超高壓柱塞泵動力端齒輪箱潤滑油甩油分析*

1.沈陽儀表科學研究院有限公司 沈陽 110043 2.河南伯淼水處理有限公司 鄭州 450053

1 研究背景

高壓柱塞泵屬于容積式泵的一種,將電動機的機械能經過柱塞泵動力端直接轉化為介質的壓力能,被廣泛用于農業機械、航空航天和工業清洗等行業[1]。齒輪箱是柱塞泵動力端的關鍵部件,在齒輪嚙合傳動的過程中,齒面間不可避免地會因相對運動摩擦而產生熱量累積,嚴重時還可能會造成齒面的變形和磨損,所以有效的潤滑和散熱對齒輪箱的工作至關重要。齒輪箱一般采用潤滑油飛濺潤滑的方式[2-5]。齒輪和曲軸旋轉,帶動齒輪箱內潤滑油飛濺至齒輪輪齒處及箱體油槽等部位實現潤滑作用。掌握齒輪箱內流場分布規律,對齒輪箱潤滑設計具有重要的現實意義。但是由于齒輪箱結構封閉、復雜,且流體是由潤滑油和空氣組成的,屬于始終處于瞬態變化的兩相流動中,因此使用試驗法很難研究其內部瞬態流場分布。傳統的流體動力學僅適用于簡單的流動過程,無法解決類似于齒輪高速嚙合傳動引起的流動問題。筆者以某型號超高壓柱塞泵動力端齒輪箱為研究對象,針對其中齒輪箱內甩油這一過程,采用浸入固體法,結合VOF(Volume of Fluids)多相流模型來進行計算流體動力學模擬,得到齒輪箱內部復雜油氣兩相流的流場分布,為高壓柱塞泵齒輪箱飛濺潤滑過程的研究提供有價值的參考。

2 三維流體模型

筆者研究的超高壓柱塞泵動力端齒輪箱計算流體動力學模型如圖1所示。模型包括驅動小齒輪、箱體(潤滑油和空氣所占據的空間)、傳動大齒輪和曲軸。由于連桿機構對潤滑油甩油影響較小,因此模型未包含連桿機構。三維模型中,箱體為從齒輪箱抽取的流體模型,驅動小齒輪、傳動大齒輪和曲軸按實際尺寸等比例建模且為固體模型。齒輪為斜齒齒輪,齒數為27/105,螺旋角為13°,軸心距為345 mm。

3 網格劃分

采用浸入固體法建立齒輪潤滑仿真模型,在劃分網格時,需要分別得到一對齒輪的固體網格和箱體的流體網格,一對嚙合齒輪在原始的嚙合位置則不作處理。流體和浸入固體均采用四面體網格,對嚙合部分網格進行了加密處理。整個齒輪箱的網格數為620萬,節點數為305萬,所有網格斜度均小于0.76。箱體流體網格如圖2所示,齒輪與曲軸固體網格如圖3所示。

▲圖1 齒輪箱計算流體動力學模型

▲圖2 箱體流體網格▲圖3 齒輪與曲軸固體網格

4 計算設置

4.1 多相流模型

選用VOF多相流模型[6-8],通過計算每個單元內各流體所占據的體積率來追蹤流體量的變化及自由液面[9]。計算設定空氣為主相,密度為1.225 kg/m3,動力黏度為1.789 4×10-5Pa·s；潤滑油為第二相,密度為850 kg/m3,動力黏度為0.012 5 Pa·s。潤滑油的初始液面高度為距箱體底部1.021 m。多相流模型如圖4所示。

▲圖4 多相流模型

4.2 浸入固體模型

筆者采用浸入固體法模擬齒輪旋轉運動浸入固體,其實質在于將浸入固體域作為動量源放置在流體域中,即在求解器進行求解時對于流場在浸入固體范圍內的流體部分施加一個動量源,驅使流體隨著固體一起運動,使流體速度匹配固體速度。設置驅動小齒輪、傳動大齒輪和曲軸三部分為浸入固體模型,驅動小齒輪的轉速為1 500 r/min,傳動大齒輪和曲軸轉向相反，轉速為385 r/min。齒輪和曲軸的旋轉通過局部坐標系來設置,旋轉方向按右手準則確定。

4.3 湍流模型

在齒輪的旋轉運動作用下,齒輪箱體內部油液和空氣狀態處在一個瞬時變化的流動過程中,而且齒輪轉速較高,可以認為齒輪箱內的流動是瞬態湍流流動,選取RNGk-ε湍流模型。這一湍流模型包含旋流修正的子模型,能夠較好地對齒輪和曲軸旋轉攪油而產生的旋流、高應變率，以及流線彎曲程度較大的流動進行預測[10-14]。

4.4 計算類型

計算類型選擇瞬態計算,計算總時長為1 s，即小齒輪轉25周,大齒輪轉10.714周。考慮計算穩定性和計算時長，選取時間步長為0.005 s。

5 結果分析

5.1 不同時刻潤滑油分布

不同時刻齒輪箱內潤滑油分布情況如圖5所示，圖5中深色表示潤滑油,淺色表示空氣。驅動小齒輪啟動時,帶動傳動大齒輪旋轉并將潤滑油攪起。潤滑油隨傳動大齒輪的旋轉進入齒輪嚙合處,實現對齒輪的潤滑作用。潤滑油在不斷被攪動的過程中與空氣逐漸混合,充斥于齒輪箱內部。由于齒輪高速旋轉產生的離心作用,使潤滑油體積分數在靠近箱體壁面處分布較大。

▲圖5 不同時刻齒輪箱內潤滑油分布

5.2 齒輪表面潤滑油流速和體積分數

0.8 s時齒輪表面的潤滑油速度云圖如圖6所示。潤滑油速度與齒輪旋轉、潤滑油自身重力的影響和壓力的變化等息息相關,由圖6可知，除了嚙合位置潤滑油速度偏低外,其它區域速度基本與齒輪旋轉所產生的效果一致。

0.8 s時齒輪表面的潤滑油體積分數分布如圖7所示。通過圖7可以確定，在0.8 s時,潤滑油已經完全覆蓋了齒輪的嚙合位置,潤滑油對齒輪實現了有效的潤滑作用。

▲圖6 0.8 s時齒輪表面潤滑油速度云圖▲圖7 0.8 s時齒輪表面潤滑油體積分數分布

5.3 截面壓力分布

截取過驅動小齒輪齒寬中點z=50 mm的截面,此截面包含了大小齒輪和潤滑油,可以最大程度反映油液隨齒輪轉動的變化過程。0.1～0.8 s時該截面上的壓力分布如圖8所示。

由圖8可知，齒輪在旋轉過程中對嚙合區域上方油液進行擠壓,形成局部高壓,對下方油液有釋放作用,形成局部低壓,同時各個時刻下高壓區和低壓區的分布范圍近似一致。

▲圖8 不同時刻z=50 mm 截面壓力分布

6 結束語

筆者采用浸入固體法，結合VOF多相流模型,對超高壓柱塞泵齒輪箱內部的飛濺潤滑過程進行了可視化數值模擬。

模擬結果表明，在0.8 s時,潤滑油已經完全覆蓋了齒輪嚙合位置,實現了有效的潤滑作用。齒輪在旋轉過程中對嚙合區域上方形成局部高壓區,在嚙合區域下方形成局部低壓區。模擬結果驗證了筆者所用方法的可行性。