齒輪箱迷宮密封仿真試驗優化

姜紫薇，陳 慶，時 龍

(吉林化工學院 機電工程學院，吉林 吉林 132022)

隨著我國高速動車組的不斷發展，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動系統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速非常高，這就導致箱內的潤滑油油溫升高，氣壓分布不均勻，黏度降低，出現竄油、漏油的現象[1]，會嚴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轉和工作中的穩定壓力，確保其平穩運行，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組不同的齒形結構進行數值模擬與理論計算對比，得出圓弧形齒結構密封性能最好.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.賈文聰等[6]利用正交實驗模擬計算得到了一些迷宮密封結構參數對泄漏量的影響.原建博等[7]對現今高速齒輪箱密封存在的問題進行了討論，并指出了未來的發展方向.尹露等[8]研究了迷宮密封在不同腔室、間隙和齒數的動力特性，并對比分析了S-CO2和空氣兩種不同工作介質對密封穩定性的影響.顧乾磊等[9]通過實驗和數值分析模型計算研究了迷宮密封的進口預旋對整體密封穩定性的影響，結果表明正預旋會降低系統穩定性,但對于較少齒數的迷宮密封,正預旋會提高系統穩定性.本文首先通過Fluent對迷宮密封進行模擬計算，再分析端面各個參數對密封性能的影響，找出最優的密封結構.

1 迷宮密封結構及模擬仿真

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 齒輪箱徑向密封結構示意圖

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.將模型導入到Fluent中，模擬氣體在迷宮密封內的流動情況，并探究改變齒距、齒頂長度、入口壓力、轉速對迷宮密封性能的影響.

1.2 網格劃分

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

圖3 整體結構網格

1.3 Fluent前處理

在Fluent設置中采用標準的k-ε模型，介質用理想可壓縮氣體來代替正常工作時的油氣混合物，壓力入口設定為100 Pa，入口溫度為375 K，操作壓力為環境背壓，數值為101 325 Pa，轉子壁面為旋轉壁面，轉速為100 r/min，不考慮壁面與氣體間的傳熱.

1.4 數學模型

由于迷宮密封中流體介質為理想氣體，氣體流動可認為是二維的穩態湍流流動.根據連續性方程、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為擴散系數；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張；Cε1、Cε2、Cε3為常數；σk、σε分別為k、ε的Prandtl數；Sk、Sε為源相.

對于理想氣體，其狀態方程為

p=ρRT，

(4)

式中：R為氣體常數；T為絕對溫度.

2 迷宮密封內流場及泄漏量分析

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出口壓差為定值時，齒距越大，產生的透氣現象越嚴重使得節流作用減弱，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

當齒頂長度為2.7 mm時，密封內流場的空腔內出現了強烈的渦流效應，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，空腔中的渦流現象不劇烈，導致泄漏量較大；當齒頂長度大于2.7 mm時，空腔中渦流的能量消耗與透氣現象到了動態平衡，所以泄漏量變化不大.

2.3 轉速對泄漏量的影響

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，即0.5 mm和2.7 mm，入口壓力分別為1 000、2 000、3 000、4 000 Pa，轉速的取值范圍是1 000、2 000、3 000、4 000 r·min-1.轉速與入口壓力變化對泄漏量的影響如圖10所示.

轉速/(r·min-1)圖10 轉速和入口壓力對泄漏量的影響

從圖10可知，隨著轉速的增加，泄漏量逐漸增大.這是由于當轉速增大時，軸端的周向速度也隨之變大，內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.當齒輪軸轉速從1 000 r·min-1增加到4 000 r·min-1時，泄漏量僅減少了0.003，因此轉速對泄漏量影響不大.

3 結 論

(1)隨著齒距的增大，產生的透氣現象越嚴重使得節流作用減弱，導致泄漏量成線性增加，所以齒距在0.5 mm時較好.

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

(3)當轉速和入口壓力同時增大時周向速度變大，內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，因此得出轉速對泄漏量幾乎沒有影響.