基于STARCCM+的高速動(dòng)車(chē)組驅(qū)動(dòng)齒輪箱內(nèi)部流場(chǎng)分析

王庭楷 徐宏海

摘要： 為研究齒輪箱初始注油量、齒輪旋轉(zhuǎn)方向等因素對(duì)齒輪箱內(nèi)部潤(rùn)滑油瞬態(tài)分布、壓力瞬態(tài)分布和各軸承進(jìn)/回油孔潤(rùn)滑油質(zhì)量流量的影響，基于齒輪箱內(nèi)部不可壓縮的氣液兩相流，采用STARCCM+軟件的重疊網(wǎng)格技術(shù)對(duì)高速動(dòng)車(chē)組驅(qū)動(dòng)齒輪箱內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真。結(jié)果表明：當(dāng)大齒輪正轉(zhuǎn)時(shí)，受螺旋方向的影響，車(chē)輪側(cè)各軸承進(jìn)油量大于電機(jī)側(cè)軸承進(jìn)油量;當(dāng)大齒輪反轉(zhuǎn)時(shí)，各軸承進(jìn)油量受螺旋方向的影響較小;隨著初始注油量增加，各軸承進(jìn)油孔的質(zhì)量流量也增加;齒輪箱內(nèi)部流場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，內(nèi)部壓力總體上較為平均，僅嚙合區(qū)存在局部高壓區(qū)與負(fù)壓區(qū)。研究結(jié)果對(duì)齒輪箱潤(rùn)滑流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞： 齒輪箱;流場(chǎng);注油量;氣液兩相流;瞬態(tài)分布;質(zhì)量流量

Abstract： To study the influence of initial oil injection and gear rotation direction and other factors on the transient distribution of oil

and pressure and the mass flow of lubricating oil in the filling and return holes of each bearing in the gearbox， based on the incompressible gasliquid twophase flow in the gearbox， the internal flow field of the drive gearbox in highspeed EMU is simulated using the overset grid technology of STARCCM+ software. The results show that： while the big gear rotates in the forward direction， the oil intake of the wheel side bearing is larger than that of the motor side bearing due to the helic direction of the large gear;while the big gear rotates in the reverse direction， the influence of the helic direction on the bearing oil intake is little;the mass flow rate of the bearing filling hole can be increased by increasing the initial oil injection;while the gearbox inside fluid field reaches steady state， the internal pressure is generally average， but there are high pressure areas and negative pressure areas in the local meshing area. The research results can guide the design of the lubrication channel structure of the gearbox.

Key words： gearbox;flow field;oil injection;gasliquid twophase flow;transient distribution;mass flow rate

0 引 言

高速動(dòng)車(chē)組驅(qū)動(dòng)齒輪箱是動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件之一，是影響行車(chē)安全性與穩(wěn)定性的重要部件。在齒輪箱高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸承與齒輪嚙合處產(chǎn)生大量熱量且壓力集中，極易造成高溫和壓力集中部位的點(diǎn)蝕、磨損等故障，影響齒輪箱的使用壽命和行車(chē)安全。[1]良好的油液潤(rùn)滑能夠減少高壓高溫區(qū)域的產(chǎn)生，提高列車(chē)行駛的安全性。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高速齒輪箱內(nèi)部流場(chǎng)的研究主要利用FLUENT軟件、Pumplinx軟件和有限體積法進(jìn)行仿真。于寶義等[2]利用FLUENT分析不同初始油位和轉(zhuǎn)速時(shí)的流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)3倍齒高浸油深度可較好地發(fā)揮潤(rùn)滑油作用，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多熱量，齒輪嚙入?yún)^(qū)形成局部高壓，齒輪嚙出區(qū)形成局部低壓，且轉(zhuǎn)速越高，高壓和低壓的絕對(duì)值越大。劉中令等[3]采用FLUENT的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)和Profile技術(shù)對(duì)齒輪箱內(nèi)部油液潤(rùn)滑進(jìn)行仿真，利用油槽的緩沖或降低轉(zhuǎn)速保證齒輪箱與軸承的潤(rùn)滑，但由于模型復(fù)雜且計(jì)算量大，需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，影響計(jì)算精度。一般采用油液飛濺方式對(duì)動(dòng)車(chē)組齒輪箱進(jìn)行潤(rùn)滑[4]，行駛速度、齒輪正反轉(zhuǎn)、初始注油量等因素均影響潤(rùn)滑效果[5]?；贔LUENT的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)計(jì)算效率較低，多工況時(shí)計(jì)算量大。本文以某高速動(dòng)車(chē)組驅(qū)動(dòng)齒輪箱為研究對(duì)象，采用STARCCM+軟件的重疊網(wǎng)格技術(shù)，分析初始注油量、齒輪正反轉(zhuǎn)等因素對(duì)齒輪箱內(nèi)部油液瞬態(tài)分布、壓力瞬態(tài)分布和各軸承進(jìn)油孔與回油孔質(zhì)量流量的影響。

1 齒輪箱模型和計(jì)算工況

以在線運(yùn)行的350型高速動(dòng)車(chē)組驅(qū)動(dòng)齒輪箱為研究對(duì)象，列車(chē)保持350 km/h標(biāo)準(zhǔn)速度運(yùn)行，分析初始注油量和齒輪正反轉(zhuǎn)對(duì)齒輪箱內(nèi)部流場(chǎng)的影響。

1.1 齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)和齒輪基本參數(shù)

齒輪箱內(nèi)部截面見(jiàn)圖1。該齒輪箱為單級(jí)斜齒輪傳動(dòng)，內(nèi)部流體為氣液兩相流，初始狀態(tài)時(shí)齒輪上方為空氣、下方為潤(rùn)滑油。[6]列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)，從動(dòng)大齒輪高速旋轉(zhuǎn)，使?jié)櫥惋w濺，實(shí)現(xiàn)齒輪箱的潤(rùn)滑和冷卻。

齒輪箱共有5個(gè)軸承，分別為輸出軸車(chē)輪側(cè)圓錐滾子軸承（編號(hào)1）、電機(jī)側(cè)圓錐滾子軸承（編號(hào)2）、高速軸電機(jī)側(cè)圓柱滾子軸承（編號(hào)3）、車(chē)輪側(cè)圓柱滾子軸承（編號(hào)4）和四點(diǎn)接觸球軸承（編號(hào)5）。

齒輪箱有4個(gè)進(jìn)油孔和1個(gè)回油孔，其中軸承1、2、3各有1個(gè)進(jìn)油孔（編號(hào)A、B、C），軸承4、5共用1個(gè)進(jìn)油孔（編號(hào)D）和1個(gè)回油孔（編號(hào)E），見(jiàn)圖2。進(jìn)入軸承1、2、3的潤(rùn)滑油漫過(guò)軸承外圈后，經(jīng)滾動(dòng)體之間空隙回到箱體內(nèi)。齒輪箱齒輪基本參數(shù)見(jiàn)表1，其中傳動(dòng)比為大齒輪齒數(shù)與小齒輪齒數(shù)的比值。

齒輪嚙合處間隙較小，影響網(wǎng)格的生成和計(jì)算，因此一般采用增大間隙法解決該問(wèn)題。在不改變齒輪基本參數(shù)的前提下，為保證仿真的可行性，將大、小齒輪同時(shí)縮小至原尺寸的96%。

1.2 計(jì)算工況

齒輪箱采用大齒輪攪油飛濺的潤(rùn)滑方法，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)不變的情況下，初始注油量和齒輪正反轉(zhuǎn)這2個(gè)因素對(duì)潤(rùn)滑效果影響較大。[7]參考動(dòng)車(chē)組齒輪箱實(shí)際運(yùn)行工況，列車(chē)保持350 km/h速度運(yùn)行，仿真計(jì)算工況見(jiàn)表2。定義圖1中齒輪箱大齒輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正轉(zhuǎn)，大齒輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為反轉(zhuǎn)。

1.3 齒輪箱內(nèi)部流域的網(wǎng)格劃分

通過(guò)包面處理提取內(nèi)部流域，由于齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以增加選擇表面重構(gòu)模型。潤(rùn)滑油黏度較大，因此在2個(gè)齒輪邊界處加密網(wǎng)格并增加選擇棱柱層網(wǎng)格模型。齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)需要進(jìn)行信息交換，對(duì)網(wǎng)格要求較高，為在保證計(jì)算精度的同時(shí)更好地兼顧計(jì)算效率，對(duì)嚙合區(qū)網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理，見(jiàn)圖3。齒輪箱整體網(wǎng)格模型見(jiàn)圖4，網(wǎng)格總數(shù)為1 527萬(wàn)個(gè)。

2 STARCCM+軟件的計(jì)算設(shè)置

2.1 選擇計(jì)算模型

STARCCM+軟件可模擬多種流態(tài)和多種相流，其本質(zhì)是求解常規(guī)不可壓縮和可壓縮流體不同時(shí)刻的質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程。[8]雷諾數(shù)式中：ρ、v和μ分別為流體的密度、流速和動(dòng)力黏度;d為特征長(zhǎng)度。當(dāng)Re≤2 300時(shí)，流體為層流狀態(tài);當(dāng)2 3004 000時(shí)，流體為湍流狀態(tài)。

在物理模型中選擇重力，導(dǎo)入模型后重力方向?yàn)?y方向，在初始條件中設(shè)重力為[0， -9.81， 0] m/s2。

2.2 重疊網(wǎng)格技術(shù)

利用STARCCM+軟件的重疊網(wǎng)格技術(shù)完成齒輪的攪油運(yùn)動(dòng)設(shè)置。與每一步需重新劃分網(wǎng)格的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)相比，重疊網(wǎng)格技術(shù)可以節(jié)省大量時(shí)間，適用于邊界移動(dòng)類(lèi)問(wèn)題。創(chuàng)建大、小齒輪的重疊網(wǎng)格區(qū)域及其與內(nèi)部流域?qū)?yīng)的界面，均設(shè)為重疊網(wǎng)格（零間隙）。

重疊網(wǎng)格區(qū)域需完全包裹對(duì)應(yīng)的齒輪，因?yàn)槠渲回?fù)責(zé)信息傳遞，所以可以略微超出內(nèi)部流域區(qū)域。包裹齒輪的面屬性設(shè)為重疊網(wǎng)格邊界，齒輪仍為壁面邊界，從而模擬齒輪的攪油運(yùn)動(dòng)。

2.3 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和初始注油量設(shè)置

分別以大、小齒輪中心為原點(diǎn)建立2個(gè)子坐標(biāo)系，根據(jù)仿真工況設(shè)定大、小齒輪和重疊網(wǎng)格區(qū)域相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度和旋轉(zhuǎn)方向。利用場(chǎng)函數(shù)設(shè)置初始注油量，創(chuàng)建標(biāo)量場(chǎng)函數(shù)并設(shè)置液位高度。

3 齒輪箱內(nèi)部流場(chǎng)仿真結(jié)果

工況1、3分別為標(biāo)準(zhǔn)注油量時(shí)齒輪正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)仿真工況，

工況2為注油量較少時(shí)齒輪正轉(zhuǎn)仿真工況。

根據(jù)工況1、3仿真結(jié)果分析齒輪正反轉(zhuǎn)對(duì)齒輪箱內(nèi)部流場(chǎng)的影響，根據(jù)工況1、2仿真結(jié)果分析初始注油量對(duì)齒輪箱內(nèi)部流場(chǎng)的影響。

3.1 內(nèi)部流體速度場(chǎng)

以工況1為例，齒輪箱內(nèi)部流體速度場(chǎng)見(jiàn)圖5。2個(gè)齒輪齒圈位置流體的線速度均為64 m/s，分布較為均勻，與實(shí)際齒輪的線速度吻合。流體進(jìn)入嚙合區(qū)時(shí)受到大、小齒輪輪齒的擠壓，局部壓力增大，導(dǎo)致潤(rùn)滑油離開(kāi)齒輪嚙合區(qū)時(shí)速度增大。

3.2 齒輪箱內(nèi)部潤(rùn)滑油瞬態(tài)分布

工況1的齒輪箱內(nèi)部潤(rùn)滑油瞬態(tài)分布見(jiàn)圖6。

大齒輪正轉(zhuǎn)時(shí)將大部分潤(rùn)滑油甩到箱體內(nèi)壁上，通過(guò)擋油筋板使?jié)櫥瓦M(jìn)入各軸承進(jìn)油孔，實(shí)現(xiàn)軸承的潤(rùn)滑;少量潤(rùn)滑油被大齒輪的輪齒帶入嚙合區(qū)，實(shí)現(xiàn)大、小齒輪的潤(rùn)滑。

3.3 軸承進(jìn)油孔和回油孔

為分析穩(wěn)定狀態(tài)的齒輪箱潤(rùn)滑油分布，計(jì)算大齒輪轉(zhuǎn)10圈的流場(chǎng)，STARCCM+用時(shí)7 d，F(xiàn)LUENT用時(shí)50 d。此時(shí)各軸承進(jìn)/回油孔的潤(rùn)滑油質(zhì)量流量基本穩(wěn)定，具體數(shù)值見(jiàn)表3。

回油孔E的質(zhì)量流量小于進(jìn)油孔D的質(zhì)量流量，原因是回油孔E位于靜密封側(cè)，大部分潤(rùn)滑油經(jīng)軸承4滾動(dòng)體間的間隙回到箱體底部。

大齒輪正轉(zhuǎn)時(shí)，進(jìn)油孔C和D的質(zhì)量流量分別高于進(jìn)油孔B和A的質(zhì)量流量，反轉(zhuǎn)時(shí)相反。大齒輪正轉(zhuǎn)時(shí)將較多的潤(rùn)滑油通過(guò)箱體內(nèi)壁帶入軸承3、4、5的集油槽內(nèi);反轉(zhuǎn)時(shí)大齒輪先把潤(rùn)滑油帶進(jìn)嚙合區(qū)，潤(rùn)滑油受齒面阻力作用后下落。

大齒輪正轉(zhuǎn)時(shí)，進(jìn)油孔A和D的質(zhì)量流量分別高于進(jìn)油孔B和C的質(zhì)量流量，原因是大齒輪受螺旋方向的影響，甩向進(jìn)油孔A、D側(cè)箱體內(nèi)壁的潤(rùn)滑油較多;大齒輪反轉(zhuǎn)時(shí)，進(jìn)油孔A與B、D與C的質(zhì)量流量分別相近，原因是大齒輪旋轉(zhuǎn)先將潤(rùn)滑油帶入嚙合區(qū)，削弱齒輪受螺旋方向的影響。

大齒輪正轉(zhuǎn)時(shí)，隨注油量的增加，各進(jìn)油孔的質(zhì)量流量增加，但高速運(yùn)行時(shí)可能導(dǎo)致攪油發(fā)熱增加。

3.4 齒輪箱內(nèi)部壓力瞬態(tài)分布

工況1齒輪箱中間截面的瞬態(tài)壓力分布見(jiàn)圖7。齒輪箱內(nèi)部壓力總體比較平均，但在齒輪嚙合區(qū)產(chǎn)生局部高壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)。大齒輪正轉(zhuǎn)時(shí)：齒輪嚙合點(diǎn)上方流體受阻導(dǎo)致壓力增大，形成高壓區(qū);嚙合點(diǎn)下方流體被甩出時(shí)容積增大導(dǎo)致壓力減小，形成負(fù)壓區(qū)。大齒輪反轉(zhuǎn)時(shí)，齒輪嚙合點(diǎn)上方為負(fù)壓區(qū)、下方為高壓區(qū)。

4 結(jié) 論

（1）利用STARCCM+軟件對(duì)齒輪箱進(jìn)行流場(chǎng)分析，計(jì)算效率高，可實(shí)現(xiàn)齒輪箱內(nèi)部潤(rùn)滑油流動(dòng)情況可視化，監(jiān)測(cè)各進(jìn)、回油孔的潤(rùn)滑油質(zhì)量流量，為定量分析不同工況時(shí)齒輪和軸承參數(shù)對(duì)潤(rùn)滑效果的影響奠定基礎(chǔ)。

（2）齒輪正反轉(zhuǎn)、齒輪螺旋方向、初始注油量等因素對(duì)各軸承進(jìn)油孔的潤(rùn)滑油質(zhì)量流量均有影響，流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮這些因素。

（3）齒輪箱內(nèi)部壓力總體平穩(wěn)，但在嚙合區(qū)存在局部高壓區(qū)與負(fù)壓區(qū)，嚙入?yún)^(qū)為高壓區(qū)，嚙出區(qū)為負(fù)壓區(qū)。

參考文獻(xiàn)：

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李軻. 鐵路客車(chē)熱軸故障的原因分析及改進(jìn)措施[J]. 科技與創(chuàng)新， 2016（7）： 138. DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2016.07.138.