寬齒圓柱齒輪潤(rùn)滑噴射參數(shù)尋優(yōu)仿真研究

摘要針對(duì)高速寬齒輪噴射潤(rùn)滑的數(shù)值模擬與潤(rùn)滑效果的改善進(jìn)行了研究?；诮?jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的仿真方法，對(duì)高速寬齒圓柱齒輪傳動(dòng)的油氣兩相流模型進(jìn)行了噴油潤(rùn)滑仿真分析。結(jié)果顯示，高速齒輪周圍產(chǎn)生的氣體壓力場(chǎng)會(huì)嚴(yán)重阻礙噴油射流，噴孔端面角度過大、噴射方向不合理，導(dǎo)致難以潤(rùn)滑寬齒輪的整個(gè)齒面;基于單相氣場(chǎng)仿真對(duì)噴嘴的噴油參數(shù)進(jìn)行了尋優(yōu)，兩相流場(chǎng)仿真結(jié)果驗(yàn)證了該優(yōu)化的有效性，即端面角度為0 時(shí)，嚙入側(cè)噴孔沿齒寬對(duì)稱布置、嚙出側(cè)噴孔對(duì)兩個(gè)齒輪的嚙合發(fā)熱齒面差別噴油，更有利于提高嚙合齒面的油氣比例與對(duì)流換熱系數(shù)，從而可實(shí)現(xiàn)嚙合齒面的高效潤(rùn)滑與冷卻。

關(guān)鍵詞嚙入側(cè)噴油嚙出側(cè)噴油氣場(chǎng)仿真兩相流仿真噴油參數(shù)尋優(yōu)

Optimization Simulation Research of Lubrication Injection Parameters for Wide Tooth Cylindrical Gears

Li Xiangyu1 Yang Aihua1 Hu Yumei2 He Shuhua2

（1 AECC Hunan Aviation Powerplant Research Institute，Zhuzhou 412002，China）

（2 State Key Laboratory of Mechanical Transmission，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

Abstract The numerical simulation of injection lubrication of high-speed wide gears and the improve-ment of lubrication effect are studied. Based on experimentally verified simulation methods，the oil injection lu-brication simulation analysis of the oil-gas two-phase flow model of the high-speed wide-tooth cylindrical gear transmission is carried out. The result shows，the gas pressure field around the high-speed gear will seriously hinder the oil jet;excessive end face angle and unreasonable spray direction make it difficult for oil to lubricate the entire tooth surface of a wide gear. The simulation results of single-phase gas field are used to optimize the injection parameters. After that，the simulation results of two-phase flow verified the effectiveness of the optimi-zation，which is，when the end face angle is 0，the nozzles on the meshing-in side are arranged symmetrically along the tooth width，and the nozzles on the meshing-out side are aligned with the meshing heating surfaces of the two gears. When spraying oil，it is more conducive to increase the oil and gas ratio and the convective heat transfer coefficient of the meshing tooth surface，thus，efficient lubrication and cooling of meshing tooth surface can be realized.

Key words Mesh-in-side oil injection Mesh-out-side oil injection Gas field simulation Two- phase flow simulation optimization of oil injection parameters

0引言

對(duì)于高速重載的閉式齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，嚙合區(qū)溫度的急劇升高會(huì)導(dǎo)致油膜破壞;齒面金屬局部熔融并沿著相對(duì)滑動(dòng)方向形成溝紋，高速旋轉(zhuǎn)的齒輪對(duì)潤(rùn)滑油射流產(chǎn)生沖擊與激蕩作用，容易導(dǎo)致嚙合區(qū)處于乏油或無油狀態(tài)，只有高效的潤(rùn)滑與散熱系統(tǒng)才能有效地使重高副嚙合的齒輪免于齒面膠合等傳動(dòng)失效[1-3]。有學(xué)者在彈流潤(rùn)滑狀態(tài)下齒輪的摩擦與熱分析[4-5]等方面取得了豐碩的成果，并在工程設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。

對(duì)于高速航空齒輪噴射潤(rùn)滑系統(tǒng)，許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。王延忠等[6]利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法研究了齒輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)氣體壓力場(chǎng)對(duì)噴油射流的阻礙作用與壓力場(chǎng)強(qiáng)度的影響規(guī)律。Akin L S 等[7-8] 利用實(shí)驗(yàn)方法研究了不同轉(zhuǎn)速和壓力下的單個(gè)齒輪對(duì)潤(rùn)滑油射流的影響，結(jié)果表明，齒輪高速旋轉(zhuǎn)引起的空氣流場(chǎng)會(huì)使得油射流瓦解。Townsend D 等[9 ]將實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合，研究了不同傳動(dòng)比下潤(rùn)滑油射流的沖擊深度。Fondelli T 等[10] 使用 VOF 模型對(duì)潤(rùn)滑油射流到高速齒面的過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)射流阻力矩及潤(rùn)滑性能的影響進(jìn)行了評(píng)估。Wang Y 等[11] 研究了旋流對(duì)噴油潤(rùn)滑射流偏離的影響，并提出了3 種消除潤(rùn)滑油射流偏離的措施。Blessing M 等[12-16] 的研究顯示，噴嘴內(nèi)部幾何形狀會(huì)對(duì)噴嘴的質(zhì)量流量、顆粒尺寸及噴霧宏觀特性等有所影響，從而在一定程度上影響潤(rùn)滑油的冷卻性能。王延忠等[17]還研究了噴油角度、噴油點(diǎn)位置與噴油距離等方位參數(shù)對(duì)油氣率與氣液總壓的影響規(guī)律。

本文中以高速重載、高傳動(dòng)比的單極寬齒圓柱齒輪傳動(dòng)為研究對(duì)象，利用錢雪凌等[18]14-15經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的數(shù)值模擬方法，預(yù)測(cè)了該傳動(dòng)系統(tǒng)在工作狀態(tài)下的潤(rùn)滑狀況;為改善齒輪潤(rùn)滑與冷卻嚴(yán)重不足的狀態(tài)，通過單相氣場(chǎng)的仿真，對(duì)噴孔位置參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，并對(duì)該傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行兩相流場(chǎng)瞬態(tài)數(shù)值模擬，驗(yàn)證了優(yōu)化后噴油參數(shù)的可行性，為航空齒輪傳動(dòng)噴油潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1噴射潤(rùn)滑數(shù)值模擬的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 VOF 多相流模型

VOF 模型通過求解單獨(dú)的動(dòng)量方程和處理穿過區(qū)域的每一流體的體積分?jǐn)?shù)來模擬兩種或多種不能混合的流體，在任意給定控制容積內(nèi)的變量及其屬性純粹地代表了一相或者多相的混合，并由體積分?jǐn)?shù)決定。

1.1.1 體積歸一方程

各相體積分?jǐn)?shù)的約束為

式中，i 為流體相; ai 為體積率;n 為相數(shù)，在此模型中其值為2 ，包括空氣與潤(rùn)滑油兩相。

1.1.2 連續(xù)性方程

式中，ρi 為 i相的密度，ρ= ai ρi ;u 為流體的速度。

1.1.3 動(dòng)量方程

動(dòng)量方程通過材料屬性ρ和μ受到所有相的體積分?jǐn)?shù)的影響，速度場(chǎng)在共享區(qū)域是近似的，有

式中，t 為時(shí)間;p 為壓強(qiáng);μ為流體黏度;g 為重力加速度;F 為其他外部體積力。

1.1.4 湍流模型（RNG k-epsilon 模型）

采用描述漩渦和旋轉(zhuǎn)時(shí)有更好的預(yù)測(cè)精度的 RNG k-epsilon 模型。其湍動(dòng)能 k 與耗散率ε方程分別為

式中， Gk 為由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生; Gb 為受浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生; YM 為可壓速湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的影響;ak 和 aε分別為湍動(dòng)能 k 和耗散率ε的有效湍流普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)。

1.2 動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)

本文中的研究利用 UDF 函數(shù)及動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)完成運(yùn)動(dòng)的定義與實(shí)現(xiàn)。動(dòng)網(wǎng)格模型用以模擬流體域邊界運(yùn)動(dòng)引起流體域形狀隨時(shí)間變化的流動(dòng)狀態(tài)，采用局部網(wǎng)格重構(gòu) （Remeshing）與基于彈性變形 （Smoothing）的網(wǎng)格調(diào)整方法。網(wǎng)格上任意兩節(jié)點(diǎn)之間的連線被理想化成相互聯(lián)結(jié)的彈簧，平衡條件為聯(lián)結(jié)到每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的所有彈簧合力為0 ，迭代方程為

式中，Δxi 為節(jié)點(diǎn) i 的位移; ni 為與節(jié)點(diǎn) i 相鄰的節(jié)點(diǎn)數(shù)量;kij為節(jié)點(diǎn)和相鄰節(jié)點(diǎn)之間的彈性常數(shù)系數(shù)。

求解過程中更新后的節(jié)點(diǎn)位置為

1.3 Coupled 求解算法

當(dāng)流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，瞬時(shí)速度變化大且速度高時(shí)，采用收斂性相對(duì)較好的 Coupled 算法進(jìn)行計(jì)算，Cou-pled 算法顯式計(jì)算的思路是對(duì)整個(gè) Navier-Stokes 方程進(jìn)行聯(lián)立求解，具有穩(wěn)定性好、內(nèi)存占用小的優(yōu)勢(shì)。空間離散中的梯度（Gradient）設(shè)置為 Green- Gauss Node Based ，動(dòng)量（Momentum ）采用精度較高的2 階上風(fēng)格式。

2齒輪箱噴油潤(rùn)滑瞬態(tài)數(shù)值模擬

2.1 噴孔位置參數(shù)定義

噴孔位置參數(shù)的定義如下：

端面角度：噴孔平面的法線與齒輪中心平面之間的夾角，即圖1 中所示的β角。

噴射方向：噴孔平面的法線方向定義為噴射方向。

噴射距離：噴孔中心點(diǎn)與兩齒輪分度圓切點(diǎn)之間的距離定義為噴射距離。

噴射角度：噴孔平面的法線與豎直方向的夾角定義為噴射角度。此處定義噴嘴往小齒輪方向偏移，噴射角度為正值;往大齒輪方向偏移，噴射角度為負(fù)值。如圖1 所示，區(qū)域中的若干點(diǎn)為噴點(diǎn)，紅線則為噴射方向。

為更好地描述齒輪箱在二維平面（x=0）中各點(diǎn)的位置關(guān)系，在此規(guī)定，大小齒輪分度圓切點(diǎn)為原點(diǎn)，則齒輪箱中各點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)及位置關(guān)系如圖2 所示。

以圖2中的兩齒輪圓心的連線為y 軸，過原點(diǎn)垂直于y 軸的為z 軸，兩齒輪分度圓切點(diǎn)坐標(biāo)為原點(diǎn)（0，0），從原點(diǎn)指向小齒輪中心為 y 軸的正方向，則小齒輪圓坐標(biāo)為（40.6 ，0），大齒輪圓心坐標(biāo)為（- 131.6 ，0）。

2.2 噴射潤(rùn)滑的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建了如圖3 所示的齒輪傳動(dòng)噴油潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)臺(tái)[18]13，利用高速攝像機(jī)采集了不同轉(zhuǎn)速、不同噴油方式、不同噴射角度、不同端面角度、不同噴射距離下到噴射過程穩(wěn)定后觀察箱內(nèi)的射流運(yùn)動(dòng)狀況。

如圖4 所示，各噴油狀態(tài)下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的油液運(yùn)動(dòng)軌跡和流態(tài)與數(shù)值模擬的結(jié)果吻合較好，充分驗(yàn)證了該數(shù)值模擬方法的正確性。本文中的研究基于該數(shù)值模擬方法。

2.3 CFD 求解模型

以高速寬齒圓柱齒輪傳動(dòng)為研究對(duì)象，兩嚙合齒輪齒寬均為55 mm ，A 齒輪為主動(dòng)輪，B 齒輪為從動(dòng)輪，傳動(dòng)比為3.24，小齒輪轉(zhuǎn)速為21600 r/min，傳動(dòng)功率為1 212 W 。在嚙入側(cè)位置布置編號(hào)為1 、2的兩個(gè)噴油孔，噴油量分別為18.82 g/s 、18.3 g/s，在嚙出側(cè)位置布置編號(hào)為3 、4兩個(gè)噴油孔，噴油量分別為19.15 g/s 、18.82 g/s 。潤(rùn)滑油參數(shù)設(shè)置如下：密度為949 kg/m3、運(yùn)動(dòng)黏度為7.8 mPa ?s ，潤(rùn)滑油溫度為80℃。齒輪旋轉(zhuǎn)方向與噴嘴分布如圖5 所示。

邊界條件設(shè)置如下：模型入口即噴孔噴油面，模型入口類型設(shè)為質(zhì)量流量入口，將潤(rùn)滑油瀏覽施加在對(duì)應(yīng)噴油孔上，在此過程中，空氣的流量設(shè)置為 0，模型出口設(shè)置為壓力出口。

數(shù)值模擬前，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格離散，采用的是非結(jié)構(gòu)四面體 Tetra CFD 網(wǎng)格，并對(duì)齒輪齒面和噴嘴位置處的網(wǎng)格局部加密，總網(wǎng)格數(shù)為768萬。

利用第2.1 節(jié)中的噴孔位置參數(shù)的定義方法，將模型中噴嘴的參數(shù)整理如表1 所示。

2.3 仿真結(jié)果分析

2.3.1 速度流線與油液流態(tài)

在穩(wěn)定流場(chǎng)中各個(gè)噴孔的速度流線如圖6 所示。其中，紅色點(diǎn)代表噴油點(diǎn)，藍(lán)色曲線表示油液的速度流線。由圖6 中可見，所有噴孔的油液速度流線偏離噴孔的法線，油液沒有能進(jìn)入嚙合區(qū)的趨勢(shì)，而是受到高速氣流的影響向轉(zhuǎn)速較低的大齒輪靠近。

潤(rùn)滑油真實(shí)的流動(dòng)軌跡如圖7 所示。由圖7 中可

見，紅色箭頭所指的潤(rùn)滑油實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡明顯偏離噴孔的法線方向。由于4 個(gè)噴油孔的端面角度過大且靠近大齒輪，油液沿著大齒輪的轉(zhuǎn)速方向分布在大齒輪的一側(cè)，嚙合區(qū)的潤(rùn)滑油較少。

2.3.2 噴射平面壓力場(chǎng)

噴孔噴射平面壓力云圖與油液軌跡線如圖 8所示。由圖8 中可見，在該平面內(nèi)，最低壓力值為 -1.59 MPa ，處于齒輪嚙合區(qū)中間位置;最高壓力值為0.24 MPa ，處于即將進(jìn)入嚙合的位置;其余部分的大致壓力范圍為-0.25～0.195 MPa 。潤(rùn)滑油的實(shí)際軌跡如紫色箭頭所示，明顯偏離紅色箭頭所指的設(shè)計(jì)（理想）軌跡。圖8 中黃色區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)平面的高壓區(qū)，約為0.038～0.077 MPa ，藍(lán)色箭頭代表壓力值的高低走向，更清楚地解釋了潤(rùn)滑油難以進(jìn)入嚙合區(qū)的原因，換言之，即使嚙合區(qū)的壓力值最低，兩側(cè)的潤(rùn)滑油也難以跨過嚙合區(qū)附近的高壓區(qū)順利進(jìn)入嚙合區(qū)。

2.3.3 齒面平均油液比例

齒面的平均油液比例能更清晰地展示潤(rùn)滑效果的優(yōu)劣。圖9 所示為油液比例云圖，黑色箭頭所指輪輻處油液比例很高，但紅色箭頭所指齒面油液比例較低，齒面上油液沿齒寬分布不均，嚙合區(qū)齒面的油液比例較低，再次說明，當(dāng)前噴嘴狀態(tài)下，油液難以進(jìn)入嚙合區(qū)，從而無法實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)嚙合齒面的高效潤(rùn)滑與冷卻。

2.4 靜態(tài)與動(dòng)態(tài)仿真對(duì)比

為探究靜止?fàn)顟B(tài)下的潤(rùn)滑情況，使噴孔的入口邊界條件不變，齒輪靜止時(shí)，對(duì)該模型進(jìn)行仿真，將其結(jié)果與齒輪運(yùn)動(dòng)時(shí)的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

如圖10（ a ）、圖10（b）所示，當(dāng)齒輪靜止時(shí)，嚙入側(cè)潤(rùn)滑油沿著噴射方向進(jìn)入嚙合齒面;而當(dāng)齒輪運(yùn)動(dòng)時(shí)，潤(rùn)滑油流向齒側(cè)，油液向大齒輪的齒側(cè)靠近，無法進(jìn)入嚙合區(qū)。如圖10（ c ）、圖10（d）所示，當(dāng)齒輪靜止時(shí)，嚙出側(cè)潤(rùn)滑油也是沿著噴射方向進(jìn)入嚙合齒面;而當(dāng)齒輪運(yùn)動(dòng)時(shí)，潤(rùn)滑油被吹散開，流向大齒輪的齒側(cè)，也無法進(jìn)入嚙合區(qū)。

以上結(jié)果說明，由于高速氣流的影響，該噴嘴設(shè)計(jì)并不適用于高速重載寬齒輪傳動(dòng)，需對(duì)噴孔位置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，才能滿足對(duì)齒輪進(jìn)行高效潤(rùn)滑與冷卻的目的。

結(jié)合上述噴嘴位置參數(shù)與仿真結(jié)果，分析原因如下：

（1 ）端面角度過大，不利于寬齒輪潤(rùn)滑。

（2 ）噴射距離過大，潤(rùn)滑油軌跡極易受到高速齒輪產(chǎn)生的氣流的影響。

（3 ）噴射角度不合理，潤(rùn)滑油難以從嚙入側(cè)進(jìn)入嚙合區(qū)，難以從嚙出側(cè)到達(dá)發(fā)熱齒面。

3噴孔位置參數(shù)尋優(yōu)研究

3.1 單相氣場(chǎng)數(shù)值模擬

單相氣場(chǎng)分析的目的是獲取在沒有噴油的情況下，仿真齒輪在服役工況下旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒輪副周圍的氣流分布情況，為潤(rùn)滑油噴孔的位置優(yōu)化尋找依據(jù)。

3.1.1 速度矢量場(chǎng)

為觀察箱體內(nèi)齒輪副周圍的氣流，提取齒輪中間截面上的速度矢量圖，如圖11所示。嚙合區(qū)氣體的速度較高，嚙出側(cè)位置速度矢量較密集，說明此處氣流較大;嚙入側(cè)即將進(jìn)入嚙合的位置速度矢量稀疏，是由于齒輪轉(zhuǎn)速高，嚙入側(cè)壓力較高，與流場(chǎng)瞬態(tài)仿真結(jié)果吻合。

3.1.2 壓力場(chǎng)

在齒輪的中間獲取截面，其壓力云圖如圖12所示?？梢钥闯?，嚙入側(cè)的壓力最高，嚙出側(cè)壓力整體比較低;在嚙入側(cè)靠近小齒輪附近，壓力值較低，越靠近大齒輪，壓力越高，嚙出側(cè)也遵循此規(guī)律。

3.1.3 氣流速度分布

齒輪中間截面上的速度分布云圖如圖13所示。可以看出，箱體中氣流速度最高的地方在嚙合區(qū)的位置，且嚙合區(qū)氣流速度有明顯的分層。因此，在一定噴射距離的情況下，應(yīng)將噴嘴布置在氣流速度較小的位置。

3.2 嚙入側(cè)噴孔位置參數(shù)尋優(yōu)

3.2.1 噴孔布置平面

若某點(diǎn)在氣場(chǎng)中速度流線能進(jìn)入嚙合區(qū)，加上一定的噴油壓力后，該點(diǎn)噴出的潤(rùn)滑油也一定能順利進(jìn)入嚙合區(qū)。

在嚙入側(cè)不同的位置取多個(gè)點(diǎn)，如圖14（ a ）所示?？梢钥闯?，距離嚙合區(qū)越近，越靠近齒寬中間部位的噴油點(diǎn)的速度流線越能順利進(jìn)入嚙合區(qū);越靠近齒輪兩端面，距離嚙合區(qū)越遠(yuǎn)的噴點(diǎn)的速度流線越容易受到高速氣流的影響而不能進(jìn)入嚙合區(qū)。因此，將嚙入側(cè)兩個(gè)噴油點(diǎn)布置在齒寬中間部位比較合理。進(jìn)一步選定兩噴點(diǎn)所在的平面，即圖14（b）中的截面1 與截面2。

3.2.2 噴孔位置參數(shù)

在網(wǎng)格坐標(biāo)系中找出兩個(gè)最佳噴油點(diǎn)的噴射參數(shù)，如圖15所示。圖15中紅色代表截面1 中嚙入側(cè)壓力較高的區(qū)域。噴油點(diǎn)1 、噴油點(diǎn)2 的噴射距離與噴射角度相同，截面1上的最佳噴油點(diǎn)1 的噴射距離為 37 mm ，噴射角度為-15°，端面角度為0°，截面2 上的最佳噴油點(diǎn)2 的噴油參數(shù)與之相同。

優(yōu)化前后，嚙入側(cè)的噴點(diǎn)位置對(duì)比如圖16所示。圖 16中紅色點(diǎn)代表原始噴孔的中心點(diǎn)，黃色和紫色點(diǎn)代表優(yōu)化后的噴孔中心點(diǎn)。

3.3 嚙出側(cè)噴孔位置參數(shù)尋優(yōu)

由于嚙出側(cè)氣流對(duì)潤(rùn)滑油實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡影響更大，噴點(diǎn)應(yīng)布置在氣流弱區(qū)，也就是圖17中所示速度矢量較稀疏的區(qū)域。假設(shè)藍(lán)色和橙色點(diǎn)為噴油點(diǎn)，點(diǎn) 1、點(diǎn)2 、點(diǎn)3 、點(diǎn)4 為兩齒輪的嚙合發(fā)熱面，為將潤(rùn)滑油噴射到發(fā)熱齒面，紅色和黑色箭頭所指應(yīng)為噴射方向。

圖18所示嚙出側(cè)齒輪中間平面氣場(chǎng)的速度分布存在明顯的分層現(xiàn)象，即按不同的速度呈梯度分布，不同梯度分界處的波峰位置同時(shí)是同一速度梯度上噴射距離最小點(diǎn)。將噴嘴布置在該處，可以較好地將潤(rùn)滑油噴到齒輪的齒面上;同時(shí)，為方便布置，噴射距離不宜太小。綜合考慮，在齒輪中間平面，將噴點(diǎn)布置在圖18中兩個(gè)洋紅色點(diǎn)的位置。

優(yōu)化前后，嚙出側(cè)的噴點(diǎn)位置對(duì)比如圖19所示。

3.4 小結(jié)

若噴射端面角度過大，在齒輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，潤(rùn)滑油幾乎不能噴進(jìn)嚙合區(qū)。對(duì)該模型進(jìn)行氣場(chǎng)分析后，結(jié)合箱體中的壓力分布與速度分布，得出了嚙入側(cè)能使?jié)櫥晚樌M(jìn)入嚙合區(qū)的最佳噴嘴位置、嚙出側(cè)能使油液到達(dá)齒輪發(fā)熱面的最佳噴嘴位置。優(yōu)化后的各噴孔位置參數(shù)如表2 所示。

4齒輪箱噴油參數(shù)優(yōu)化后數(shù)值模擬驗(yàn)證

對(duì)噴孔參數(shù)優(yōu)化后的齒輪箱進(jìn)行兩相流場(chǎng)瞬態(tài)分析。仿真結(jié)果表明，在嚙入側(cè)，潤(rùn)滑油速度流線順利進(jìn)入嚙合區(qū);在嚙出側(cè)，潤(rùn)滑油速度流線能直接到達(dá)發(fā)熱齒面，如圖20所示。

嚙合時(shí)刻齒面油氣比例越高越好，在 CFD-Psot 中分別提取優(yōu)化前（噴油壓力0.21 MPa ）、優(yōu)化后（噴油壓力0.21 MPa ）、優(yōu)化前（噴油壓力0.45 MPa）時(shí)，主動(dòng)輪、從動(dòng)輪的3 個(gè)嚙合時(shí)刻的齒面油氣比例云圖，分別如圖21、圖22所示。噴嘴布置在齒寬中間部位時(shí)，有利于潤(rùn)滑油隨著齒輪的嚙合沿齒寬鋪展開來，沿齒寬分布更均勻。優(yōu)化前后，主動(dòng)輪嚙合齒面油氣比例值從0.3 增大到0.58，從動(dòng)輪嚙合齒面油氣比例值從0.19增大到0.46;將油路的噴油壓力從0.21 MPa 增大到0.45 MPa 時(shí)，主動(dòng)輪齒面油氣比例值增加到0.73;從動(dòng)輪齒面油氣比例值增加到0.6。

同時(shí)，噴油參數(shù)優(yōu)化前后，主動(dòng)輪齒面對(duì)流換熱系數(shù)從745 W/（ m2?K）提升至1 490 W/（ m2?K），提升了100%;從動(dòng)輪齒面對(duì)流換熱系數(shù)從860 W/（ m2?K）提升至1 650 W/（ m2?K），提升了92%;將油路的噴油壓力從0.21 MPa 增大到0.45 MPa 后，主動(dòng)輪對(duì)流換熱系數(shù)提升至1 779 W/（ m2?K），提升了138.8%;從動(dòng)輪對(duì)流換熱系數(shù)提升至1 896 W/（ m2?K），提升了120.5%。這是由于潤(rùn)滑油能很好地進(jìn)入嚙合發(fā)熱面，并帶走了更多熱量，齒面對(duì)流換熱能力有了很大的改善。優(yōu)化前后齒面油氣比例云圖與對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)比分別如圖23、圖24所示。

5結(jié)論

對(duì)高速重載航空齒輪箱進(jìn)行了兩相流場(chǎng)瞬態(tài)仿真分析。通過氣場(chǎng)仿真，對(duì)嚙入側(cè)、嚙出側(cè)噴嘴的噴油角度、端面角度及噴油距離參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得出了嚙入側(cè)能使?jié)櫥晚樌M(jìn)入嚙合區(qū)的噴嘴位置、嚙出側(cè)能使油液到達(dá)齒輪發(fā)熱面的噴嘴位置，并保留噴孔的原始孔徑。

仿真結(jié)果表明，噴孔位置參數(shù)優(yōu)化后，嚙合齒面油氣比例與對(duì)流換熱系數(shù)有了很大的提高。嚙入側(cè)噴嘴沿齒寬對(duì)稱布置且端面角度為0°時(shí)，潤(rùn)滑油能順利進(jìn)入嚙合區(qū)，且嚙合齒面油液沿齒寬分布更均勻;嚙出側(cè)噴嘴對(duì)兩個(gè)齒輪差別噴油，潤(rùn)滑油能更快到達(dá)嚙合發(fā)熱齒面，達(dá)到冷卻齒面的目的;噴油壓力增大后，齒面平均油氣比例與對(duì)流換熱系數(shù)隨之增大。

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收稿日期：2021-07-06修回日期：2021-10-30

作者簡(jiǎn)介：黎向宇（1990—），男，湖南岳陽人，碩士研究生，工程師;研究方向?yàn)橹鄙龣C(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)。