1、信息技术袁蒙蒙，等高速列车齿轮箱内部流场模拟研究基金项目:国家重点实验室自主课题项目(11172001385)第一作者简介:袁蒙蒙(1993)，男，河南商丘人，硕士研究生，研究方向为齿轮箱润滑密封分析。DOI:1019344/j cnki issn16715276202301026高速列车齿轮箱内部流场模拟研究袁蒙蒙1，张开林1，邵帅1，2，姚伟1，王道忠1(1 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031;2 中车株洲电力机车有限公司 大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室，湖南 株洲 412001)摘要:以高速列车齿轮箱为研究对象，对其运行过程中内部润滑油流场进行数
2、值模拟分析。利用 Pumplinx 软件采用 NG k 湍流模型和齿轮箱内部流场的 VOF 两相流模型齿轮箱进行数值仿真，同时对齿轮端面节点润滑油浓度进行监测，以获得准稳态下齿轮端面润滑油浓度和齿轮箱有效润滑油浓度变化规律。研究结果表明:在准稳态下，齿轮副转速增加，齿轮箱内有效润滑油浓度先升高后趋于稳定，驱动齿轮端面润滑油浓度增大，从动齿轮端面润滑油浓度减小;润滑油初始油量增加，齿轮箱内有效润滑油浓度近似线性增加，驱动和从动齿轮端面准稳态润滑油浓度逐渐增加。关键词:高速列车;齿轮箱;两相流;浸油深度;转速;内部流场中图分类号:TH1324文献标志码:A文章编号:1671-5276(2023)0
3、1-0110-03Simulation Study on Internal Flow Field in Gearbox Highspeed TrainYUAN Mengmeng1，ZHANG Kailin1，SHAO Shuai1，2，YAO Wei1，WANG Daozhong1(1 State Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China;2 The State Key Laboratory of Heavy Duty AC Drive Electric Locomot
4、ive Systems Integration，CC Zhuzhou Locomotive Co，Ltd，Zhuzhou 412001，China)Abstract:With the gearbox of highspped train as the reserch object，the numerical simulation of the internal lubricating oil flow fieldin operation was analyzed By Pumplinx software，NG k turbulent model and the VOF twophase flo
5、w model of the internal flowof the gearbox were applied to conduct numerical simulation，and the lubricating oil concentration of the key nodes was monitored toabtain the variation law of lubricating oil concentration of gear end face and effective field lubricating oil concentration of gearboxunder
6、quasisteady state The results show that under quasisteady state，with the increase of gear pair rotational speed，theeffective lubricating oil concentration in the gearbox increases first and then tends to be stable，and along with the increase of thelubricating oil concentration at the driving gear en
7、d，the lubricating oil concentration at the driven gear end decreases With theincrease of the initial lubricating oil，the effective lubricating oil concentration in the gearbox witnesses an approximate linear growth，and the quasisteady lubricating oil concentration of the driving and driven gear face
8、s increases graduallyKeywords:highspeed train;gearbox;twophase flow;immersion depth;rotational speed;flow flied0引言齿轮箱作为轨道交通车辆传动系统的核心部件，用于将电机输出的转速和转矩传递到轮对上，驱动列车行驶，它的性能直接决定轨道通车的动力性和安全性。齿轮箱高速运行时，齿轮副会快速旋转啮合，搅动箱体底部的润滑油，将润滑油飞溅润滑到齿轮啮合区和箱体内壁等区域，确保其润滑、冷却的需求;同时，聚集在箱体内表面的润滑油会形成油膜，提高散热性能。如果齿轮箱内部润滑不足，齿轮副由于摩擦产热量增
9、加，箱体的内部温度升高，进一步地加大零部件的摩擦生热，可能引起齿轮副齿面发生点蚀、胶合失效等故障，降低齿轮箱的使用可靠性。由于齿轮箱为封闭结构，内部介质流动不易观测，是复杂两相流问题。LEMFELD F 等1 基于动网格技术，采用“无齿法”将齿轮简化为圆盘结构，分析飞溅润滑时齿轮甩油过程，并探讨齿轮箱内部表面粗糙度对甩油强度的影响。张志彬等2 利用简化齿轮箱二维模 型，采 用FLUENT 软件模拟了腔内油气混合物实际运动情况。任崇会3、董春锋4、高超等5 利用 VOF 两相流模型，建立三维计算模型仿真分析齿轮箱内部润滑油瞬时飞溅轨迹及速度场、压力场分布规律。本文通过建立某型高速列车齿轮箱的三维
10、简化模型，采用 Pumplinx 软件对齿轮箱内部流场进行仿真。通过改变齿轮副的转速、润滑油初始油量等变量，获得齿轮箱的有效润滑油浓度与齿轮端面润滑油浓度的变化规律，为齿轮箱内部流场分析提供参考。011信息技术袁蒙蒙，等高速列车齿轮箱内部流场模拟研究1数学模型11基本方程齿轮箱内部为复杂两相流问题，在流动过程中任何介质都要满足流体运动的三大基本方程6，即连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程。1)连续性微分方程t+(U)=0(1)式中:为流体的密度;U 为流体的速度矢量;为拉普拉斯算子。2)NavierStokes 方程(黏性不可压缩流体动量守恒运动方程)Ut=f1p+v2U(2)式中:f 为
11、流体单位质量;p 为压力;v 为流体的运动黏度。3)能量守恒方程t(E)+U(E+p)=(hjJj)+Sh(3)式中:E 为流体内能;hj为组分 j 的焓;Jj为组分 j 的扩散流量;Sh为化学反应产生的热量。12湍流模型针对齿轮箱内部润滑油飞溅轨迹，考虑到齿轮旋转会改变箱体内部流场的复杂旋流情况，因此采用适合高应变率和流 线 弯 曲 程 度 大 的 NG k 模 型 较 为 合 适。NG k 模型中湍流能 k 和湍流能耗散率 方程如下7:(k)t+(ik)xi=xjeffkkxj()+Gk+GbYM+Sk(4)()t+(i)xi=xjeffkxj()+c1k(Gk+c3Gb)c22k+S(5
12、)式中:xi为笛卡儿坐标;i为速度分量;为密度;Gk为平均速度梯度产生的湍动能;Gb为浮力引起的湍动能;YM为可压缩湍流脉动扩张;Sk、S为源相;k、分别为 k、的 Prandtl 数;c1、c2、c3为常数;ueff为有效黏度。13两相流模型齿轮箱内部存在润滑油和空气两种介质，分析润滑油的瞬时分布规律，选用 VOF 两相流模型分析齿轮箱内部流场。VOF 模型求解的每一相都是独立处理，通过保证每一相的体积分数之和为 1 建立联合分析，求解连续方程追踪内部液体的界面。追踪的相界面对第 p 相流体的体积方程见式(6)8。pt+uipxi=0(6)式中:p为 p 相流体的体积分数;ui为速度矢量;x
13、i为位移矢量;t 为时间。在控制体中，第 p 相流体的体积分数规定为:p为 0时，表示 p 相流体在控制体中不存在;p为 1 时，表示 p 相流体充满控制体;p介于 0 和 1 之间，表示控制体中存在部分 p 相流体，所有流体容积分数总和为 1。2齿轮箱内部流场计算模型21结构模型针对齿轮箱三维模型进行适当简化处理，得到齿轮箱内部流场结构示意图(图 1)。为了监测齿轮副端面的瞬时润滑油油量，在驱动和从动齿轮端面设置监测点，齿轮端面润滑油浓度为各齿轮全部监测点的平均值，监测点位置示意图如图 2 所示。齿轮的主要结构参数如表 1 所示。图 1齿轮箱内部流场示意图图 2齿轮润滑油含量监测点表 1齿轮
14、副基本参数参数数值齿轮模数/mm6压力角/()20齿顶高系数1顶隙系数025齿宽/mm90大齿轮齿数91小齿轮齿数2622边界条件及物性参数齿轮箱的内部流场为空气和润滑油两相。空气设置为理想气体，动力黏度为 1853105Pas;润滑油选用Basf Emgard WA 75W90 润滑油，65 时润滑油黏度为 0036 9Pas，密度为 837kg/m3。将主动小齿轮设为顺时针转动，从动大齿轮旋转一圈的时间为 T。为了得到准稳定状态下的润滑油分布轨迹，消除启动瞬间的不稳定状态，本文选用从动大齿轮旋转 4 圈(4T)后的齿轮箱内部流场作为润滑油准稳态分布情况。3仿真结果分析31内部流体分布规律初
15、始状态下，润滑油在齿轮箱体底部，润滑油的初始油量取决于初始的油位高度，非润滑区域内充满空气111信息技术袁蒙蒙，等高速列车齿轮箱内部流场模拟研究(图 3(a);当齿轮箱正转启动时，从动大齿轮被驱动小齿轮带动开始快速旋转，搅起位于箱体底部的润滑油，在从动齿轮旋转 1 圈时，润滑油随齿轮旋转被带到箱体上部区域，部分润滑油会与空气混合，形成油气混合介质(图 3(b);齿轮副进一步旋转时，润滑油在齿轮啮合区域前被分成了两部分，一部分飞溅过驱动小齿轮，由驱动小齿轮和箱体壁面的间隙处流到齿轮箱下部区域，最终回到箱体的底部油池(图 3(c);另一部分少量的润滑油经过齿轮啮合区域时，由于受到挤压填满齿轮副间隙
16、，起到齿轮表面润滑与冷却作用(图 3(d);当齿轮箱稳定运行时，箱体内部的润滑油处于准稳态分布，箱体内部空间几乎充满了润滑油空气混合介质，此时，齿轮箱中的润滑油分布处于动态稳定状态(图 3(e);图 3(f)为准稳态润滑油分布截面图。齿轮箱内部有效润滑油浓度是指在齿轮箱体内不考虑箱体内表面局部润滑油集聚情况下，箱体内部近似均匀分布的油气混合物中润滑油所占体积分数，它影响箱体内部热源的产热和散热性能。图 3齿轮箱润滑油分布32齿轮端面准稳态润滑油浓度齿轮箱在准稳态运行时，齿轮副带动润滑油旋转运动，齿轮端面润滑油浓度决定了润滑的效果。图 4 为驱动和从动齿轮端面的润滑油浓度与旋转周期的关系曲线。从图 4 可知，初始状态时驱动齿轮端面无润滑油存在，随后驱动齿轮端面润滑油浓度随着齿轮副旋转先上升后逐渐趋于一定值，驱动齿轮端面准稳态润滑油浓度约为217%。初始状态时，从动齿轮端面润滑油浓度为最大，而后从动齿轮端面润滑油随着齿轮副的旋转震荡下降，逐渐趋于稳定，最终从动齿轮端面准稳态润滑油浓度约为 462%。图 4齿轮端面润滑油浓度与旋转周期关系曲线4不同因素对齿轮箱内部流场影响41转速齿轮箱润滑油