarget，实际流量为Qactual，误差为e=Qtarget一Qactual。PID控制器的输出为u(t)=Kp×e(t)+Ki×∫e(t)dt+Kd×de(t)/dt，其中Kp、Ki、Kd分别为比例系数、积分系数和微分系数。通过调整这些系数，可以实现对流量的精确控制。例如，在某桩工机械施工中，目标流量为600L/min，实际流量为580L/min，误差为e=600一580=20L/min。通过调整PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数，使实际流量逐渐接近目标流量。图6所示是智能油泵试验台，它可以实时监测试验台的性能参数，也能对油泵智能控制的效果进行检测。

图 6 智能油泵试验台

　　3.3节能环保

　　高效节能

　　通过优化齿轮泵的设计和制造工艺，提高泵的容积效率和机械效率，降低能量损失，实现高效节能。齿轮泵的能量利用率可以通过以下公式计算： η=Pout/Pin，其中η为能量利用率，Pout为输出功率，Pin为输入功率。假设原齿轮泵的输入功率为P1，输出功率为P2，能量利用率为η1=P2/P1。通过优化设计和制造工艺， 提高了容积效率和机械效率，使输出功率提高到P3，输入功率降低到P4，则优化后的能量利用率为η2 =P3/P4。例如，原齿轮泵输入功率为100kW，输出功率为 60kW，能量利用率为η1=60/100=0.6。经过优化后，输入功率降低到90kW， 输出功率提高到65kW，则优化后的能量利用率为η2=65/90≈0.72，提高了约20%。

　　环保材料与密封技术

　　采用环保材料和先进的密封技术，减少齿轮泵的泄漏，降低对环境的污染。假设原齿轮泵的泄漏量为L1，采用环保材料和先进的密封技术后，泄漏量降低到L2。泄漏量的降低比例为r=(L1一L2)/L1。例如，原齿轮泵泄漏量为5L/min，采用新的密封技术后泄漏量降低到2L/min，则泄漏量的降低比例为r=(5一2)/5=0.6，即泄漏量降低了60%。图7所示的桩工机械用齿轮泵采用了新的密封结构，对密封圈进行了新的尺寸设计，保证了齿轮泵的密封性能。

图 7 桩工机械用齿轮泵密封圈

　　4促进桩工机械用齿轮泵创新发展的策略与建议

　　4.1加强科技创新

　　在齿轮泵的技术研发上加大投入是必不可少的。对于企业攻克关键技术难题，政府可设立专项资金予以支持，同时，鼓励企业开展与高等院校、科研单位的产学研合作。探索新的创新课题如：故障预警和远程控制，通过传感器技术对运行状态进行实时监控;通过流体力学分析软件优化内部流场，从而减少能量损耗;等等。

　　4.2推动产业升级

　　引导技术改造和产业升级。在技术改造方面，企业要加大力度更新生产设备，引进自动化生产线，提高生产效率和产品质量。同时，对尺寸精度、表面质量等采用精密加工工艺进行改进，对装配工艺进行优化，确保装配的精确性和可靠性。通过参加行业展会、举办产品推介会宣传品牌和产品、强化售后服务，提高客户满意度等。另外，提高产品质量，增强企业核心竞争力，不断提升创新能力，成立相关技术的研发中心，加大知识产权保护力度，确保有效保护创新成果等。

　　4.3完善标准体系

　　先开展需求调研，组织相关专家、企业代表对市场需求、技术发展趋势进行深入调研，确定制定标准的方向和侧重点。然后参考国内外有关标准，在保证先进性、操作性的前提下进行草案起草，内容包括产品技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输、贮存等。标准实施后进行效果评估，并根据新技术、新方法进行修订完善，做到科学合理。标准要对产品设计、制造、检测等进行规范，对结构设计和材料选择、制造工艺及质量控制要求、检验方法及检验规则等设计要求进行明确。

　　4.4加强人才培养

　　高校应加强相关专业的建设，优化课程设置，如设置齿轮泵设计、制造等专业课程内容;加强与企业合作，建立实习基地开展实践教学等。企业和行业协会可以通过举办技术培训班、研讨会等形式组织职业培训。建立和完善人才激励机制，包括为技术骨干和创新人才提供更高的薪酬和福利待遇，吸引、留住优秀人才;建立升迁通道，给予业绩优秀者晋升机会等，提供良好的职业发展空间;设立荣誉奖励，政府和行业协会可设立“齿轮泵技术创新奖” “齿轮泵技术人才奖”等人才奖励制度，以激励更多的人投身到技术创新和人才培养工作中来。

　　5某大型桩工机械企业的齿轮泵应用案例

　　某大型桩工机械企业在其生产的旋挖式钻机上，采用了一款新型的齿轮泵。该齿轮泵采用高强度合金钢制造，具有高压、大流量、低噪声的优点。齿轮泵最大的工作压力达到45MPa，流量达到600L/min，通过优化设计和采用先进的制造工艺满足大型旋挖式钻机的工作需要。齿轮泵同时采用先进的降噪技术，将噪声水平降低到75dB以下， 使施工现场环境质量有了很大的提高。另外，该齿轮泵还装有实时监控泵运行状态的智能监控系统，能够及时发现故障隐患并加以预警、远程诊断，使设备的维护效率和可靠性得到了很好的提高，同时也使齿轮泵的运行状态得到了很好的改善。这个大型桩工机械企业的生产现场如图8所示。

图 8 大型桩工机械企业生产现场

　　6 结 论

　　从新质生产力的角度看，桩工机械用齿轮泵在深基础工程领域的发展趋势，表现出性能提升、发展智能化、节能环保等方向。通过强化科技创新、促进产业升级、完善标准体系、加强人才培养等策略，促进桩工机械用齿轮泵的创新发展，提高其在深基础工程领域的应用水平，为促进我国高质量发展基础设施建设作出贡献，促进桩工机械用齿轮泵在深基础工程领域的进一步拓展。桩工机械用齿轮泵在今后的发展中，将继续向高压化、 大流量化、低噪声化、高可靠性、智能化、节能环保方向 发展。同时，齿轮泵的性能和质量也将随着新技术、新材料、新工艺的不断涌现而不断提升，应用领域也将日益扩大。相信在各方的共同努力下，桩工机械用齿轮泵的发展前景必将更加广阔。