高速列车齿轮箱内部流场数值分析

高速列车齿轮箱内部流场数值分析胡袁;徐宏海;魏领会;周传超【摘要】For the gearbox of the high-speed train, this research established a theoretical calculation model of gearbox internal flow field. The fluid simulation software FLUENT is used in the numerical simulation of theoretical model in order to obtain variation regularity of the gearbox internal flow field; three-dimension model of the gearbox internal flow field is built with DM module in ANSYS. The simulation of gear rotation in gearbox is performed by loading UDF (User Defined Functions); dynamic mesh technology, standard turbulent model, standard wall functions and volume of fluid two phase model are applied in the simulation of one mode gearbox internal flow field. The result shows that when the gear teeth are in the engagement moment, the fluid inside the box is squeezed, which makes the pressure increasing, and from the moment of engagement, when the volume near the gear teeth increases, the pressure drops suddenly and then negative pressure appears; the velocity of oil-air mixture in gear meshing area is the highest, the combination of gear rotation and gravity has lead the lubricating oil slide into the flow channel to lubricate the gear.%针对某型髙速列车齿轮箱,建立其内部流场的理论计算模型,为获得齿轮箱内部流场的变化规律,利用流体仿真软件FLUENT对理论模型数值求解,在ANSYS的DM模块中建立齿轮箱内部流域的三维模型,通过加载UDF实现对齿轮转动的模拟,采用动网格、标准湍流仿真模型以及标准壁面函数法和VOF 两相流模型对某工况齿轮箱内部流体流动进行仿真分析.结果表明:齿轮轮齿进入啮合瞬时,挤压箱内流体,使得压力增大;脱离啮合瞬时,齿轮轮齿附近容积增大,压力骤降出现负压;齿轮啮合处箱体内部流体瞬时流速最高;润滑油可以在齿轮搅油和重力作用下,进人流道对齿轮轴承进行润滑.【期刊名称】《北方工业大学学报》【年(卷),期】2018(030)002【总页数】6页(P45-50)【关键词】高速列车;齿轮箱;流场;FLUENT;动网格【作者】胡袁;徐宏海;魏领会;周传超【作者单位】北方工业大学机械与材料工程学院,100144,北京;北方工业大学机械与材料工程学院,100144,北京;北方工业大学机械与材料工程学院,100144,北京;北方工业大学机械与材料工程学院,100144,北京【正文语种】中文【中图分类】TH132高速列车是系统工程，列车传动系统是其重要组成部分，齿轮箱是传动系统的关键部件.高速列车作为交通工具，安全平稳运行是其重要考量标准.随着列车的发展，行车速度大幅提升，在列车高速运行情况下齿轮箱内温度场平衡温度升高，尤其轴承在高温状态下若没有得到充分润滑降温将直接影响运行安全.本文针对齿轮箱内部流场的分析对润滑流道的结构设计和改进，提高轴承及齿轮润滑效果具有重要意义.国内关于齿轮箱内部流场分析的研究较少.任崇会等人采用FLUENT软件对齿轮箱内部流场进行了模拟分析[1],但未给出用户自定义函数(User Defined Functions,简称UDF)的具体编写内容；董春锋等人运用FLUENT动网格和两相流技术对齿轮箱油浴润滑两相流体流动状态进行仿真与分析[2]，但其对整体仿真内容描述并不系统、具体.国外虽然研究起步较早，但关键技术文献尚未公开，文献集中在对于齿轮泵内部流场的研究，如Guillaume等人针对齿轮泵二维内部流场模型提出了内部流场分析[3]，并且对齿轮泵振动的产生原因进行了研究；Vernet等人为了提高齿轮泵整体性能，采用试验法对齿轮泵内部复杂流场进行分析.[4]关于流场数值模拟计算，目前运用较为广泛的有FLUENT、CFX和Pumplinx.马桂超等人采用CFX计算混流泵内部流场，但在计算结果中未能给出泵内流体的分布，而对于齿轮箱、齿轮泵而言，内部流体分布是内部流体仿真计算的重要分析结果之一，因为齿轮箱关系到润滑流道的分布设计，齿轮泵则关系到流量的监测．[5]杨忠坤等人采用Pumplinx对齿轮箱流场进行了仿真计算，从处理结果可得，相较Pumplinx，FLUENT的后处理更为丰富、完善.综上，采用FLUENT对齿轮箱内部流场进行数值仿真计算能够获得较为全面的结果．[6]本文采用FLUENT软件对齿轮箱内部流场的理论计算模型进行数值求解，以研究齿轮箱内部流场的变化规律.在ANSYS的DM模块中建立齿轮箱内部流域的三维模型，通过加载UDF(User Defined Functions)实现齿轮箱中齿轮的转动，运用动网格方法、VOF两相流模型(Volume of Fluid Model)、k-ε湍流模型和标准壁面函数法对某型齿轮箱的内部流体流动进行模拟，研究结果为改进齿轮箱流道结构，提升轴承及齿轮润滑效果提供理论指导.1 数学模型建立1.1 流动控制方程齿轮箱内部润滑油和空气流动形成的流体近似为黏性流体，流动中符合质量守恒定律和动量守恒定律，内部流体流动假设为不可压缩流体流动，在分析中不考虑温度对内部流场的影响，具体见控制方程(1)和控制方程(2)．[7]连续性方程：·V=0(1)流体的运动方程：(2)式中：ρ为密度，t为时间，u为速度分量，p为压力，μ为分子粘性系数.1.2 动网格模型为了达到预期的仿真效果，尽量还原齿轮箱内部流场的真实情况，则必须采用动网格，动网格的理论计算方程如式(3)所示．[8](3)式中：φ为通用变量；Vs为控制体积；Ls为控制体积的边界；u为流体时均速度；ug为动网格边界移动速度；Γ为扩散系数；n为表面Ls上方向朝外的法向向量；qφ为源项.在网格更新过程中为了保证网格质量，采用扩散光顺和网格重构的联合光顺方法，可以防止网格畸变率过大，同时可以避免网格尺寸变化过于剧烈.在扩散光顺中，网格更新通过求解扩散方程得到，扩散方程如式(4)所示．[9] ·(γ(4)式中：为网格运动速度，γ为扩散系数网格重构光顺方法是将网格畸变率大于标定值的网格或尺寸变化过大的网格集中在一起，运用内部网格生成算法得出较高质量的网格替换原网格，如果新产生的网格无法达到要求，则会放弃新划分的网格结果.两种扩散方法均存在优缺点，采用联合光顺方法可以达到优势互补.1.3 湍流模型考虑湍流后，瞬时速度分解为平均速度与脉动速度之和，使动量守恒方程中多出雷诺应力梯度项，动量守恒方程组因此不封闭而无法求解，为了能够解出动量守恒方程组，在理论基础上，根据经验公式得出湍流模型模拟雷诺应力梯度项，使得方程组得到数值解.目前应用广泛的湍流模型为k-ε湍流模型，此模型适合高雷诺数的湍流区域，在靠近壁面流速较慢的区域采用壁面函数法.本文采用标准k-ε湍流模型和标准壁面函数法模拟齿轮箱内部湍流，此模型组合计算量适中，有较多的数据积累且精度较高.其中标准k-ε湍流模型控制方程见公式(5)和公式(6)．[10]Gk+Gb-ρ ε-YM(5)(6)式中：Gk为平均速度梯度产生的湍动能，Gb为由于浮力影响引起的湍动能产生项，YM为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响.湍流粘性系数μt计算公式如式(7)所示：(7)式中经验常数选取：C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09，Cμ=0.09，湍动能和耗散率普朗特数分别为σk=1.0,σε=1.3.1.4 两相流模型仿真计算中采用VOF两相流分析模型，VOF方法的关键之处在于引入相函数F描述相界面.相函数表述为液体相在局部控制体中所占的体积百分比，具体控制方程如式(8)所示．[11](8)式中：t表示时间，ui表示速度分量，xi表示在x轴方向上的位移分量.其中，当F=0时，则表示局部控制体中不存在液体相；当F=1时，则表示局部控制体中充满液体相；当0<F<1时，局部控制体中流体的物性参数则通过式(9)进行计算．[12]Φ(xi,t)=F(xi,t)Φf+[1-F(xi,t)]Φg(9)式中：Φf表示液体相物性参数，Φg表示气体相物性参数.2 内部流场数值计算2.1 网格划分齿轮箱的主要结构参数如表1所示.表1 齿轮副主要结构参数项目参数项目参数传动比2.517大齿轮齿宽65mm小齿轮齿数29齿轮法向模数7mm大齿轮齿数73齿轮压力角20°小齿轮齿宽67mm 螺旋角20°利用ANSYS FLUENT中DM模块建立此型号齿轮箱内部流域仿真三维模型，由于齿轮箱内部流域整体复杂，包括加强筋、流道在内存在诸多细节结构，为了提高网格适应性，保证初始网格质量，将模型导入ICEM模块中，采用四面体非结构网格进行网格划分．初始网格数量为811552个，节点数为179119个，网格扭曲度小于0.742，在动网格计算中可有效避免出现负体积网格.2.2 物性参数及边界条件润滑油的动力粘度μ为0.16Pa·s，密度ρ为866kg/m3,空气设置为不可压缩理想气体，动力粘度μ为1.7894×10-5Pa·s，密度ρ为1.225kg/m3.小齿轮以45m/s 的速度逆时针旋转，初始状态油气两相分布如图1所示．图1中蓝色代表润滑油，上部分为空气，灰色部分为齿轮外表面和齿轮箱内壁面.齿轮外表面和箱体内壁面设为固定壁面边界条件.图1 油气初始状态2.3 UDF编译为了描述高速列车运行时齿轮箱内齿轮的转动，通过在FLUENT仿真计算中加载UDF实现.UDF的具体内容如下.#include "udf.h"DEFINE_CG_MOTION(smallgear,dt,vel,omega,time,dtime){Domain*domain;domain=Get_Domain(1);omega[1]=ω1;}DEFINE_CG_MOTION(biggear,dt,vel,omega,time,dtime){Domain*domain;domain=Get_Domain(2);omega[2]=-ω2;}其中ω1和ω2表示的是两个齿轮的角速度，方向相反.2.4 数值解法及离散格式在流场求解中针对瞬态计算，采用压力基求解法.压力速度耦合方程计算采用PISO 算法，该算法经过两步校正可以较大幅度提高计算精度且对时间步长选取的适应性较强，对不可压缩流动和可压缩流动均有较高的适应性．[13]压力采用PRESTO 离散格式，梯度采用基于单元体的最小二乘法离散格式，其余均采用二阶迎风离散格式.时间步长的计算选取是仿真的关键，应具体考虑2个方面因素，首先时间步长的选择不应影响最终的仿真结果，其次在计算过程中可获得有规律且质量较高的网格[14].故针对本次计算工况，时间步长设置为5×10-6s.3 仿真结果分析3.1 齿轮箱内压力分布图2为齿轮箱中间截面压力场分布云图，从图2中可以看出齿轮轮齿进入啮合瞬时，齿轮箱内部流体受到齿轮对挤压，附近容积减小导致压力增大，从而出现局部高压.齿轮脱离啮合瞬时，齿轮对附近容积增大，压力骤降出现负压.图2 齿轮箱内压力分布3.2 齿轮箱内流体速度场从图3可以看出，齿轮轮齿周围的流速较高.齿轮啮合点处速度最高，主要是因为流体在齿轮啮合点处连续不断受到齿轮对的挤压又分离，容积在较短时间间隔下从大到小不断变化导致.3.3 齿轮箱内瞬时流体分布由图4可以看出，大齿轮将位于齿轮箱底部的润滑油带起，飞溅至箱体壁面，部分润滑油可以顺着箱体壁面经由挡油筋板通过油道进入轴承进油孔对大小齿轮轴承进行润滑，在重力的作用下润滑油存在延齿轮箱壁面和流道向下流动的趋势，并在中心水平面附近较为集中，对轴承进油孔的位置分布设计具有重要影响.图3 内部流体速度矢量图图4 齿轮箱内瞬时流体分布流线图是对齿轮箱内流体运动轨迹的具体描述，从图5中可以清晰的看出润滑油可经由挡油筋板通过流道进入轴承进油孔对大小轴承进行润滑，初步说明达到齿轮箱流道设计要求.图5 齿轮箱内部流体三维流线图4 结论本文研究某型齿轮箱内部流场的变化规律，采用仿真软件FLUENT对建立的齿轮箱内部流场的理论计算模型进行数值求解.通过对仿真计算结果的综合分析，润滑油在齿轮搅油和重力的作用下可较为顺利地经由挡油筋板通过流道进入轴承孔对大小齿轮轴承进行润滑，从而初步验证了挡油筋板的功用和流道设计的合理性，重力对轴承进油孔位置分布设计有重要影响.齿轮箱内压力和速度分布关系到轴承孔进油量和齿轮箱迷宫密封设计，齿轮箱内压力和速度的明显变化均出现在齿轮轮齿啮合处.在齿轮轮齿进入啮合瞬时出现局部高压，脱离啮合瞬时压力骤降出现负压，齿轮箱内部流体的速度最高点则位于齿轮啮合点处.齿轮箱内部流场的研究对齿轮箱润滑油流道细节结构设计和改进具有重要参考价值.参考文献【相关文献】[1] 任崇会，魏静，马跃.基于动网格的齿轮箱内部流场数值模拟[J].机械强度,2013,35(6):789-790[2] 董春锋,林腾蛟,何泽银.基于动网格的齿轮箱内部流场数值模拟[J].机械研究与应用,2011(2):17-19[3] Houzeaux G, Codina R. 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