高速動車組齒輪箱迷宮密封機理分析及仿真計算

于祥

摘要：通過Fluent數值仿真方法，分析了高速動車組齒輪箱所用迷宮密封各級密封結構對密封效果的影響。選取高速動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劣，研究了局部結構對整體密封性能的影響情況。

關鍵詞：迷宮密封；密封結構；仿真計算

引言

高速動車組在中國已經越來越多的投入運營，極大地改善了人員的出行舒適性。齒輪箱作為動車組的關鍵驅動部件，其性能優劣直接影響到列車運行的動力性、安全性和可靠性。隨著列車運行速度的提高，齒輪箱內部流場更加紊亂，壓力波動更加復雜，直接影響箱體內潤滑油合理均勻的分布，同時也增加了對密封系統的密封性能的考驗。高速動車組的齒輪密封通常采用的是組合式的迷宮密封結構，因此對其密封機理的分析就具有很重要的意義。

一、迷宮密封的類型及機理

1.迷宮密封的類型

迷宮密封形式多種多樣，根據不同的形式又分為不同的類型。常見的幾種結構類型有：直通式、錯齒式和階梯式等。本文研究的是應用在高速動車組轉向架齒輪箱傳動軸段的迷宮密封。

2.迷宮密封的機理分析

“迷宮效應”是指經過迷宮通道內部的流體受到來自迷宮的阻力而流量有所減低的機能，其中包括流體力學效應（液體）和熱力學效應（氣體），前者又分為摩擦阻力效應和流束收縮效應，另外還有透氣效應等。

二、仿真分析流程

本文研究的是高速動車組齒輪箱軸端組合迷宮密封結構，采取二維模型進行仿真分析。仿真分析的分析過程，依次為建立模型、生成網格、設定邊界條件、計算和結果的后處理。所使用的仿真軟件為Fluent。

三、仿真結果分析

本文選取了高速動車組迷宮密封設計過程中的一種迷宮密封結構進行分析，模型的計算結果與分析如圖1所示。

對于A直通式結構，從壓力云圖中容易看出，并沒有明顯的壓力降低現象；而在速度云圖中，容易看出，流體直接從間隙橫穿而過，并沒有在環形腔中產生回旋渦流。對于B錯齒式結構，從壓力云圖中容易看出，經過B結構后，壓力顯著降低，且通過第一個節流齒后，壓力由1800Pa降低到1200Pa，經過第二個節流齒后壓力從1200Pa降低到800Pa。對于C結構，從壓力云圖和速度云圖中容易看出，出現明顯的回旋渦流現象，且流體速度在該處出現非常顯著的增大現象。而對于D結構，則同樣出現了回旋渦流。

從上述的現象中，可以得出如下結論：

1.A直通式結構并沒有良好密封效果，但由于仿真是在二維情況下進行分析，難以排除在考慮三位周向運動的情況下，是否會產生一定的密封效果，但考慮到圓周運動相對于軸向和徑向影響較小的角度考慮，該結構更多是儲存經過動能耗散后液化的潤滑油，或在極端情況下直接泄漏的潤滑油。

2.B錯齒式迷宮密封結構，具有良好的密封效果，而且在整個密封結構中占據主導作用。且第一個節流齒的密封效果最好，隨著節流齒的增加，每個節流齒的密封效果有所下降。與此同時，可以通過改善該結構的參數，如間隙寬度，寬深比和最佳節流齒等來更大程度的提高迷宮密封整體的密封性能。

3.C結構處出現了異常明顯的回旋渦流現象，根據上文所述的密封機理，在該出會產生明顯的功能耗散，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，而且此處出現速度高峰，且靠近出口，在此種情況下就使潤滑油有流出的傾向，使迷宮密封的性能減低。因此，針對此處迷宮密封結構，可以考慮在此處添加了一個唇形密封圈，可以改善此處出現的問題。

4.D結構處出現明顯的回旋渦流，則說明此處結構具有功能耗散作用，可以通過輪廓曲線的設計，使其結構能夠更加有利的形成回旋渦流現象，從而改善整體密封結構的密封性能。

四、結論

本文主要從理論上對齒輪箱迷宮密封進行了初步研究，建立了齒輪箱迷宮密封模型，進行了密封結構仿真分析，分析了各處密封結構的密封性能。通過對迷宮密封的機理分析和仿真計算，可以給迷宮密封結構的設計和優化提供較大的指導價值。而且在迷宮密封出現泄漏的情況下，有助于分析和查找密封出現不良情況的結構所在。通過對組合迷宮密封的各部分的結構分析，可以對各種不同密封之間的組合提供借鑒作用，提高組合設計迷宮密封的密封效果和設計效率。

參考文獻

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（作者單位：中車青島四方機車車輛股份有限公司）