高速動(dòng)車組齒輪箱迷宮密封機(jī)理分析及仿真計(jì)算

于祥

摘要：通過(guò)Fluent數(shù)值仿真方法，分析了高速動(dòng)車組齒輪箱所用迷宮密封各級(jí)密封結(jié)構(gòu)對(duì)密封效果的影響。選取高速動(dòng)車組齒輪箱所用的某一種迷宮密封，建立迷宮密封的二維模型，分析了該密封模型密封性能的優(yōu)劣，研究了局部結(jié)構(gòu)對(duì)整體密封性能的影響情況。

關(guān)鍵詞：迷宮密封；密封結(jié)構(gòu)；仿真計(jì)算

引言

高速動(dòng)車組在中國(guó)已經(jīng)越來(lái)越多的投入運(yùn)營(yíng)，極大地改善了人員的出行舒適性。齒輪箱作為動(dòng)車組的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)部件，其性能優(yōu)劣直接影響到列車運(yùn)行的動(dòng)力性、安全性和可靠性。隨著列車運(yùn)行速度的提高，齒輪箱內(nèi)部流場(chǎng)更加紊亂，壓力波動(dòng)更加復(fù)雜，直接影響箱體內(nèi)潤(rùn)滑油合理均勻的分布，同時(shí)也增加了對(duì)密封系統(tǒng)的密封性能的考驗(yàn)。高速動(dòng)車組的齒輪密封通常采用的是組合式的迷宮密封結(jié)構(gòu)，因此對(duì)其密封機(jī)理的分析就具有很重要的意義。

一、迷宮密封的類型及機(jī)理

1.迷宮密封的類型

迷宮密封形式多種多樣，根據(jù)不同的形式又分為不同的類型。常見的幾種結(jié)構(gòu)類型有：直通式、錯(cuò)齒式和階梯式等。本文研究的是應(yīng)用在高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架齒輪箱傳動(dòng)軸段的迷宮密封。

2.迷宮密封的機(jī)理分析

“迷宮效應(yīng)”是指經(jīng)過(guò)迷宮通道內(nèi)部的流體受到來(lái)自迷宮的阻力而流量有所減低的機(jī)能，其中包括流體力學(xué)效應(yīng)（液體）和熱力學(xué)效應(yīng)（氣體），前者又分為摩擦阻力效應(yīng)和流束收縮效應(yīng)，另外還有透氣效應(yīng)等。

二、仿真分析流程

本文研究的是高速動(dòng)車組齒輪箱軸端組合迷宮密封結(jié)構(gòu)，采取二維模型進(jìn)行仿真分析。仿真分析的分析過(guò)程，依次為建立模型、生成網(wǎng)格、設(shè)定邊界條件、計(jì)算和結(jié)果的后處理。所使用的仿真軟件為Fluent。

三、仿真結(jié)果分析

本文選取了高速動(dòng)車組迷宮密封設(shè)計(jì)過(guò)程中的一種迷宮密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，模型的計(jì)算結(jié)果與分析如圖1所示。

對(duì)于A直通式結(jié)構(gòu)，從壓力云圖中容易看出，并沒(méi)有明顯的壓力降低現(xiàn)象；而在速度云圖中，容易看出，流體直接從間隙橫穿而過(guò)，并沒(méi)有在環(huán)形腔中產(chǎn)生回旋渦流。對(duì)于B錯(cuò)齒式結(jié)構(gòu)，從壓力云圖中容易看出，經(jīng)過(guò)B結(jié)構(gòu)后，壓力顯著降低，且通過(guò)第一個(gè)節(jié)流齒后，壓力由1800Pa降低到1200Pa，經(jīng)過(guò)第二個(gè)節(jié)流齒后壓力從1200Pa降低到800Pa。對(duì)于C結(jié)構(gòu)，從壓力云圖和速度云圖中容易看出，出現(xiàn)明顯的回旋渦流現(xiàn)象，且流體速度在該處出現(xiàn)非常顯著的增大現(xiàn)象。而對(duì)于D結(jié)構(gòu)，則同樣出現(xiàn)了回旋渦流。

從上述的現(xiàn)象中，可以得出如下結(jié)論：

1.A直通式結(jié)構(gòu)并沒(méi)有良好密封效果，但由于仿真是在二維情況下進(jìn)行分析，難以排除在考慮三位周向運(yùn)動(dòng)的情況下，是否會(huì)產(chǎn)生一定的密封效果，但考慮到圓周運(yùn)動(dòng)相對(duì)于軸向和徑向影響較小的角度考慮，該結(jié)構(gòu)更多是儲(chǔ)存經(jīng)過(guò)動(dòng)能耗散后液化的潤(rùn)滑油，或在極端情況下直接泄漏的潤(rùn)滑油。

2.B錯(cuò)齒式迷宮密封結(jié)構(gòu)，具有良好的密封效果，而且在整個(gè)密封結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)作用。且第一個(gè)節(jié)流齒的密封效果最好，隨著節(jié)流齒的增加，每個(gè)節(jié)流齒的密封效果有所下降。與此同時(shí)，可以通過(guò)改善該結(jié)構(gòu)的參數(shù)，如間隙寬度，寬深比和最佳節(jié)流齒等來(lái)更大程度的提高迷宮密封整體的密封性能。

3.C結(jié)構(gòu)處出現(xiàn)了異常明顯的回旋渦流現(xiàn)象，根據(jù)上文所述的密封機(jī)理，在該出會(huì)產(chǎn)生明顯的功能耗散，理論上能夠提升迷宮密封的密封性能，但功能耗散愈明顯，油氣在此處液化也越明顯，而且此處出現(xiàn)速度高峰，且靠近出口，在此種情況下就使?jié)櫥陀辛鞒龅膬A向，使迷宮密封的性能減低。因此，針對(duì)此處迷宮密封結(jié)構(gòu)，可以考慮在此處添加了一個(gè)唇形密封圈，可以改善此處出現(xiàn)的問(wèn)題。

4.D結(jié)構(gòu)處出現(xiàn)明顯的回旋渦流，則說(shuō)明此處結(jié)構(gòu)具有功能耗散作用，可以通過(guò)輪廓曲線的設(shè)計(jì)，使其結(jié)構(gòu)能夠更加有利的形成回旋渦流現(xiàn)象，從而改善整體密封結(jié)構(gòu)的密封性能。

四、結(jié)論

本文主要從理論上對(duì)齒輪箱迷宮密封進(jìn)行了初步研究，建立了齒輪箱迷宮密封模型，進(jìn)行了密封結(jié)構(gòu)仿真分析，分析了各處密封結(jié)構(gòu)的密封性能。通過(guò)對(duì)迷宮密封的機(jī)理分析和仿真計(jì)算，可以給迷宮密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供較大的指導(dǎo)價(jià)值。而且在迷宮密封出現(xiàn)泄漏的情況下，有助于分析和查找密封出現(xiàn)不良情況的結(jié)構(gòu)所在。通過(guò)對(duì)組合迷宮密封的各部分的結(jié)構(gòu)分析，可以對(duì)各種不同密封之間的組合提供借鑒作用，提高組合設(shè)計(jì)迷宮密封的密封效果和設(shè)計(jì)效率。

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（作者單位：中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司）