齒輪箱迷宮密封仿真試驗(yàn)優(yōu)化

姜紫薇，陳 慶，時 龍

(吉林化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)

隨著我國高速動車組的不斷發(fā)展，對其安全性和可靠性的要求也不斷提高，傳動齒輪箱為動車組列車驅(qū)動系統(tǒng)中的傳動軸傳遞動力，是其重要零部件之一.動車在高速行駛時傳動軸的轉(zhuǎn)速非常高，這就導(dǎo)致箱內(nèi)的潤滑油油溫升高，氣壓分布不均勻，黏度降低，出現(xiàn)竄油、漏油的現(xiàn)象[1]，會嚴(yán)重影響齒輪箱的密封性能，降低動車的工作效率.為了維持齒輪箱的高速運(yùn)轉(zhuǎn)和工作中的穩(wěn)定壓力，確保其平穩(wěn)運(yùn)行，通常在齒輪箱的軸端采用非接觸式迷宮密封[2-3].

如今，針對高速齒輪箱密封特性的研究有很多，并且提出了有關(guān)迷宮密封泄漏量的計算方法.焦圳等[4]用CFD方法對三角形、矩形、梯形和圓弧形4組不同的齒形結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬與理論計算對比，得出圓弧形齒結(jié)構(gòu)密封性能最好.巴鵬等[5]利用FLUENT分析了密封間隙對迷宮密封性能的影響，在相同尺寸下，齒間間隙寬度越大，泄漏量越大.賈文聰?shù)萚6]利用正交實(shí)驗(yàn)?zāi)M計算得到了一些迷宮密封結(jié)構(gòu)參數(shù)對泄漏量的影響.原建博等[7]對現(xiàn)今高速齒輪箱密封存在的問題進(jìn)行了討論，并指出了未來的發(fā)展方向.尹露等[8]研究了迷宮密封在不同腔室、間隙和齒數(shù)的動力特性，并對比分析了S-CO2和空氣兩種不同工作介質(zhì)對密封穩(wěn)定性的影響.顧乾磊等[9]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析模型計算研究了迷宮密封的進(jìn)口預(yù)旋對整體密封穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明正預(yù)旋會降低系統(tǒng)穩(wěn)定性,但對于較少齒數(shù)的迷宮密封,正預(yù)旋會提高系統(tǒng)穩(wěn)定性.本文首先通過Fluent對迷宮密封進(jìn)行模擬計算，再分析端面各個參數(shù)對密封性能的影響，找出最優(yōu)的密封結(jié)構(gòu).

1 迷宮密封結(jié)構(gòu)及模擬仿真

1.1 建立模型

以高速傳動齒輪箱傳動軸軸端的迷宮密封為研究對象，利用Creo建立三維模型，如圖1～2所示.

圖1 迷宮密封三維模型

圖2 齒輪箱徑向密封結(jié)構(gòu)示意圖

半徑為65 mm,改變不同的齒頂長度，即2.3、2.5、2.7、2.9 mm，不同齒距為0.5、0.6、0.7、0.8 mm.將模型導(dǎo)入到Fluent中，模擬氣體在迷宮密封內(nèi)的流動情況，并探究改變齒距、齒頂長度、入口壓力、轉(zhuǎn)速對迷宮密封性能的影響.

1.2 網(wǎng)格劃分

圖3為迷宮密封的整體網(wǎng)格劃分.使用GAMBIT2.4.2對計算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，首先對整體模型進(jìn)行區(qū)域劃分，生成軸向網(wǎng)格，再用平面對齒輪進(jìn)行徑向切分生成面網(wǎng)格，面網(wǎng)格精度控制在0.1 mm，最后整體生成體網(wǎng)格，共1 105 000個四面體單元.

圖3 整體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

1.3 Fluent前處理

在Fluent設(shè)置中采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，介質(zhì)用理想可壓縮氣體來代替正常工作時的油氣混合物，壓力入口設(shè)定為100 Pa，入口溫度為375 K，操作壓力為環(huán)境背壓，數(shù)值為101 325 Pa，轉(zhuǎn)子壁面為旋轉(zhuǎn)壁面，轉(zhuǎn)速為100 r/min，不考慮壁面與氣體間的傳熱.

1.4 數(shù)學(xué)模型

由于迷宮密封中流體介質(zhì)為理想氣體，氣體流動可認(rèn)為是二維的穩(wěn)態(tài)湍流流動.根據(jù)連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程，其通用微分形式[10]為：

(1)

式中：φ為通用變量；u為速度矢量；Γφ為擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為源相.

迷宮密封仿真時湍流模型選用Standardk-ε模型，湍流能k和湍流能耗散率ε的方程[11]分別為：

(2)

(3)

式中：Gk為平均速度梯度引起的湍動能；Gb為浮力引起的湍動能；YM為可壓縮流的脈動擴(kuò)張；Cε1、Cε2、Cε3為常數(shù)；σk、σε分別為k、ε的Prandtl數(shù)；Sk、Sε為源相.

對于理想氣體，其狀態(tài)方程為

p=ρRT，

(4)

式中：R為氣體常數(shù)；T為絕對溫度.

2 迷宮密封內(nèi)流場及泄漏量分析

2.1 齒距寬度對泄漏量的影響

通過改變的大小齒距，用Fluent模擬計算得到了其壓力分布云圖和速度矢量圖，如圖4～5所示.由圖6可知，隨著齒距的增大，齒輪箱入口處的壓力值不斷減小，速度不斷增大，泄漏量成線性增加.這是由于迷宮密封進(jìn)出口壓差為定值時，齒距越大，產(chǎn)生的透氣現(xiàn)象越嚴(yán)重使得節(jié)流作用減弱，泄漏量增大.

圖4 不同齒距的壓力分布云圖

圖5 不同齒距的速度矢量圖

齒距/mm圖6 泄漏量隨齒距寬度的變化曲線

2.2 齒頂長度對泄漏量的影響

由圖7～9可知，迷宮密封的壓差一定時，泄漏量隨著齒頂長度的增加先減小然后基本保持不變，內(nèi)流場的壓力最大值隨齒頂長度的增大而逐漸增大.

齒頂長度/mm圖7 壓力隨齒頂長度的變化曲線

齒頂長度/mm圖8 速度峰值隨齒頂長度的變化曲線

齒頂長度/mm圖9 泄漏量隨齒頂長度的變化曲線

當(dāng)齒頂長度為2.7 mm時，密封內(nèi)流場的空腔內(nèi)出現(xiàn)了強(qiáng)烈的渦流效應(yīng)，使泄漏量降到最低，得出2.7 mm是迷宮密封最佳齒頂長度；齒頂長度為2.3 mm時，空腔中的渦流現(xiàn)象不劇烈，導(dǎo)致泄漏量較大；當(dāng)齒頂長度大于2.7 mm時，空腔中渦流的能量消耗與透氣現(xiàn)象到了動態(tài)平衡，所以泄漏量變化不大.

2.3 轉(zhuǎn)速對泄漏量的影響

忽略溫升的影響，取齒距和齒頂長度為前文模擬得到的最佳參數(shù)，即0.5 mm和2.7 mm，入口壓力分別為1 000、2 000、3 000、4 000 Pa，轉(zhuǎn)速的取值范圍是1 000、2 000、3 000、4 000 r·min-1.轉(zhuǎn)速與入口壓力變化對泄漏量的影響如圖10所示.

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)圖10 轉(zhuǎn)速和入口壓力對泄漏量的影響

從圖10可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，泄漏量逐漸增大.這是由于當(dāng)轉(zhuǎn)速增大時，軸端的周向速度也隨之變大，內(nèi)流場的氣流受周向速度影響，氣流變成了一條螺旋線，周向速度越大，螺旋線就越長，從而增大了氣流的阻力，使泄漏量減小.當(dāng)齒輪軸轉(zhuǎn)速從1 000 r·min-1增加到4 000 r·min-1時，泄漏量僅減少了0.003，因此轉(zhuǎn)速對泄漏量影響不大.

3 結(jié) 論

(1)隨著齒距的增大，產(chǎn)生的透氣現(xiàn)象越嚴(yán)重使得節(jié)流作用減弱，導(dǎo)致泄漏量成線性增加，所以齒距在0.5 mm時較好.

(2)當(dāng)迷宮密封齒頂長度為2.3 mm時，空腔中的渦流現(xiàn)象不劇烈，導(dǎo)致泄漏量較大；當(dāng)齒頂長度大于2.7 mm時，空腔中渦流的能量消耗與透氣現(xiàn)象到了動態(tài)平衡，使得泄漏量變化不大；當(dāng)齒頂長度為2.7 mm時，迷宮密封的空腔內(nèi)出現(xiàn)了劇烈的渦流效應(yīng)，使泄漏量最低，即最佳齒頂長度為2.7 mm.

(3)當(dāng)轉(zhuǎn)速和入口壓力同時增大時周向速度變大，內(nèi)流場氣流受周向速度影響增大了氣流流線阻力，所以泄漏量減小，但轉(zhuǎn)速從1 000 r·min-1增加到4 000 r·min-1，泄漏量變化不大，因此得出轉(zhuǎn)速對泄漏量幾乎沒有影響.