基于Fluent高速列車齒輪箱泄漏量的數值分析

2020-03-02 05:15:26汪凱冷喬立趙佩寧江勝飛

機械工程師 2020年2期

汪凱，冷喬立，趙佩寧，江勝飛

(1.成都理工大學機電工程系，成都610059；2.中鐵十四局隧道公司，濟南250002；3.中石油西南油氣田分公司蜀南氣礦，四川瀘州646000）

0 引言

高速鐵路的快速發展對列車的性能需求逐漸增大，設計時速也不斷提高。目前，中國自主研發的350 km/h標準動車組已突破了420 km/h的試驗速度，中國高速列車取得了階段性進展。隨著列車運營速度的提高，列車各部件的振動也急劇增加，對各組件的密封性能要求也不斷提高，且給列車的正常運營帶來安全隱患，特別是對高速列車的傳動系統具有較大的影響[1-2]。齒輪箱驅動裝置作為保證高速列車持續穩定運營的關鍵零部件和牽引系統的重要設備之一，其結構安全性、穩定性、可靠性直接影響著列車的正常運營[3-6]。因此，開展高速列車齒輪箱箱體密封性能的研究對保障列車的安全運行具有重要的工程意義。

1 密封系統計算模型的建立

齒輪箱密封系統性能直接影響著齒輪箱的使用壽命，同時也影響著高速列車的行駛安全性[7]。列車高速行駛時，齒輪處于高速旋轉狀態，易發生漏油現象。本文用ANSYS軟件的CFD分析功能對某型高速列車齒輪箱輸入端與輸出端密封系統進行數值分析，結合機械設計與密封，確定輸入端與輸出端的密封方案分別如圖1、圖2所示，計算模型如圖3、圖4所示。

圖1 輸入端密封方案

圖2 輸出端密封方案

圖3 輸入軸計算模型

圖4 輸出軸計算模型

2 齒輪箱密封系統Fluent仿真結果分析

將Icem中的計算模型導入到Fluent進行求解計算，且當列車高速運行時，內部潤滑油呈霧狀，所以將模擬時氣體設為理想不可壓縮氣體，設置的邊界條件如表1所示。

表1 輸入軸密封系統邊界條件

在齒輪箱的輸入端，計算后得到氣體在密封腔內部流動時產生的壓力云圖和速度云圖，如圖5、圖6所示。由壓力云圖可知，在第一道軸向密封幾個密封空腔的共同作用下，壓力逐漸降低，最終腔內負壓變化為-5042 Pa，壓差為2965 Pa，變化十分明顯，說明軸向密封作用顯著。第二緩沖區內，負壓維持在-5042 Pa左右，幾乎沒變化。當氣體經過第二軸向密封，負壓依次變化為-5635 Pa、-6228 Pa；同時，由速度云圖可知，第一緩沖區內除了產生渦旋處以外的區域速度基本都是0 m/s，當氣體流入到徑向密封入口處時，其速度大小發生變化，增加到8 m/s，所以在徑向密封腔內也會產生渦旋。氣流繼續流入下一空間，在軸向密封腔之間的間隙內氣體的速度可達到31 m/s的高速。在第二緩沖區，氣體的速度又基本維持在0 m/s，在這部分沒有能量轉換。在第二軸向密封間隙處，氣流速度又增大到28 m/s。

圖5 輸入端壓力云圖

圖6 輸入端速度云圖

在齒輪箱的輸出端，由壓力云圖可知，氣體在第一緩沖區時，負壓維持在-2221 Pa左右。氣體繼續流動，在徑向迷宮的作用下，負壓值減小到-2512 Pa。在降低壓力方面徑向迷宮起到了一定作用。氣體射入到軸向密封第一個空腔內，負壓就迅速增加到-3093 Pa。在后續空腔的作用下，壓力能繼續轉化為熱能，各空腔負壓為-3093、-3384、-3674、-3965 Pa。最終在射入第二緩沖區時，負壓變化為-4256 Pa。第一緩沖區內除了產生渦旋處的速度基本都處于0 m/s的狀態。在這一區域內速度為零，不能發生氣體動能向壓力能的轉化，當氣體流入到徑向密封入口處時，其速度大小發生變化，增加到8 m/s。所以在徑向密封腔內也會產生渦旋。氣流繼續流入下一空間，在軸向密封腔之間的間隙內氣體的速度可達到31 m/s的高速度。在第二緩沖區，氣體的速度又基本維持在0 m/s。在這一部分同理也沒有能量轉換。在第二軸向密封間隙處，氣流速度又增大到28 m/s。同時，由仿真速度云圖可知，在第一緩沖區內的速度基本維持在0 m/s左右，處于停滯狀態，能量轉化效率低。氣體在徑向密封的齒間間隙里的速度最高為6.9 m/s。氣體依然在徑向空腔內完成壓力能、動能、熱能的轉換，壓力能被消耗，壓力降低。在軸向齒間隙里，氣體可以加速到22 m/s的速度，并以這樣的高速射入密封空腔，在空腔內出現強大的渦旋，氣體能量轉化為熱能散發出來。

圖7 輸出端壓力云圖

圖8 輸出端速度云圖

使用ANSYS軟件下的ICEM、Fluent對建立出來的迷宮計算模型進行網格劃分、數值模擬。最后模擬得出輸入端和輸出端空腔內的壓力分布云圖和速度分布云圖，并以此來進行迷宮系統阻漏原理的研究和探討。

3 齒輪箱齒高、空腔長度和齒寬參數對密封性能的影響

取軸向密封系統的單腔為研究對象，建立計算模型。模型如圖9所示。邊界條件選取為：入口處，將入口設置為壓力入口，其壓力值大小為141 855 Pa，溫度為300 K；出口處，將出口設置為壓力出口，其壓力值大小為101 325 Pa。兩側壁面選定為不傳熱、不移動壁面。收斂標準為：求解器設置為耦合隱式求解器，殘差收斂曲線小于10-3，并且入口質量流量與出口質量流量差不得大于1%時，認為求解收斂。