高速列車齒輪箱新型密封結構流體動力學分析

林佳旭 李寶良

(1.哈爾濱地鐵集團有限公司 黑龍江哈爾濱 150000；2.大連交通大學機械工程學院 大連遼寧 116028)

高速列車齒輪箱經常在嚴寒、高溫、潮濕等惡劣工況下運行，其密封的可靠性與高速列車運行的穩定性息息相關[1]。列車齒輪箱密封通常采用O形圈接觸式密封和非接觸式迷宮密封相結合的方式[2]。但當列車高速通過隧道、橋洞等類似空間時，在活塞風的作用，齒輪箱內部氣壓大于外部氣壓，出現齒輪箱內部潤滑油泄漏的現象。

研究人員對各種密封進行了較為深入的研究。楊博峰等[3]對深冷泵軸端密封結構型式進行了探討，對齒輪箱采用填料密封、迷宮密封、機械密封3種密封形式的優缺點進行了詳細闡述。張亞琴[4]針對高速列車齒輪箱的圓形、菱形、方形迷宮密封，分析了結構參數對密封性能的影響。張奎全等[5]對CRH380D 型動車組軸端密封結構進行了優化研究。李鳳成等[6]對機械密封軸周向失效機制進行了詳細的分析研究。 楊書棋[7]提出一種雙層軸端密封結構以提升齒輪箱密封效果。劉偉[8]設計了一種新型減速箱軸端密封結構，在日常探傷工作中無需拆卸軸承端蓋，降低了對密封零件的損耗，從而提高了密封結構的壽命。但針對因壓差導致的潤滑油泄漏問題，上述研究很少涉及。

本文作者針對上述因壓差導致的潤滑油泄漏問題，結合葉片式油氣混輸泵結構原理，提出了一種在軸承端蓋內部繞軸同步轉動的新型密封結構，同時結合流道模型的流體力學分析結果，對密封結構設計參數進行了優化，得到相對最優密封結構設計參數。

1 新型密封結構及模型建立

1.1 減速機新型復合密封的設計

參考葉片式油氣混輸泵中葉片組結構形式，在軸承端蓋與軸承間設置一組繞軸同步轉動的葉輪組結構，葉輪組攪動軸承端蓋內部空氣形成高壓區，阻止齒輪箱內部潤滑油泄漏。葉輪組中各葉輪結構如圖1所示。

圖1 各葉輪結構Fig 1 Impeller structure (a) impeller 1,3;(b) impelluer 2

設計的葉輪組密封將配合軸承端蓋的迷宮密封工作，改善齒輪箱軸端出現潤滑油漏油現象[9]，密封結構具體裝配情況如圖2所示。

圖2 密封結構裝配圖Fig 2 Assembly drawing of sealing structure

1.2 模型建立及網格生成

通過Creo軟件對密封結構中的葉輪結構進行建模，分別建立直徑與軸承端蓋內徑相等、長度為葉輪厚度的圓柱體；建立裝配體文件，導入葉輪和圓柱體，將兩零件進行同心及面重合裝配；通過零件操作中的布爾運算，從圓柱體中去除圓柱體與葉輪相交部分以及與軸相交部分，得到各葉輪對應流道模型。其中葉輪2的流道模型建立過程如圖3所示。

圖3 流道模型建立Fig 3 Establishment of runner model

流體力學分析過程中網格劃分是關鍵步驟，網格劃分質量對分析結果具有重要影響[10]。將流道模型自左向右分為入口區域、葉輪1、葉輪2、葉輪3、出口區域5部分。為便于區分、計算流道各重要平面平均壓力，特在流道入口命名為in平面；在流道出口命名為out平面；葉輪1左側平面命名為a平面，右側為b平面；葉輪3左側平面命名為c平面，右側為d平面。文中分析采用ANSYS Workbench自帶的四面體網格Patch Conforming 劃分方法，基于TGRID Tetra算法由表面網格生成體網格。流道入口及出口區域劃分網格大小為6 mm，各葉輪劃分網格大小為3 mm，流道出入口與葉輪接觸部分網格進行細化，最小網格尺寸為0.18 mm。為保證流體流動充分發展，增加分析結果準確性，已適當延長出入口流道模型[11]。流道模型命名及網格劃分情況如圖4所示。

圖4 流道平面命名及網格劃分Fig 4 Naming and meshing of runner plane

2 控制方程

密封結構流道模型的轉速為1 500 r/min，齒輪箱內部壓力為10 Pa，外部壓力為0。對于密封腔內不可壓縮流體的恒定流動,根據Boussinesq渦黏性假設,連續性方程和動量方程、k方程、ε方程寫成如下通用形式:

(1)

式中:φ為通用變量，可以代表u、v、w等求解變量；Γ為廣義擴散系數；S為廣義源項。

式(1)中各項依次為瞬態項、對流項、擴散項和源項[12]。

3 密封性能主要影響因素

3.1 葉輪組旋轉方向

根據新型密封裝機實際運行情況，齒輪箱雙向轉動過程中新型密封結構均滿足密封性能要求。密封結構中的葉輪1、2、3均采用沿葉片中性面左右對稱結構，經多組流體力學分析可知，葉輪組正反方向轉動各面平均壓力及各葉輪左右界面壓差基本相同，該密封結構可滿足隨軸雙向轉動密封要求。

3.2 葉輪組葉片厚度

當葉輪2厚度取9 mm時，同時調整葉輪1、3的厚度，分析葉片1、3兩側壓差平均值變化情況，結果如圖5所示。流體分析時壓差均值計算公式為

(2)

式中：pa為葉輪1左側平面(平面a)平均壓力；pb為葉輪1右側平面(平面b)平均壓力；pc為葉輪3左側平面(平面c)平均壓力；pd為葉輪3右側平面(平面d)平均壓力。

從圖5中葉片厚度與平均壓差關系可知，隨著葉片厚度不斷增加，葉片1、3兩側壓差平均值總體趨勢不斷增大。這是因為當葉輪2兩側的葉輪1、3厚度增加時，油氣混合流體在葉輪1、3的流道中流過的通道更長，流體通過流道阻力增加，轉速不變的情況下葉輪1、3兩側出入口壓差更大，故葉片2兩側的平均壓差更大，密封結構的密封效果更好。在滿足密封性能要求的前提下，密封結構尺寸應盡可能小以節約空間，因此葉片1、3厚度取值為16 mm較好。

圖5 葉片厚度與平均壓差關系Fig 5 Relationship between blade thicknessand average pressure difference

3.3 葉輪裝配方向

探究在葉輪組中葉輪1、3裝配方向對齒輪箱密封性能的影響時，由于葉輪雙向旋轉故僅考慮如圖6所示的A、B、C 3種裝配形式，分別對流道模型進行動力學仿真分析。葉輪1、3兩側平均壓力變化情況如表1所示。

圖6 各葉輪裝配形式Fig 6 Assembly form of each impeller (a)form A;(b)form B;(c)form C

表1 葉輪組各裝配形式流體分析結果Table 1 Fluid analysis results of various assembly forms of impeller group

從表1中流體分析結果可以看出,當葉輪組中葉片1、3采取裝配形式C時，此時在葉輪組中部相對于葉輪組兩側形成的相對平均壓差最大，密封效果最好。

3.4 葉輪組葉片傾斜角度

在探究葉片沿軸線傾斜角度對密封性能的影響過程中，由于葉片沿中性面左右對稱且由于空間原因葉片角度最多為22°，故文中僅討論葉片沿軸線傾斜角度在0°～22°范圍內葉輪兩側平均壓力變化情況。同時改變葉輪1、3葉片角度，根據流體分析結果探究葉片角度與葉輪1兩側平面平均壓差、葉輪3兩側平面平均壓差以及葉輪1、3兩側壓差的平均值的關系，結果如圖7所示。葉片重點角度的各面平均壓力見表2。

圖7 葉片傾斜角度與各葉輪壓差關系Fig 7 Relationship between blade inclination angleand impeller pressure difference

從圖7可以看出，在葉片傾角0°～20°范圍內葉輪壓差均值隨葉片傾角增大呈波動上升趨勢，當葉片傾斜角度為3°和20°時葉輪兩側壓差會顯著增大。其中葉片傾角為20°時葉輪兩側壓差達到最大值，當葉片傾角大于20°后葉片兩側壓差均值開始下降。

從圖7及表2中流體分析結果可以看出，當葉輪的葉片角度取20°時，葉輪1和葉輪3兩側平面的平均壓力差值均大于其他葉片角度；葉輪1右側平均壓力大于左側26.3 Pa，葉輪3左側平均壓力大于右側19.63 Pa，兩側葉輪均壓差約23 Pa，可實現提高密封效果的要求。

4 流體分析結果

4.1 葉輪組流道壓力分布情況

葉片角度為20°時，葉輪組中各葉輪流體分析得到的壓力分布如圖8所示。

圖8 葉輪組流道壓力分布(Pa)Fig 8 Pressure distribution of impeller group(Pa)

從圖8可以看出，葉輪1和葉輪3相對于葉輪2最大壓力更大，在葉輪外緣區域的壓力比靠近齒輪軸區域壓力更大。主要平面壓力分布情況如圖9所示。可以明顯地看出，葉輪1靠近葉輪2的b表面壓力要明顯大于其他表面，綜合葉輪組壓力分布及主要表面的壓力分布情況，可以看出葉輪組流道模型在b表面附近區域能形成高壓區，b表面平均壓力高于葉輪組兩側表面平均壓力約23 Pa，可有效地阻止齒輪箱內部的油氣漏出。葉輪流道最外側的流道由于翼型長度較大，對油氣做功大，此處的壓力較大。在靠近傳動軸部分區域壓力明顯較低，可能發生氣蝕現象[13]。

圖9 葉輪組流道主要平面壓力分布Fig 9 Main plane pressure distribution of impeller group channel(a) face a；(b) face b；(c) face c；(d) face d；

4.2 流道模型速度分布

葉輪角度為20°時，流體分析得到的流道模型中葉輪1、2、3速度分布如圖10所示。可以看出，葉輪2的外邊緣處的流體速度要明顯高于其他部分的流體速度，葉輪1、3葉片頂部流速較大，此處的翼型長度大，對油氣做的功要大一些。流道中的速度分布沒有出現明顯的斷流、渦流現象，表明葉輪葉片設計及裝配較為合理[14]。

圖10 葉輪流道速度分布Fig 10 Velocity distribution of impeller passage (a) impeller 1; (b) impeller 2;(c) impeller 3

5 結論

(1)新型密封結構流道的流體力學分析表明，當流道模型初始入口壓力為10 Pa，出口壓力為0時，在葉輪組隨軸同步雙向轉動過程中，均會在靠近葉輪組中部葉輪2區域形成相對于兩側的高壓區，葉輪1右側平均壓力大于左側26.3 Pa，葉輪3左側平均壓力大于右側19.63 Pa，配合軸承端蓋處的迷宮密封結構，可有效改善齒輪箱內部因內外壓差導致油氣泄漏問題，增強齒輪箱密封性能。

(2)葉輪流道中的速度分布沒有出現明顯的斷流、渦流現象，表明葉輪葉片設計及裝配較為合理。

(3)文中設計的密封結構中葉輪1、3的結構相同，可進一步對葉輪1和葉輪3結構分別進行調整，調整葉片形狀，研究其對齒輪箱密封性能的影響。