高速动车齿轮箱内部流场与密封系统的数值研究

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高速动车齿轮箱的性能优劣直接影响到列车运行的动力性、安全性和可靠性。随着列车运行速度的提高,齿轮箱内部流场更加紊乱,压力波动更加复杂,直接影响箱体内润滑油合理均匀的分布,同时也导致密封系统的密封性能弱化甚至失效。为了揭示齿轮箱内部流体的运动规律以及密封系统的泄漏机理,本文以某高速动车齿轮箱为研究对象,运用数值模拟手段分别仿真分析箱体内部流场分布规律以及轴向、径向迷宫密封的密封性能,为齿轮箱的润滑和密封的合理设计提供理论指导。基于VOF两相流模型和自适应网格重构技术,运用Pumplinx软件建立齿轮箱内部流场的三维计算模型,仿真分析箱体内部流场的瞬时分布规律,同时对比研究齿轮转速、浸油深度、润滑油粘度和齿轮厚度对齿轮箱内部流场的影响。研究结果表明:齿轮啮合区与油池左侧区域出现漩涡现象;啮合区出口处较入口出压力波动幅度大,稳定时入口区为正压波动,出口区为负压波动;通气孔区压力波动幅度大;齿轮转速、浸油深度、润滑油粘度和齿轮厚度对稳定时箱体内部流场分布影响不大,但随着齿轮转速、浸油深度、润滑油粘度和齿轮厚度的增大,箱体内部压力波动越大。基于Fluent软件建立齿轮箱轴向双边直通式迷宫密封二维计算模型,仿真研究轴向迷宫的密封机理,对比分析压比、转速、转子半径以及密封齿几何因素对迷宫密封性能的影响。研究结果表明:进出口压比越大,密封间隙越大,泄漏量越大;转子半径、转速和密封齿厚度对迷宫密封影响很小;空腔宽度越大,迷宫密封性能越好,空腔深度对迷宫密封性能影响规律较为复杂,综合考虑空腔宽度和深度,推荐空腔深宽比设为0.2。基于Fluent软件建立齿轮箱径向锥形错齿式迷宫密封二维计算模型,仿真研究径向迷宫的密封机理,对比分析压比、转速、相对啮合深度以及密封齿夹角对迷宫密封性能的影响。研究结果表明:当相对啮合深度为0.6时,错齿式迷宫密封存在流体介质高速通道,迷宫泄漏量较大,密封齿的最佳相对啮合深度为0.1;进出口压比越大,泄漏量越大,转子转速对迷宫密封影响很小;随着密封齿夹角的增加,气体介质下的迷宫密封泄漏量增加,尖锐状密封齿有利于提高迷宫的密封性能。
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