王庭楷 徐宏海

摘要： 為研究齒輪箱初始注油量、齒輪旋轉(zhuǎn)方向等因素對齒輪箱內(nèi)部潤滑油瞬態(tài)分布、壓力瞬態(tài)分布和各軸承進/回油孔潤滑油質(zhì)量流量的影響，基于齒輪箱內(nèi)部不可壓縮的氣液兩相流，采用STARCCM+軟件的重疊網(wǎng)格技術(shù)對高速動車組驅(qū)動齒輪箱內(nèi)部流場進行仿真。結(jié)果表明：當(dāng)大齒輪正轉(zhuǎn)時，受螺旋方向的影響，車輪側(cè)各軸承進油量大于電機側(cè)軸承進油量;當(dāng)大齒輪反轉(zhuǎn)時，各軸承進油量受螺旋方向的影響較小;隨著初始注油量增加，各軸承進油孔的質(zhì)量流量也增加;齒輪箱內(nèi)部流場達到穩(wěn)態(tài)時，內(nèi)部壓力總體上較為平均，僅嚙合區(qū)存在局部高壓區(qū)與負壓區(qū)。研究結(jié)果對齒輪箱潤滑流道結(jié)構(gòu)設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞： 齒輪箱;流場;注油量;氣液兩相流;瞬態(tài)分布;質(zhì)量流量

Abstract： To study the influence of initial oil injection and gear rotation direction and other factors on the transient distribution of oil

and pressure and the mass flow of lubricating oil in the filling and return holes of each bearing in the gearbox， based on the incompressible gasliquid twophase flow in the gearbox， the internal flow field of the drive gearbox in highspeed EMU is simulated using the overset grid technology of STARCCM+ software. The results show that： while the big gear rotates in the forward direction， the oil intake of the wheel side bearing is larger than that of the motor side bearing due to the helic direction of the large gear;while the big gear rotates in the reverse direction， the influence of the helic direction on the bearing oil intake is little;the mass flow rate of the bearing filling hole can be increased by increasing the initial oil injection;while the gearbox inside fluid field reaches steady state， the internal pressure is generally average， but there are high pressure areas and negative pressure areas in the local meshing area. The research results can guide the design of the lubrication channel structure of the gearbox.

Key words： gearbox;flow field;oil injection;gasliquid twophase flow;transient distribution;mass flow rate

0 引 言

高速動車組驅(qū)動齒輪箱是動力轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件之一，是影響行車安全性與穩(wěn)定性的重要部件。在齒輪箱高速運轉(zhuǎn)時，軸承與齒輪嚙合處產(chǎn)生大量熱量且壓力集中，極易造成高溫和壓力集中部位的點蝕、磨損等故障，影響齒輪箱的使用壽命和行車安全。[1]良好的油液潤滑能夠減少高壓高溫區(qū)域的產(chǎn)生，提高列車行駛的安全性。

國內(nèi)外學(xué)者對高速齒輪箱內(nèi)部流場的研究主要利用FLUENT軟件、Pumplinx軟件和有限體積法進行仿真。于寶義等[2]利用FLUENT分析不同初始油位和轉(zhuǎn)速時的流場，發(fā)現(xiàn)3倍齒高浸油深度可較好地發(fā)揮潤滑油作用，不會產(chǎn)生過多熱量，齒輪嚙入?yún)^(qū)形成局部高壓，齒輪嚙出區(qū)形成局部低壓，且轉(zhuǎn)速越高，高壓和低壓的絕對值越大。劉中令等[3]采用FLUENT的動網(wǎng)格技術(shù)和Profile技術(shù)對齒輪箱內(nèi)部油液潤滑進行仿真，利用油槽的緩沖或降低轉(zhuǎn)速保證齒輪箱與軸承的潤滑，但由于模型復(fù)雜且計算量大，需要對模型進行簡化，影響計算精度。一般采用油液飛濺方式對動車組齒輪箱進行潤滑[4]，行駛速度、齒輪正反轉(zhuǎn)、初始注油量等因素均影響潤滑效果[5]?；贔LUENT的動網(wǎng)格技術(shù)計算效率較低，多工況時計算量大。本文以某高速動車組驅(qū)動齒輪箱為研究對象，采用STARCCM+軟件的重疊網(wǎng)格技術(shù)，分析初始注油量、齒輪正反轉(zhuǎn)等因素對齒輪箱內(nèi)部油液瞬態(tài)分布、壓力瞬態(tài)分布和各軸承進油孔與回油孔質(zhì)量流量的影響。

1 齒輪箱模型和計算工況

以在線運行的350型高速動車組驅(qū)動齒輪箱為研究對象，列車保持350 km/h標(biāo)準(zhǔn)速度運行，分析初始注油量和齒輪正反轉(zhuǎn)對齒輪箱內(nèi)部流場的影響。

1.1 齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)和齒輪基本參數(shù)

齒輪箱內(nèi)部截面見圖1。該齒輪箱為單級斜齒輪傳動，內(nèi)部流體為氣液兩相流，初始狀態(tài)時齒輪上方為空氣、下方為潤滑油。[6]列車高速運行時，從動大齒輪高速旋轉(zhuǎn)，使?jié)櫥惋w濺，實現(xiàn)齒輪箱的潤滑和冷卻。

齒輪箱共有5個軸承，分別為輸出軸車輪側(cè)圓錐滾子軸承（編號1）、電機側(cè)圓錐滾子軸承（編號2）、高速軸電機側(cè)圓柱滾子軸承（編號3）、車輪側(cè)圓柱滾子軸承（編號4）和四點接觸球軸承（編號5）。

齒輪箱有4個進油孔和1個回油孔，其中軸承1、2、3各有1個進油孔（編號A、B、C），軸承4、5共用1個進油孔（編號D）和1個回油孔（編號E），見圖2。進入軸承1、2、3的潤滑油漫過軸承外圈后，經(jīng)滾動體之間空隙回到箱體內(nèi)。齒輪箱齒輪基本參數(shù)見表1，其中傳動比為大齒輪齒數(shù)與小齒輪齒數(shù)的比值。

齒輪嚙合處間隙較小，影響網(wǎng)格的生成和計算，因此一般采用增大間隙法解決該問題。在不改變齒輪基本參數(shù)的前提下，為保證仿真的可行性，將大、小齒輪同時縮小至原尺寸的96%。

1.2 計算工況

齒輪箱采用大齒輪攪油飛濺的潤滑方法，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)不變的情況下，初始注油量和齒輪正反轉(zhuǎn)這2個因素對潤滑效果影響較大。[7]參考動車組齒輪箱實際運行工況，列車保持350 km/h速度運行，仿真計算工況見表2。定義圖1中齒輪箱大齒輪逆時針旋轉(zhuǎn)為正轉(zhuǎn)，大齒輪順時針旋轉(zhuǎn)為反轉(zhuǎn)。

1.3 齒輪箱內(nèi)部流域的網(wǎng)格劃分

通過包面處理提取內(nèi)部流域，由于齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以增加選擇表面重構(gòu)模型。潤滑油黏度較大，因此在2個齒輪邊界處加密網(wǎng)格并增加選擇棱柱層網(wǎng)格模型。齒輪旋轉(zhuǎn)時需要進行信息交換，對網(wǎng)格要求較高，為在保證計算精度的同時更好地兼顧計算效率，對嚙合區(qū)網(wǎng)格進行局部加密處理，見圖3。齒輪箱整體網(wǎng)格模型見圖4，網(wǎng)格總數(shù)為1 527萬個。

2 STARCCM+軟件的計算設(shè)置

2.1 選擇計算模型

STARCCM+軟件可模擬多種流態(tài)和多種相流，其本質(zhì)是求解常規(guī)不可壓縮和可壓縮流體不同時刻的質(zhì)量、動量和能量守恒方程。[8]雷諾數(shù)式中：ρ、v和μ分別為流體的密度、流速和動力黏度;d為特征長度。當(dāng)Re≤2 300時，流體為層流狀態(tài);當(dāng)2 3004 000時，流體為湍流狀態(tài)。

在物理模型中選擇重力，導(dǎo)入模型后重力方向為-y方向，在初始條件中設(shè)重力為[0， -9.81， 0] m/s2。

2.2 重疊網(wǎng)格技術(shù)

利用STARCCM+軟件的重疊網(wǎng)格技術(shù)完成齒輪的攪油運動設(shè)置。與每一步需重新劃分網(wǎng)格的動網(wǎng)格技術(shù)相比，重疊網(wǎng)格技術(shù)可以節(jié)省大量時間，適用于邊界移動類問題。創(chuàng)建大、小齒輪的重疊網(wǎng)格區(qū)域及其與內(nèi)部流域?qū)?yīng)的界面，均設(shè)為重疊網(wǎng)格（零間隙）。

重疊網(wǎng)格區(qū)域需完全包裹對應(yīng)的齒輪，因為其只負責(zé)信息傳遞，所以可以略微超出內(nèi)部流域區(qū)域。包裹齒輪的面屬性設(shè)為重疊網(wǎng)格邊界，齒輪仍為壁面邊界，從而模擬齒輪的攪油運動。

2.3 旋轉(zhuǎn)運動和初始注油量設(shè)置

分別以大、小齒輪中心為原點建立2個子坐標(biāo)系，根據(jù)仿真工況設(shè)定大、小齒輪和重疊網(wǎng)格區(qū)域相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度和旋轉(zhuǎn)方向。利用場函數(shù)設(shè)置初始注油量，創(chuàng)建標(biāo)量場函數(shù)并設(shè)置液位高度。

3 齒輪箱內(nèi)部流場仿真結(jié)果

工況1、3分別為標(biāo)準(zhǔn)注油量時齒輪正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)仿真工況，

工況2為注油量較少時齒輪正轉(zhuǎn)仿真工況。

根據(jù)工況1、3仿真結(jié)果分析齒輪正反轉(zhuǎn)對齒輪箱內(nèi)部流場的影響，根據(jù)工況1、2仿真結(jié)果分析初始注油量對齒輪箱內(nèi)部流場的影響。

3.1 內(nèi)部流體速度場

以工況1為例，齒輪箱內(nèi)部流體速度場見圖5。2個齒輪齒圈位置流體的線速度均為64 m/s，分布較為均勻，與實際齒輪的線速度吻合。流體進入嚙合區(qū)時受到大、小齒輪輪齒的擠壓，局部壓力增大，導(dǎo)致潤滑油離開齒輪嚙合區(qū)時速度增大。

3.2 齒輪箱內(nèi)部潤滑油瞬態(tài)分布

工況1的齒輪箱內(nèi)部潤滑油瞬態(tài)分布見圖6。

大齒輪正轉(zhuǎn)時將大部分潤滑油甩到箱體內(nèi)壁上，通過擋油筋板使?jié)櫥瓦M入各軸承進油孔，實現(xiàn)軸承的潤滑;少量潤滑油被大齒輪的輪齒帶入嚙合區(qū)，實現(xiàn)大、小齒輪的潤滑。

3.3 軸承進油孔和回油孔

為分析穩(wěn)定狀態(tài)的齒輪箱潤滑油分布，計算大齒輪轉(zhuǎn)10圈的流場，STARCCM+用時7 d，F(xiàn)LUENT用時50 d。此時各軸承進/回油孔的潤滑油質(zhì)量流量基本穩(wěn)定，具體數(shù)值見表3。

回油孔E的質(zhì)量流量小于進油孔D的質(zhì)量流量，原因是回油孔E位于靜密封側(cè)，大部分潤滑油經(jīng)軸承4滾動體間的間隙回到箱體底部。

大齒輪正轉(zhuǎn)時，進油孔C和D的質(zhì)量流量分別高于進油孔B和A的質(zhì)量流量，反轉(zhuǎn)時相反。大齒輪正轉(zhuǎn)時將較多的潤滑油通過箱體內(nèi)壁帶入軸承3、4、5的集油槽內(nèi);反轉(zhuǎn)時大齒輪先把潤滑油帶進嚙合區(qū)，潤滑油受齒面阻力作用后下落。

大齒輪正轉(zhuǎn)時，進油孔A和D的質(zhì)量流量分別高于進油孔B和C的質(zhì)量流量，原因是大齒輪受螺旋方向的影響，甩向進油孔A、D側(cè)箱體內(nèi)壁的潤滑油較多;大齒輪反轉(zhuǎn)時，進油孔A與B、D與C的質(zhì)量流量分別相近，原因是大齒輪旋轉(zhuǎn)先將潤滑油帶入嚙合區(qū)，削弱齒輪受螺旋方向的影響。

大齒輪正轉(zhuǎn)時，隨注油量的增加，各進油孔的質(zhì)量流量增加，但高速運行時可能導(dǎo)致攪油發(fā)熱增加。

3.4 齒輪箱內(nèi)部壓力瞬態(tài)分布

工況1齒輪箱中間截面的瞬態(tài)壓力分布見圖7。齒輪箱內(nèi)部壓力總體比較平均，但在齒輪嚙合區(qū)產(chǎn)生局部高壓區(qū)和負壓區(qū)。大齒輪正轉(zhuǎn)時：齒輪嚙合點上方流體受阻導(dǎo)致壓力增大，形成高壓區(qū);嚙合點下方流體被甩出時容積增大導(dǎo)致壓力減小，形成負壓區(qū)。大齒輪反轉(zhuǎn)時，齒輪嚙合點上方為負壓區(qū)、下方為高壓區(qū)。

4 結(jié) 論

（1）利用STARCCM+軟件對齒輪箱進行流場分析，計算效率高，可實現(xiàn)齒輪箱內(nèi)部潤滑油流動情況可視化，監(jiān)測各進、回油孔的潤滑油質(zhì)量流量，為定量分析不同工況時齒輪和軸承參數(shù)對潤滑效果的影響奠定基礎(chǔ)。

（2）齒輪正反轉(zhuǎn)、齒輪螺旋方向、初始注油量等因素對各軸承進油孔的潤滑油質(zhì)量流量均有影響，流道結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)充分考慮這些因素。

（3）齒輪箱內(nèi)部壓力總體平穩(wěn)，但在嚙合區(qū)存在局部高壓區(qū)與負壓區(qū)，嚙入?yún)^(qū)為高壓區(qū)，嚙出區(qū)為負壓區(qū)。

參考文獻：

[1]

李軻. 鐵路客車熱軸故障的原因分析及改進措施[J]. 科技與創(chuàng)新， 2016（7）： 138. DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2016.07.138.