列車齒輪箱新型軸端密封結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

林佳旭，沙智華，李寶良

(大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116028)

密封結(jié)構(gòu)對主機(jī)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行具有決定性作用，密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)是當(dāng)前流體傳動(dòng)與控制領(lǐng)域的發(fā)展重點(diǎn)之一。

國內(nèi)外研究人員對不同密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究。張偉政等[1]基于葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)下干氣密封結(jié)構(gòu)特性，建立了葉輪轉(zhuǎn)子-軸承-干氣密封系統(tǒng)軸向振動(dòng)模型，通過有限元分析表明氣膜剛度對動(dòng)、靜環(huán)振動(dòng)幅值影響不大，軸向激振力嚴(yán)重影響干氣密封的穩(wěn)定性。杜飛龍等[2]通過對雙葉輪攪拌機(jī)構(gòu)中葉輪的軸距、葉片夾角和葉片數(shù)量對流體湍流效果的研究，發(fā)現(xiàn)減小軸距、葉片夾角減小、增加葉片數(shù)能提高攪拌機(jī)混合效果。黎義斌等[3]研究了軸向竄動(dòng)量和離心泵葉輪軸向力及其口環(huán)結(jié)構(gòu)的定量關(guān)系，研究結(jié)果表明，相比單口環(huán)密封結(jié)構(gòu)雙口環(huán)密封結(jié)構(gòu)對高壓液體泄漏的抑制作用明顯，其容積效率較高。吳大轉(zhuǎn)等[4]分析了低功耗的副葉輪密封結(jié)構(gòu)并將其應(yīng)用在立式自吸泵上，數(shù)值分析結(jié)果表明，后彎形葉片并配合阻旋片的多級副葉輪密封結(jié)構(gòu)具有良好的密封性能，且功耗為單級結(jié)構(gòu)功耗的55%左右。劉偉[5]為提升減速器軸端密封的密封效果，將填料函與減速箱軸端蓋設(shè)計(jì)成一體結(jié)構(gòu)，通過結(jié)構(gòu)分析最終得出了相對最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。李松泰等[6]針對傳統(tǒng)迷宮密封作為氣膜密封裝置的軸端密封存在的問題，設(shè)計(jì)了一種組合軸端密封結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生泵送效果實(shí)現(xiàn)了徑向密封。ZHANG等[7]建立了組合密封結(jié)構(gòu)模型，對比了壓力比和旋轉(zhuǎn)速度對傳統(tǒng)迷宮密封結(jié)構(gòu)和袋式阻尼密封結(jié)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)條件下的泄漏特性影響，結(jié)果表明在旋轉(zhuǎn)條件下3種密封結(jié)構(gòu)的泄漏率均隨壓力比和旋轉(zhuǎn)速度的增加而降低，組合密封結(jié)構(gòu)中射流結(jié)構(gòu)對密封特性有較大影響。ZHANG等[8]設(shè)計(jì)了一種新型孔-膜片迷宮密封結(jié)構(gòu)，相較于傳統(tǒng)密封結(jié)構(gòu)其直接剛度系數(shù)、直接阻尼系數(shù)提高70%以上。曹恒超等[9]試驗(yàn)獲得了不同轉(zhuǎn)速條件下空氣和滑油的泄漏速率，定量地研究了密封裝置中的甩油環(huán)、迷宮齒槽及回油通道等結(jié)構(gòu)的減漏作用；同時(shí)為適應(yīng)曲軸箱軸端密封大軸徑、大間隙的特點(diǎn)，提出了基于刷式密封的改進(jìn)方案。楊博峰等[10]介紹了深冷泵軸封的工作參數(shù)及難點(diǎn)，分析了目前深冷泵用各類軸端密封型式及特點(diǎn)，并針對深冷泵用機(jī)械密封面臨的難題提出了相應(yīng)對策。王世宏等[11]針對機(jī)械密封使用壽命短、可靠性低的問題，開發(fā)了激光加工多孔端面新型機(jī)械密封，并對其沖洗方案進(jìn)行調(diào)整，相比于原用普通機(jī)械密封，新型機(jī)械密封的使用壽命大幅提高，滿足了企業(yè)的需求。

動(dòng)車組軸端密封主要采用塑料密封堵密封結(jié)構(gòu)[12]，對于其軸端密封的研究主要針對密封材料，對于機(jī)械結(jié)構(gòu)密封研究相對較少。本文作者設(shè)計(jì)的密封結(jié)構(gòu)為葉輪組隨傳動(dòng)軸同步雙向旋轉(zhuǎn)，攪動(dòng)軸承端蓋內(nèi)部的流體，形成相對于兩側(cè)高壓區(qū)域，從而提升軸端密封性能。

1 密封結(jié)構(gòu)前期研究結(jié)果

文中主要在前期已完成的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)[13]基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。為保證軸承端蓋內(nèi)部的密封結(jié)構(gòu)隨傳動(dòng)軸雙向旋轉(zhuǎn)時(shí)，均可實(shí)現(xiàn)提升減速器的密封效果，前期研究各葉輪中每個(gè)葉片均采用對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。前期研究密封結(jié)構(gòu)主要參數(shù)包括：軸承端蓋內(nèi)徑D=180 mm，兩側(cè)葉輪結(jié)構(gòu)相同，但裝配方向相反如圖1所示；兩側(cè)葉輪軸孔直徑D1=110 mm，葉輪外徑D5=178 mm；葉片的高度在D2=130 mm到D4=168 mm之間，即葉片高度小于(D4-D2)/2=19 mm；葉片厚度L1=15 mm，葉片數(shù)目為12，葉片底部為圓柱形，其直徑D3=145 mm，兩側(cè)為20°傾斜平面；葉片支撐筋厚度L2=15 mm，其結(jié)構(gòu)如圖2所示；中部葉輪軸孔直徑D1=110 mm，葉輪根部直徑D2=160 mm，葉輪外徑D3=178 mm，葉輪厚度L1=11 mm，葉片厚度L2=7 mm，葉片數(shù)目18，如圖3所示。

圖1 密封結(jié)構(gòu)總裝配圖Fig.1 General assembly drawing of sealing structure

圖2 兩側(cè)葉輪結(jié)構(gòu)尺寸Fig.2 Structural dimensions of impellers on both sides

圖3 中間葉輪三維模型Fig.3 Three dimensional model of intermediate impeller

前期分析結(jié)果表明，通過葉輪組結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)提升密封效果的目的，但在中部葉輪與兩側(cè)葉輪表面的面積加權(quán)平均壓力差均值僅為22.97 Pa[13]，雖然已初步實(shí)現(xiàn)10.00 Pa內(nèi)外壓差目標(biāo)，但該密封結(jié)構(gòu)的密封效果仍待加強(qiáng)。本文作者將在不放大結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的前提下，進(jìn)一步研究各葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)與密封效果的關(guān)系，以提升密封結(jié)構(gòu)的密封效果。

2 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)及流道模型

對密封結(jié)構(gòu)的多參數(shù)分析設(shè)計(jì)，具體包括兩側(cè)葉輪中葉片內(nèi)徑、葉片側(cè)面傾角、葉片底面傾角、葉片側(cè)邊倒圓角(靠近中部葉輪一側(cè))和中間葉輪的葉片數(shù)目。兩側(cè)葉輪三維結(jié)構(gòu)如圖4所示，中間葉輪僅對原葉輪結(jié)構(gòu)中葉片數(shù)進(jìn)行調(diào)整，其他參數(shù)不變。

圖4 兩側(cè)葉輪三維模型Fig.4 Three dimensional model of impellers on both sides

流道模型的建立，主要通過建立直徑和葉輪外徑相同、高度和葉輪厚度相同的實(shí)心圓柱，將兩元件重合裝配，通過元件操作中的布爾運(yùn)算從圓柱中切除與葉輪重合部分，得到各葉輪的流道模型，再通過零件裝配最終得到密封結(jié)構(gòu)的流道模型。

3 網(wǎng)格建立及分析設(shè)置

3.1 網(wǎng)格建立

由于葉輪的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，故對葉輪劃分網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，并通過尺寸控制對各部分的網(wǎng)格大小進(jìn)行控制，葉輪及葉輪與進(jìn)出口區(qū)域接觸平面處網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1.5 mm，進(jìn)出口區(qū)域網(wǎng)格大小設(shè)置為4 mm，共計(jì)292 381個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 514 476個(gè)單元。為提高流體計(jì)算效率、保證計(jì)算精度、消除高度偏斜的四面體網(wǎng)格，通過多面體網(wǎng)格轉(zhuǎn)化功能對四面體網(wǎng)格進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 711 578個(gè)，310 312個(gè)單元，多面體網(wǎng)格單元數(shù)量約為四面體網(wǎng)格的20%，減少了網(wǎng)格計(jì)算數(shù)量。

為便于后續(xù)分析，特對流道模型中重點(diǎn)平面進(jìn)行定義，如圖5所示。其中葉輪1左側(cè)平面命名為a平面，葉輪2左右兩側(cè)平面各命名為b、c平面，葉輪3右側(cè)平面命名為d平面，流道入口平面命名為in平面，出口平面為out平面。

圖5 流道模型Fig.5 Runner model

3.2 分析設(shè)置

將in平面進(jìn)口初始壓力設(shè)置為0，出口out平面初始壓力為10.00 Pa，此處對應(yīng)減速器內(nèi)部一側(cè)。各葉輪轉(zhuǎn)速均為3 000 r/min。湍流分析模型采用了從混合長度模型發(fā)展而來、引入了各向同性湍流理論的k-ε模型進(jìn)行求解計(jì)算[14]。葉片表面固壁面采用固壁無滑移假設(shè)，并用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法對近壁面的流動(dòng)進(jìn)行處理，計(jì)算區(qū)域間的耦合面定義為Interface[15]。流道模型材料為空氣，并從in平面開始初始化進(jìn)行流體分析，其流場數(shù)值求解方法采用Simple壓力耦合方程組的半隱式算法。

4 葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)與密封效果關(guān)系研究

密封結(jié)構(gòu)主要通過兩側(cè)葉輪中葉片攪動(dòng)流體提升密封性能，受尺寸空間限制葉片尺寸較小高度不超過19 mm，結(jié)合前期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大致確定各參數(shù)對密封效果的影響程度，由大到小依次進(jìn)行分析。文中研究思路為：在前期的密封結(jié)構(gòu)參數(shù)基礎(chǔ)上，首先通過調(diào)整葉片內(nèi)徑調(diào)整葉片高度，探究其對密封效果的影響，確定相對較優(yōu)的葉片內(nèi)徑，再在此基礎(chǔ)上調(diào)整葉片側(cè)面傾角，確定相對較優(yōu)尺寸，然后再依次探究葉片側(cè)面傾角、底面傾角、側(cè)邊倒圓角及中部葉輪葉片數(shù)目與密封效果的關(guān)系，逐步尋找相對較優(yōu)的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。

4.1 葉片內(nèi)徑與密封效果的關(guān)系分析

在前期確定的密封結(jié)構(gòu)參數(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合圖4中兩側(cè)葉輪結(jié)構(gòu)，在葉片兩側(cè)及底部均無傾斜角度、葉片側(cè)邊無圓角情況下，通過改變?nèi)~片的內(nèi)徑，研究其對密封效果的影響。

由于密封結(jié)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)過程會(huì)在葉輪2區(qū)域形成相對于兩側(cè)的高壓區(qū)，可通過重點(diǎn)平面的面積加權(quán)平均壓力差值來判斷密封效果強(qiáng)弱。

密封結(jié)構(gòu)葉輪1兩側(cè)的平均壓差等于b平面與a平面的平均壓力差值，其計(jì)算式為

p1=pb-pa

密封結(jié)構(gòu)葉輪3兩側(cè)的平均壓差等于c平面與d平面的平均壓力差值，其計(jì)算式為

p2=pc-pd

密封結(jié)構(gòu)兩側(cè)平均壓差為

p=(p1+p2)/2

密封結(jié)構(gòu)的各壓力差值隨兩側(cè)葉片內(nèi)徑變化情況如圖6所示，平面a和平面d的平均壓力變化情況如圖7所示。

圖6 葉片內(nèi)徑與平均壓差關(guān)系Fig.6 Relationship between blade inner diameter and average differential pressure

圖7 平面a和平面d的平均壓力與葉片內(nèi)徑關(guān)系Fig.7 Relationship between average pressure in plane a and plane d and blade inner diameter

從圖6中可以看出，葉片內(nèi)徑在132～145 mm范圍內(nèi)變化時(shí)，密封結(jié)構(gòu)兩側(cè)面積加權(quán)平均壓差在170～350 Pa范圍內(nèi)變化，其對密封效果影響較為明顯。隨著葉片內(nèi)徑不斷增大兩側(cè)葉輪1、3兩側(cè)的平均壓差不斷增大，當(dāng)內(nèi)徑增大到160 mm后平均壓差迅速減小。在葉片內(nèi)徑為150～158 mm范圍內(nèi)壓差均值都在340 Pa以上，結(jié)合圖6中平面a和平面c的平均壓力變化情況可知，隨著葉片內(nèi)徑增大平面平均壓力不斷減小，但在葉片內(nèi)徑為160 mm后開始增大。在保證壓差均值和a、d平面的平均壓力盡可能大的前提下，將葉輪內(nèi)徑確定為150 mm，此時(shí)葉片高度為9 mm，葉輪1兩側(cè)壓差為p1=347.04 Pa，葉輪3兩側(cè)壓差為p2=337.77 Pa，兩側(cè)葉輪壓差平均值p=342.41 Pa。

4.2 葉片側(cè)面傾角與密封效果的關(guān)系分析

如圖4所示，葉片側(cè)面傾角為葉片靠近扇形支撐一側(cè)的葉片平面，受葉輪中葉片與扇形支撐間空間的影響，葉片側(cè)面傾斜角度的范圍是-15°～40°，在葉片內(nèi)徑為150 mm前提下，密封效果隨葉片側(cè)面傾角變化情況如圖8所示。

從圖8可以看出，葉片側(cè)面傾角對密封結(jié)構(gòu)的密封效果影響較大，葉片傾角在±3°范圍內(nèi)時(shí)，葉輪兩側(cè)平均壓力差值有小幅提升；當(dāng)傾角增大時(shí)，密封效果迅速下降；在葉片傾角大于15°后兩側(cè)壓差開始增大，但仍小于傾角為0°時(shí)壓差。當(dāng)葉片傾角為2°時(shí)密封效果相對較好，其中葉輪1兩側(cè)壓差p1=355.10 Pa，葉輪3兩側(cè)壓差p2=345.26 Pa，兩側(cè)葉輪壓差平均值p=350.18 Pa。

圖8 葉片側(cè)面傾角與平均壓差關(guān)系Fig.8 Relationship between blade side inclination and average differential pressure

4.3 葉片底面傾角與密封效果的關(guān)系分析

葉片底部傾角調(diào)整主要通過改變兩側(cè)葉輪中兩側(cè)的葉片內(nèi)徑來實(shí)現(xiàn)，其中靠近葉輪2一側(cè)的葉片內(nèi)徑d1保持不變，另一側(cè)的葉片內(nèi)徑d2計(jì)算式為

d2=d1-2Ltanα

式中：L為葉輪厚度；α為葉片底部傾角。

葉片底部傾角與葉輪兩側(cè)壓差變化情況如圖9所示。

從圖9可以看出，底部傾角在-20°～16°范圍內(nèi)變化時(shí)，密封結(jié)構(gòu)兩側(cè)平均壓差在315～365 Pa范圍內(nèi)變化；當(dāng)葉片傾角在-10°～-3°范圍內(nèi)變化時(shí)，兩側(cè)壓差在350～360 Pa范圍內(nèi)波動(dòng)；當(dāng)傾角小于-10°和大于-3°時(shí)，兩側(cè)壓差開始下降。當(dāng)葉片底部傾角為-5°時(shí)，兩側(cè)壓差相對較大。此時(shí)葉輪1兩側(cè)壓差p1=362.84 Pa，葉輪3兩側(cè)壓差p2=353.03 Pa，兩側(cè)葉輪壓差平均值p=357.94 Pa。

圖9 葉片底面傾角與平均壓差關(guān)系Fig.9 Relationship between blade bottom inclination and average differential pressure

4.4 葉片側(cè)邊倒圓角與密封效果的關(guān)系分析

基于前期的分析發(fā)現(xiàn)葉輪1、3遠(yuǎn)離葉輪2一側(cè)的葉片側(cè)邊倒圓角只會(huì)降低葉輪兩側(cè)壓差，故針對靠近葉輪2一側(cè)的葉片側(cè)邊倒圓角進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析。為保證網(wǎng)格劃分正確，特對布爾運(yùn)算得到的葉輪1、3的流道模型中由于倒圓角產(chǎn)生的尖角進(jìn)行倒圓角處理，半徑為0.5 mm。葉片側(cè)邊倒圓角與葉輪兩側(cè)壓差變化情況如圖10所示。

從圖10可以看出，在上述確定的參數(shù)基礎(chǔ)上，由于葉輪結(jié)構(gòu)尺寸相對較小，葉片側(cè)邊倒圓角對密封效果提升不明顯，隨著葉片側(cè)邊倒圓角半徑的增加，葉輪兩側(cè)壓差總體呈下降趨勢，僅在圓角半徑為6 mm時(shí)平均壓差有細(xì)微的提升，此時(shí)葉輪壓差平均值p=359.77 Pa。考慮到圓角半徑的影響較小，為簡化密封結(jié)構(gòu)，文中將不對葉輪側(cè)邊進(jìn)行倒圓角處理。

圖10 葉片側(cè)邊倒圓角與平均壓差關(guān)系Fig.10 Relationship between blade side fillet and average differential pressure

4.5 葉輪2葉片數(shù)與密封效果的關(guān)系分析

由于葉輪2位于密封結(jié)構(gòu)中部，其葉片結(jié)構(gòu)相對較為簡單，故僅針對葉輪2的葉片數(shù)目與密封效果關(guān)系進(jìn)行探究，其流體分析結(jié)果如圖11所示。

從圖11可以看出，葉輪兩側(cè)平均壓差總體上隨著葉片數(shù)目的增加而緩慢增加，當(dāng)葉輪2葉片數(shù)目增加到27之后密封效果開始迅速下降，其中當(dāng)葉片數(shù)目為原參數(shù)18時(shí)，葉輪兩側(cè)平均壓差最大。

圖11 葉輪2葉片數(shù)與平均壓差關(guān)系Fig.11 Relationship between the number of blades of impeller 2 and the average differential pressure

5 密封結(jié)構(gòu)流體分析結(jié)果

在不放大密封結(jié)構(gòu)外形尺寸的前提下，結(jié)合前期研究結(jié)果并綜合上述密封結(jié)構(gòu)各參數(shù)流體分析結(jié)果，可大致歸納出密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化參數(shù)為：兩側(cè)葉輪厚度為15 mm，葉片數(shù)目為12，葉片內(nèi)徑為150 mm，側(cè)面傾角為2°，底面傾角為-5°且各葉片間均采用厚度和葉片厚度相同角度為5°的扇形支撐；中間葉輪厚度為11 mm，葉片數(shù)目為18，葉片厚度為7 mm，此時(shí)的密封結(jié)構(gòu)葉輪壓差平均值p=357.94 Pa。

參數(shù)優(yōu)化后該密封結(jié)構(gòu)流道模型壓力分布云圖如圖12所示，速度流線圖如圖13所示。從圖12中可以看出，優(yōu)化后密封結(jié)構(gòu)的中間葉輪壓力分布總體上大于兩側(cè)葉輪的壓力分布，兩側(cè)葉輪最大壓力主要分布于葉片根部，而中間葉輪最大壓力分布于葉片頂部。結(jié)合圖13中密封結(jié)構(gòu)速度流線圖分布情況，可以清晰地看出，密封結(jié)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)過程中在葉輪2和葉輪3之間會(huì)形成隔離區(qū)，阻止減速器內(nèi)外流體溝通。

圖12 密封結(jié)構(gòu)壓力分布云圖Fig.12 Cloud map of pressure distribution of sealing structure

圖13 密封結(jié)構(gòu)速度流線圖Fig.13 Velocity streamline diagram of sealing structure

6 結(jié)論

(1)在原設(shè)計(jì)的動(dòng)車組軸端密封結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對葉輪結(jié)構(gòu)的兩側(cè)葉輪中葉片內(nèi)徑、葉片側(cè)面傾角、葉片底面傾角、葉片側(cè)邊倒圓角(靠近中部葉輪一側(cè))和中間葉輪的葉片數(shù)目等5個(gè)參數(shù)與密封效果的關(guān)系進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，兩側(cè)葉輪葉片內(nèi)徑、葉片側(cè)面傾角對密封效果影響較大，其他參數(shù)對密封效果影響較小。

(2)對原動(dòng)車組軸端密封結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行民優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后，相較于原密封結(jié)構(gòu)，葉輪兩側(cè)面積加權(quán)平均壓力均值從22.97 Pa提升至357.94 Pa，基本實(shí)現(xiàn)了在不放大軸端密封結(jié)構(gòu)外形尺寸的前提下提升密封性能的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

(3)從優(yōu)化后密封結(jié)構(gòu)的速度流線圖可以看出，密封結(jié)構(gòu)在葉輪2、3之間形成隔離區(qū)域，有效提升了軸端密封效果。

(4)由于葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)較多，文中基于前期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定的各參數(shù)影響程度，依次進(jìn)行分析，確定各參數(shù)的優(yōu)化值。后續(xù)將結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)算法，對眾多參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，尋找最優(yōu)參數(shù)組合。