高速齿轮箱迷宫密封的数值研究

摘要

传动齿轮箱是高速机车转向架的关键部件之一，其密封性能的好坏，直接影响到高速机车运行的可靠性以及齿轮和轴承的使用寿命。随着车速的不断提高，齿轮箱内齿轮转速过快，较高的转速使润滑油的温升偏高，导致齿轮箱内油气压分布极其不均匀，最终引起齿轮箱出现漏油、窜油、甩油等现象，严重降低了机车传动齿轮箱的工作效率。为了减小泄漏造成的损失，维持齿轮箱的工作压力，保证其高效工作，高速齿轮箱传动轴的轴端通常采用非接触式迷宫密封。目前在铁路机车领域关于密封方面的仿真还处于初步性探索阶段，因此对这方面的研究十分有必要。
　　本文应用热力学分析法建立了错齿式迷宫密封数学模型，在其基础上采用牛顿迭代法和数值拟合法推导出泄漏量的计算公式，其计算结果与Vermes计算方法的结果相差2.75％，验证了本文迭代计算法的准确性和可行性，而且相对于公式烦琐的Vermes法，本文的迭代法更加简洁方便，更加适用于结构复杂的迷宫密封泄漏量的计算。
　　此外，本文以某时速200公里的高速机车齿轮箱传动轴轴端的迷宫密封为原型，基于计算流体动力学理论，建立了错齿型迷宫密封二维轴对称几何模型，通过Gambit软件对其进行结构化网格划分和边界条件设置，应用Fluent软件，对迷宫密封内的流场和泄漏特性进行了深入的研究，分析了迷宫的密封机理和压比、转速、齿形、空腔尺寸(包括间隙宽度、空腔宽度、空腔深度、齿厚)等因素对迷宫密封泄漏量的影响，研究结果表明：泄漏量与间隙宽度呈正比；对于矩形腔室的错齿式迷宫密封，最佳空腔深宽比应该在0.9左右；随着齿尖相对厚度的增加，泄漏量先快速增加后缓慢递减；直角梯形齿的密封效果要明显好于等腰三角齿和等腰梯形齿，而且当其齿顶角度为30°时密封性能最好。