基于Fluent高速列车齿轮箱泄漏量的数值分析

汪凯，冷乔立，赵佩宁，江胜飞

(1.成都理工大学 机电工程系，成都610059；2.中铁十四局隧道公司，济南250002；3.中石油西南油气田分公司 蜀南气矿，四川 泸州646000）

0 引 言

高速铁路的快速发展对列车的性能需求逐渐增大，设计时速也不断提高。目前，中国自主研发的350 km/h标准动车组已突破了420 km/h的试验速度，中国高速列车取得了阶段性进展。随着列车运营速度的提高，列车各部件的振动也急剧增加，对各组件的密封性能要求也不断提高，且给列车的正常运营带来安全隐患，特别是对高速列车的传动系统具有较大的影响[1-2]。齿轮箱驱动装置作为保证高速列车持续稳定运营的关键零部件和牵引系统的重要设备之一，其结构安全性、稳定性、可靠性直接影响着列车的正常运营[3-6]。因此，开展高速列车齿轮箱箱体密封性能的研究对保障列车的安全运行具有重要的工程意义。

1 密封系统计算模型的建立

齿轮箱密封系统性能直接影响着齿轮箱的使用寿命，同时也影响着高速列车的行驶安全性[7]。列车高速行驶时，齿轮处于高速旋转状态，易发生漏油现象。本文用ANSYS软件的CFD分析功能对某型高速列车齿轮箱输入端与输出端密封系统进行数值分析，结合机械设计与密封，确定输入端与输出端的密封方案分别如图1、图2所示，计算模型如图3、图4所示。

图1 输入端密封方案

图2 输出端密封方案

图3 输入轴计算模型

图4 输出轴计算模型

2 齿轮箱密封系统Fluent仿真结果分析

将Icem中的计算模型导入到Fluent进行求解计算，且当列车高速运行时，内部润滑油呈雾状，所以将模拟时气体设为理想不可压缩气体，设置的边界条件如表1所示。

表1 输入轴密封系统边界条件

在齿轮箱的输入端，计算后得到气体在密封腔内部流动时产生的压力云图和速度云图，如图5、图6所示。由压力云图可知，在第一道轴向密封几个密封空腔的共同作用下，压力逐渐降低，最终腔内负压变化为-5042 Pa，压差为2965 Pa，变化十分明显，说明轴向密封作用显著。第二缓冲区内，负压维持在-5042 Pa左右，几乎没变化。当气体经过第二轴向密封，负压依次变化为-5635 Pa、-6228 Pa；同时，由速度云图可知，第一缓冲区内除了产生涡旋处以外的区域速度基本都是0 m/s，当气体流入到径向密封入口处时，其速度大小发生变化，增加到8 m/s，所以在径向密封腔内也会产生涡旋。气流继续流入下一空间，在轴向密封腔之间的间隙内气体的速度可达到31 m/s的高速。在第二缓冲区，气体的速度又基本维持在0 m/s，在这部分没有能量转换。在第二轴向密封间隙处，气流速度又增大到28 m/s。

图5 输入端压力云图

图6 输入端速度云图

在齿轮箱的输出端，由压力云图可知，气体在第一缓冲区时，负压维持在-2221 Pa左右。气体继续流动，在径向迷宫的作用下，负压值减小到-2512 Pa。在降低压力方面径向迷宫起到了一定作用。气体射入到轴向密封第一个空腔内，负压就迅速增加到-3093 Pa。在后续空腔的作用下，压力能继续转化为热能，各空腔负压为-3093、-3384、-3674、-3965 Pa。最终在射入第二缓冲区时，负压变化为-4256 Pa。第一缓冲区内除了产生涡旋处的速度基本都处于0 m/s的状态。在这一区域内速度为零，不能发生气体动能向压力能的转化，当气体流入到径向密封入口处时，其速度大小发生变化，增加到8 m/s。所以在径向密封腔内也会产生涡旋。气流继续流入下一空间，在轴向密封腔之间的间隙内气体的速度可达到31 m/s的高速度。在第二缓冲区，气体的速度又基本维持在0 m/s。在这一部分同理也没有能量转换。在第二轴向密封间隙处，气流速度又增大到28 m/s。同时，由仿真速度云图可知，在第一缓冲区内的速度基本维持在0 m/s左右，处于停滞状态，能量转化效率低。气体在径向密封的齿间间隙里的速度最高为6.9 m/s。气体依然在径向空腔内完成压力能、动能、热能的转换，压力能被消耗，压力降低。在轴向齿间隙里，气体可以加速到22 m/s的速度，并以这样的高速射入密封空腔，在空腔内出现强大的涡旋，气体能量转化为热能散发出来。

图7 输出端压力云图

图8 输出端速度云图

使用ANSYS软件下的ICEM、Fluent对建立出来的迷宫计算模型进行网格划分、数值模拟。最后模拟得出输入端和输出端空腔内的压力分布云图和速度分布云图，并以此来进行迷宫系统阻漏原理的研究和探讨。

3 齿轮箱齿高、空腔长度和齿宽参数对密封性能的影响

取轴向密封系统的单腔为研究对象，建立计算模型。模型如图9所示。边界条件选取为：入口处，将入口设置为压力入口，其压力值大小为141 855 Pa，温度为300 K；出口处，将出口设置为压力出口，其压力值大小为101 325 Pa。两侧壁面选定为不传热、不移动壁面。收敛标准为：求解器设置为耦合隐式求解器，残差收敛曲线小于10-3，并且入口质量流量与出口质量流量差不得大于1%时，认为求解收敛。

图9 密封单腔模型

固定密封系统单腔参数空腔长度L=3 mm,齿宽B=0.5 mm。取齿高H为0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 mm，进行数值模拟仿真分析，得到数据如图10所示。

图10 齿高参数对泄漏量的影响

现在选定齿高参数H=0.4 mm，齿宽参数B=0.5 mm，空腔长度L取为2.0、2.5、3.0、4.5、5.0 mm，经过模拟软件模拟计算，得到数据如图11所示。

图11 空腔长度对泄漏量的影响

建立密封系统双腔密封模型,如图12所示。

图12 密封双腔模型

现在选定齿高参数H=0.4，空腔长度参 数 L =0.3 mm，齿宽参数B取为0.2、0.5、0.7、1.0 mm，经过模拟软件模拟计算，得到数据如图13所示。

图13 齿宽参数对泄漏量的影响

4 结 论

以某型高速列车齿轮箱输入端和输出端的迷宫密封机构作为研究对象，首先在ANSYS软件的ICEM模块里建立密封系统计算模型，并使用ANSYS软件的Fluent模块中进行输出端与输入端的数值分析，得到输出端和输入端的速度云图和压力云图，并分析研究速度与压力云图。

以轴向迷宫密封空腔为研究对象，研究了齿高、空腔长度、齿高等参数对密封性能的影响，采用控制变量法研究，研究了三项参数对泄漏量的影响。