基于Fluent的動(dòng)車齒輪箱密封結(jié)構(gòu)的數(shù)值研究

朱小晶

(太原重工軌道交通設(shè)備有限公司 技術(shù)中心，山西　太原　030032)

0　引言

動(dòng)車組牽引齒輪箱的關(guān)鍵技術(shù)之一是密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，其密封性能將直接影響齒輪箱部件的使用壽命和高速列車運(yùn)行的安全可靠性[1]。在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，大多使用飛濺潤(rùn)滑，由于動(dòng)車組牽引齒輪箱的輸入軸轉(zhuǎn)速非常高，導(dǎo)致潤(rùn)滑油工作溫度迅速上升，齒輪箱箱體內(nèi)部油氣壓力分布不均，因此這種潤(rùn)滑和密封方式容易引起齒輪箱出現(xiàn)滲、漏油現(xiàn)象，從而對(duì)列車牽引齒輪箱的工作性能造成嚴(yán)重影響[2]。為了提高齒輪箱的工作性能和效率，以及列車運(yùn)行可靠性，動(dòng)車組齒輪箱密封通常采用O型圈接觸式密封和非接觸式迷宮密封相結(jié)合的方式[3]。

迷宮密封是油氣在通過密封間隙時(shí)使壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，從而實(shí)現(xiàn)油液的節(jié)流，并且在油氣通過密封空腔時(shí)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能來實(shí)現(xiàn)動(dòng)能耗散，達(dá)到對(duì)流體密封的效果。迷宮密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、可靠性高，被廣泛應(yīng)用于軌道交通牽引齒輪箱密封結(jié)構(gòu)中。本文以某動(dòng)車組牽引齒輪箱軸端的迷宮密封為研究對(duì)象，應(yīng)用Fluent軟件建立該迷宮密封的二維軸對(duì)稱流場(chǎng)數(shù)值模型，研究軸承座空腔深度與甩油環(huán)密封空腔深度不同比例值和轉(zhuǎn)速對(duì)泄漏量的影響。

1　控制方程

本研究以理想氣體為工作介質(zhì)，其狀態(tài)方程為：

p=ρRT.

(1)

其中：p為流體微元體上的壓強(qiáng)；ρ為氣體密度；R為摩爾氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。

采用可壓縮黏性流體納維—斯托克斯(N—S)方程，二維軸對(duì)稱流體流動(dòng)連續(xù)性方程微分形式為：

(2)

其中：t為時(shí)間；x為軸向坐標(biāo)；r為徑向坐標(biāo)；vx為軸向速度；vr為徑向速度。

二維軸對(duì)稱流體流動(dòng)的軸向動(dòng)量方程為：

(3)

其中：Fx為軸向附加力。

二維軸對(duì)稱流體流動(dòng)的徑向動(dòng)量方程為：

(4)

其中：Fr為徑向附加力。

能量方程為：

(5)

2　數(shù)值模型

2.1　幾何模型

圖1為某動(dòng)車組牽引齒輪箱輸入級(jí)電機(jī)端的迷宮密封幾何模型。該齒輪箱輸入級(jí)電機(jī)端設(shè)有四道軸向迷宮密封、三道徑向密封以及軸承座與箱體之間的接觸式密封——O型密封圈，可以起到有效控制油液的滲漏，防止外部水、雜物碎屑浸入等作用。

1-O型密封圈；2，4，8，10-減壓腔；3，9，11，13-軸向迷宮密封；5，6，7-徑向密封；12-甩油環(huán)

2.2　計(jì)算流場(chǎng)模型及邊界條件

根據(jù)迷宮密封的幾何模型，建立如圖2所示的計(jì)算流場(chǎng)模型。設(shè)軸承座密封空腔深度為H1；甩油環(huán)密封空腔深度為H2；軸承座及外透蓋密封面為固定墻體；甩油環(huán)密封面為旋轉(zhuǎn)壁面；同時(shí)設(shè)置固定墻體和旋轉(zhuǎn)壁面之間為無滑移剪切條件[5]。采用二維軸對(duì)稱流體流動(dòng)模型，右端為氣流入口，入口溫度設(shè)為300 K，入口壓力設(shè)為141 675 Pa，方向?yàn)榇怪庇谌肟谶吔纾蛔蠖藶闅饬鞒隹?，壓力值設(shè)為101 325 Pa，即為環(huán)境背壓，方向?yàn)榇怪庇诔隹谶吔纭?/p>

圖2　迷宮密封計(jì)算流場(chǎng)模型

2.3　計(jì)算網(wǎng)格劃分

CFD計(jì)算精度和效率取決于計(jì)算流場(chǎng)劃分網(wǎng)格的質(zhì)量，在相同參數(shù)條件下，隨著劃分網(wǎng)格數(shù)量的增加，對(duì)同一迷宮密封計(jì)算的泄漏量趨于穩(wěn)定[6]，故劃分流場(chǎng)最大網(wǎng)格尺寸為0.05 mm，最終劃分網(wǎng)格數(shù)為224 458個(gè)單元、227 744個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3　計(jì)算結(jié)果分析

3.1　流場(chǎng)分析

設(shè)輸入軸轉(zhuǎn)速為4 100 r/min，軸承座空腔深度H1和甩油環(huán)空腔深度H2的比值為2/3，對(duì)迷宮密封的流場(chǎng)進(jìn)行分析得到的壓力場(chǎng)云圖和速度場(chǎng)云圖如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可知，氣體通過各迷宮密封間隙后，在各個(gè)空腔中逐漸耗散湍動(dòng)能，致使氣壓逐漸減小，最終接近于環(huán)境背壓，進(jìn)而確保了迷宮的密封效果。

圖3壓力場(chǎng)云圖圖4速度場(chǎng)云圖

3.2　H1與H2的比值對(duì)泄漏量的影響

分別取軸承座空腔深度H1與甩油環(huán)空腔深度H2的比值為4/9、2/3、1/1，入口壓力為141 675 Pa，轉(zhuǎn)速為4 100 r/min對(duì)迷宮密封進(jìn)行CFD數(shù)值分析。不同密封空腔深度比例值的速度矢量圖如圖5所示，不同密封空腔深度比例值的泄漏量變化如圖6所示。由圖6可知，隨著H1與H2比例的增大，泄漏量先減小后增大，當(dāng)比例值為2/3時(shí)泄漏量最小，即2/3為最佳密封空腔深度比，此時(shí)密封性能最優(yōu)。這是由于在該比例值下，密封空腔內(nèi)的湍流強(qiáng)度比其他比值下的大，導(dǎo)致湍動(dòng)能耗散很大，當(dāng)軸承座空腔深度與甩油環(huán)密封空腔深度比例再增大時(shí)，湍流強(qiáng)度減小，湍動(dòng)能耗散小，泄漏量即而增大。

3.3　轉(zhuǎn)速對(duì)泄漏量的影響

在H1/H2為2/3時(shí)，不考慮溫度的變化，保持入口壓力為141 675 Pa，取轉(zhuǎn)速范圍為1 000 r/min～6 120 r/min，研究其泄漏量的變化，得到的結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，隨著轉(zhuǎn)速的上升，泄漏量逐漸減小。這是由于轉(zhuǎn)速的上升，增強(qiáng)了氣流的周向運(yùn)動(dòng)，使迷宮密封中氣流形成的螺旋線越來越長(zhǎng)，導(dǎo)致阻力逐漸增大，從而泄漏量減少，提高了密封結(jié)構(gòu)的密封性能。

圖5　不同密封空腔深度比例值的速度矢量圖

圖6　不同密封空腔深度比例值的泄漏量的變化

圖7　不同轉(zhuǎn)速下泄漏量的變化

4　結(jié)論

(1) 氣流通過軸向和徑向迷宮密封間隙后實(shí)現(xiàn)了節(jié)流，在減壓腔內(nèi)流束收縮后逐漸耗散湍動(dòng)能，有效地確保了該迷宮密封結(jié)構(gòu)的密封性能。

(2) 該迷宮密封結(jié)構(gòu)的軸承座空腔深度 與甩油環(huán)空腔深度比例對(duì)密封性能有很大影響，隨著深度比例值的增加，泄漏量先減小后增大，最佳深度比例值為2/3。

(3) 轉(zhuǎn)速對(duì)泄漏量有一定的影響，分析表明隨著轉(zhuǎn)速的上升，泄漏量逐漸減小。

參考文獻(xiàn)：

[1]王琰.高速齒輪箱迷宮密封的數(shù)值研究[D].成都:西南交通大學(xué),2012:1-2.

[2]吳特,米彩盈.高速齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)密封結(jié)構(gòu)的數(shù)值研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2014,36(4):26-31.

[3]李楓,金思勤,吳成攀.高速動(dòng)車組齒輪箱迷宮密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證[J].機(jī)車車輛工藝,2013(2):1-3.

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[6]葉建槐,劉占生.高低齒迷宮密封流場(chǎng)和泄漏特性CFD研究[J].汽輪機(jī)技術(shù),2008,50(2):81-84.