基于格子玻尔兹曼方法的重载机车齿轮箱内部压力场特性研究.pdf
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1、2023年 第47卷 第8期Journal of Mechanical Transmission基于格子玻尔兹曼方法的重载机车齿轮箱内部压力场特性研究周秋兵1 徐艳晖2 周子伟1 陈再刚1(1 西南交通大学 轨道交通运载系统全国重点实验室,四川 成都 610031)(2 中车大同电力机车有限公司 技术中心研究院,山西 大同 037038)摘要 为了研究压力场特性对重载机车齿轮箱润滑和密封的影响规律,基于计算流体动力学和格子玻尔兹曼方法,建立了考虑通气孔处密封结构的齿轮箱内部压力场仿真模型;通过仿真结果与试验数据对比分析,验证了仿真模型的正确性;基于该模型,研究了不同因素对齿轮箱内部压力场的影响
2、规律。结果表明,齿轮转速和转向对齿轮箱内部压力场影响较大,所有监测点处的压差均值或压力均值的绝对值与齿轮转速成正相关且非线性变化;齿轮转向会改变齿轮啮合区上侧和下侧两点的压差,其压差在齿轮正转时更大,齿轮转向对其他监测点的压力影响也较大;从动齿轮浸油深度和润滑油温度(动力黏度)对齿轮箱内部压力场影响较小。研究结果可为机车的运营维护和润滑油的合理配置提供理论依据。关键词 机车 齿轮箱 压力场 计算流体动力学 格子玻尔兹曼方法Study of Internal Pressure Field Characteristics in Gearboxes of a Heavy-haul Locomotiv
3、e Based on the Lattice Boltzmann MethodZhou Qiubing1 Xu Yanhui2 Zhou Ziwei1 Chen Zaigang1(1 State Key Laboratory of Rail Transit Vehicle System,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)(2 Research Institute of Technology Center,CRRC Datong Co.,Ltd.,Datong 037038,China)Abstract In order to
4、study the effect of pressure field characteristics on the lubrication and sealing of a heavy-haul locomotive gearbox,a simulation model of the gearbox internal pressure field is established by considering the sealing structure at the vent based on the computational fluid dynamics and the lattice Bol
5、tzmann method.Then the simulated results extracted at the vent are compared with the test data to verify the correctness of the simulation model.At last,the influence law of different factors on the gearbox internal pressure field is studied with this validated simulation model.The results show that
6、 the gear speed and gear steering have a great effect on the internal pressure field of the gearbox.The absolute values of the mean pressure difference or the mean values of the pressure at all the monitoring points are positively and nonlinearly correlated with the gear speed.The change of the gear
7、 steering will change the pressure difference between the upper and lower points of the gear meshing area.The pressure difference is larger when the gear rotates forward,and the gear steering also has a great impact on the pressure of other monitoring points.However,the immersion depth of the driven
8、 gear and the lubricating oil temperature(dynamic viscosity)have little effect on the gearbox internal pressure field.It can provide a theoretical basis for the operation and maintenance of the locomotive and the rational allocation of the lubricating oil.Key words Locomotive Gearbox Pressure field
9、Computational fluid dynamics Lattice Boltzmann method文章编号:1004-2539(2023)08-0001-08DOI:10.16578/j.issn.1004.2539.2023.08.0011第47卷0 引言某HX型电力机车是一种技术引进的国产化改进车型,其齿轮箱内部采用飞溅润滑,通过润滑油润滑传动齿轮及传动轴承,从而确保齿轮传动油润滑部件的服役寿命。由于箱体处于密封运行状态中,受环境温度变化和齿轮啮合生热的影响,齿轮箱内部气体因热胀冷缩而使压力产生变化,与外部失去平衡,如果齿轮箱密封不良,易导致齿轮润滑油外渗;而通气孔与外界大气连通,
10、会致使外部空气进入齿轮箱,若外部空气含有颗粒杂质或较高水分,将加速润滑油劣化变质,影响润滑效果和齿轮传动系统油润滑部件的寿命。齿轮在箱体内高速旋转,使箱体内的空气压力分布不均匀1。而这种不均匀与齿轮转速、齿轮转向、齿轮螺旋角、齿轮个数、箱体内部形状和齿轮与箱体间的距离等因素均有较大关系。因此,有必要研究不同影响因素下重载机车齿轮箱内部压力场的动态变化规律。目前,国内外基于计算流体动力学理论开展了较多关于齿轮箱内流场的研究。例如,张龙等2针对HXD2型新八轴电力机车在段运用过程中齿轮箱渗漏油现象进行分析研究,发现了引起齿轮箱渗漏油的主要原因;在明确影响因素并进行改进后,齿轮箱的渗漏油现象得到明显
11、改善。Gorla等3-9应用动网格技术对齿轮泵或齿轮箱内部流场进行了动态数值模拟,结果表明,该技术可以较好地对齿轮箱中的油液分布、速度场和压力场进行仿真。杨忠坤等10-12以高速列车齿轮箱为研究对象,针对其运行过程中复杂的内部流场进行仿真分析,揭示了齿轮箱正常工作时内部流体的分布及变化规律,研究结果表明,齿轮箱内部压强随着运行速度增大而增大;齿轮啮合区附近压力变化较大,在啮入区域形成局部高压,在啮出区域形成局部低压;随着转速的提高,高压和低压绝对值呈增大趋势,但不遵循线性关系。刘中令等13-14以机车齿轮箱为研究对象,对齿轮箱油浴润滑的内部流场进行了动态数值模拟,研究了齿轮箱内温度、压力及速度
12、变化规律,结果表明,齿轮箱内压力最大值随列车运行速度的增大而增大,但不呈线性关系。高超等15利用PumpLinx软件,对高速动车组驱动齿轮箱内部流场进行数值分析,并对关键节点压力进行监测,对比分析不同齿轮参数对箱体内部流场的影响;虽对通气孔处压力进行了仿真分析,但其模型没有考虑通气孔处的密封结构。卢凯文等16基于计算流体力学理论,利用PumpLinx软件建立了流场模拟试验平台的三维数值分析模型,通过试验和仿真对比,验证了三维数值分析模型的可靠性,分析了上坡、下坡和转弯对齿轮箱内压力场分布的影响。以上研究多采用有限体积法分析齿轮箱内流体分布和压力场分布,具有较高的适用性和准确性,但模型较为复杂时
13、计算效率不能得到保证,对于复杂模型的研究不占优势。采用传统的有限体积法仿真建模时,改变齿轮中心距使得齿轮副不能完全啮合,仿真结果有一定误差。而粒子法和格子玻尔兹曼法是近年来发展起来的计算流体动力学算法,在基本理论、基本模型和应用等各方面都有所发展。其中,格子玻尔兹曼方法不受网格扭曲畸变的影响,计算效率较高,可以较好地对齿轮箱内部流场的流动及传动特性进行分析。谢迟新等17基于充分的调研与大量的前期计算分析,利用移动粒子半隐式法对轨道车辆用二级传动齿轮箱的飞溅润滑特性进行了研究,分析了不同输入轴转速、初始润滑油油量和环境温度下齿轮箱内部润滑油的流场特性,实现了齿轮箱飞溅润滑的可视化计算。苏博等18
14、采用格子玻尔兹曼方法,利用 Xflow 软件对离心泵内部流场进行了数值模拟。Succi等19指出,目前对格子玻尔兹曼方法的研究大多基于连续介质玻尔兹曼方程的单弛豫时间近似;并对这种方法成功的原因提出了一些思考,讨论了流体湍流动力学建模新的发展方向。与有限体积法相比,格子玻尔兹曼法对于齿轮箱内流场仿真最直接的优势体现在能使齿轮达到啮合状态,仿真模拟更接近于实际情况。综上所述,在以往的齿轮箱压力场仿真中,采用有限体积法将主、从动齿轮拉开一定间隙划分网格,并且未考虑通气孔处的密封结构,与实际情况有所差异。因此,本文基于格子玻尔兹曼方法,考虑通气孔处的密封结构,对飞溅润滑的重载机车齿轮箱两相流进行仿真
15、与分析,研究了从动齿轮浸油深度、润滑油温度(动力黏度)、齿轮转速和齿轮转向等因素对齿轮箱内部压力场的影响规律。1 齿轮箱内部流场计算模型及数值仿真分析理论根据机车齿轮箱的具体结构和齿轮箱内部流场特点,建立了主要由齿轮箱箱体、主从动轴、主从动齿轮及密封元件等组成的机车齿轮箱三维内部流场2第8期周秋兵,等:基于格子玻尔兹曼方法的重载机车齿轮箱内部压力场特性研究计算模型。该型机车齿轮箱主要由齿轮箱箱体,主、从动轴,主、从动齿轮及密封元件等组成。在实际仿真分析时不可能对每一个结构细节进行考虑,需要对模型做适当简化处理,简化后的模型应能够确保计算结果准确并且提高计算效率。主、从动齿轮及润滑油在箱体和轴之
16、间形成的相对密封空间内工作,模型可以省略轴的结构。因此,可以将模型简化为一对齿轮在封闭箱体内运动的结构。而齿轮箱中从动齿轮车轮侧的通气孔、密封环与密封盖之间的间隙与外界连通,因此,保留通气孔处的密封结构。本文仿真模型的建立基于的假设为:主动齿轮和从动齿轮转速恒定不变;不考虑齿轮箱内生热产生的温度变化,考虑为等温模型;齿轮箱内部润滑油和空气质量守恒;不考虑齿轮壁面和箱体内壁的粗糙度;不考虑外部走行风的影响。从动齿轮车轮侧齿轮箱密封结构截面如图 1所示。为了解齿轮箱内压力场的变化情况,需要在齿轮箱内部关键位置设置压力监测点,来观察其压力的变化规律。具体压力监测点设置情况如下:1)齿轮啮入处会产生高
17、压区,而齿轮啮出处会产生低压区。随着齿轮转速的增大,当油液的压力低于空气分离压时,油液中的空气析出;当油液的压力降低到油液饱和蒸气压时,啮出处的油液便会从液态变为气态,产生气泡,发生空化现象,空化致使材料剥蚀,机械效率降低,加剧振动和噪声等20。因此,需要在齿轮啮入处和啮出处设置监测点。2)齿轮箱底部油池中油液由于齿轮搅动流动紊乱,油液压力也会变化,且从动齿轮距箱体的最近距离仅有4 mm,油液流动间隙小,与齿轮啮入和啮出处相似,易产生局部压差。因此,需要在油池底部左侧和底部右侧设置监测点。3)油窗、注油口、右上侧盖板、观察孔以及齿轮箱与外界的连通处通气孔可能会因为齿轮箱内与外界形成压差而发生油
18、液泄漏或外界粉尘、水滴进入箱体内等现象。因此,需要在这5处设置监测点。本文研究的齿轮箱内流域及9个压力监测点分布如图2所示,其主、从动齿轮相关参数如表1所示。流体流动的研究方法主要有两种:一种是基于宏观层次的连续介质方法,最终导出了Navier-Stokes方程;另一种则是基于微观层次的统计力学方法,即有Boltzmann方程211-10。格子玻尔兹曼方法是一种介观方法,这种方法的详细理论介绍见文献2110-33。2 典型运行工况及相关设置根据机车运行条件,为分析齿轮箱内部压力场的变化规律,共设置12种分析工况,如表2所示。1)齿轮转向设置。如图2所示,正转时小齿轮(主动齿轮)逆时针旋转,大齿
19、轮(从动齿轮)顺时针旋转;反转时小齿轮顺时针旋转,大齿轮逆时针旋转。2)齿轮转速设置。机车在运行速度为20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h时对应的从动齿轮转速分别为 88 r/min、177 r/min、265 r/min、354 r/min、442 r/min,根据传动比计算出主动齿轮转速,分别施加给主、从动齿轮。3)浸油深度设置。机车齿轮箱油位应处于油窗的上下刻线之间(约18 L),中间油位时从动齿轮浸图1从动齿轮车轮侧齿轮箱密封结构截面图Fig.1Sectional diagram of gearbox sealing structure at
20、 the wheel side of the driven gear图2齿轮箱内流域及压力监测点分布Fig.2Fluid domain and pressure monitoring point distribution in the gearbox表1齿轮基本设计参数Tab.1Basic design parameters of gears名称数值齿数23/120模数/mm8压力角/()20中心距/mm576主动齿轮齿宽/mm174从动齿轮齿宽/mm1363第47卷油深度为3.3倍齿高,最低油位时浸油深度为2.8倍齿高,最高油位时浸油深度为3.8倍齿高。4)润滑油温度(动力黏度)设置。机车齿
21、轮箱使用的润滑油型号为 75W-90,其密度随温度改变不大。因此,采用15 时的密度859 kg/m3;而黏度作为润滑油主要的性能参数指标,它会随温度的变化而变化。根据中国润滑油网提供的不同温度下润滑油运动黏度计算器,由40 和100 的润滑油运动黏度导出其他温度条件下的润滑油运动黏度。润滑油的动力黏度计算式为220=00(1)式中,0为动力黏度;0为运动黏度;0为润滑油密度。计算出的各温度下的润滑油动力黏度如表 3所示。设置工作环境下的参考压力为0 atm(在1个标准大气压下),高于1个标准大气压时压力为正值,低于1个标准大气压时压力为负值。将通气孔、密封环与密封盖之间的间隙均设置为压力出口
22、,压力与外界环境大气压相同。3 齿轮箱内部压力场试验验证及结果分析3.1网格无关性分析及跑合试验验证网格数量直接影响计算精度和计算量大小,进行网格无关性分析能够在有效减小计算量的情况下获得较高的计算精度。不同格子尺寸下通气孔处压力均值对比如表4所示。随着格子的加密,通气孔处压力均值不断变化。格子每细化1 mm,格子数量逐渐变大,计算量逐渐增加。当格子尺寸从7 mm依次变到4.5 mm时,通气孔处压力均值依次为-85.1 Pa、-67.9 Pa、-59.9 Pa、-57.8 Pa,变化量依次为 20.2%、11.8%及 3.5%。当格子尺寸从5 mm变为4.5 mm时,格子数量增加了37%,通气
23、孔处压力均值误差仅为3.5%。为了在保证计算精度的情况下有效减小计算量,选用格子尺寸为5 mm进行分析。某试验检测中心通过对该机车齿轮箱进行厂内压力动态测试试验,在通气孔安装压力传感器,获取通气孔处压力动态变化结果,测试数据采样间隔为5 min。为清晰体现压力随机车运行速度变化的情况,按速度梯度选取4种机车运行速度下(考虑齿轮正、反转)通气孔处压力数据进行展示,试验值如表5所示。由表5可知,正、反转试验通气孔处压力均低于标准大气压,当时速变化时,通气孔处压力有所变化,但随时速变化的敏感性较低,通气孔处压力相对于标准大气压波动范围为-0.10-0.08 kPa。在与试验机车运行速度相同、浸油深度
24、为3.3倍齿高、润滑油温度为40 的工况下对齿轮箱内压力场进行仿真分析,对仿真结果取压力均值,仿真值如表 5所示。由表5可知,试验和仿真测得的通气孔处压力相对于标准大气压均为负值,最大相对误差不超过表375W-90润滑油各温度下的动力黏度Tab.3Dynamic viscosity of 75W-90 lubricating oil at various temperatures工作温度/020406080润滑油动力黏度/(Pas)0.863 724 50.237 426 80.088 219 30.040 676 40.021 952 4表4不同格子尺寸下通气孔处压力均值对比Tab.4Com
25、parison of mean pressure at the vent under different grid sizes格子尺寸/mm7654.5格子数量609 543956 3951 669 6342 287 514格子数量变化率/%56.974.637.0通气孔处压力均值/Pa-85.1-67.9-59.9-57.8压力均值变化/%20.211.83.5表2分析工况设置Tab.2 Setting of analysis conditions工况工况1工况2工况3工况4工况5工况6工况7工况8工况9工况10工况11工况12机车运行速度/(km/h)20406080808080(齿轮正转
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