于祥

摘要：通過Fluent數(shù)值仿真方法，分析了高速動車組齒輪箱所用迷宮密封各級密封結(jié)構(gòu)對密封效果的影響。選取高速動車組齒輪箱所用的某一種迷宮密封，建立迷宮密封的二維模型，分析了該密封模型密封性能的優(yōu)劣，研究了局部結(jié)構(gòu)對整體密封性能的影響情況。

關(guān)鍵詞：迷宮密封;密封結(jié)構(gòu);仿真計算

引言

高速動車組在中國已經(jīng)越來越多的投入運營，極大地改善了人員的出行舒適性。齒輪箱作為動車組的關(guān)鍵驅(qū)動部件，其性能優(yōu)劣直接影響到列車運行的動力性、安全性和可靠性。隨著列車運行速度的提高，齒輪箱內(nèi)部流場更加紊亂，壓力波動更加復雜，直接影響箱體內(nèi)潤滑油合理均勻的分布，同時也增加了對密封系統(tǒng)的密封性能的考驗。高速動車組的齒輪密封通常采用的是組合式的迷宮密封結(jié)構(gòu)，因此對其密封機理的分析就具有很重要的意義。

一、迷宮密封的類型及機理

1.迷宮密封的類型

迷宮密封形式多種多樣，根據(jù)不同的形式又分為不同的類型。常見的幾種結(jié)構(gòu)類型有：直通式、錯齒式和階梯式等。本文研究的是應(yīng)用在高速動車組轉(zhuǎn)向架齒輪箱傳動軸段的迷宮密封。

2.迷宮密封的機理分析

“迷宮效應(yīng)”是指經(jīng)過迷宮通道內(nèi)部的流體受到來自迷宮的阻力而流量有所減低的機能，其中包括流體力學效應(yīng)（液體）和熱力學效應(yīng)（氣體），前者又分為摩擦阻力效應(yīng)和流束收縮效應(yīng)，另外還有透氣效應(yīng)等。

二、仿真分析流程

本文研究的是高速動車組齒輪箱軸端組合迷宮密封結(jié)構(gòu)，采取二維模型進行仿真分析。仿真分析的分析過程，依次為建立模型、生成網(wǎng)格、設(shè)定邊界條件、計算和結(jié)果的后處理。所使用的仿真軟件為Fluent。

三、仿真結(jié)果分析

本文選取了高速動車組迷宮密封設(shè)計過程中的一種迷宮密封結(jié)構(gòu)進行分析，模型的計算結(jié)果與分析如圖1所示。

對于A直通式結(jié)構(gòu)，從壓力云圖中容易看出，并沒有明顯的壓力降低現(xiàn)象;而在速度云圖中，容易看出，流體直接從間隙橫穿而過，并沒有在環(huán)形腔中產(chǎn)生回旋渦流。對于B錯齒式結(jié)構(gòu)，從壓力云圖中容易看出，經(jīng)過B結(jié)構(gòu)后，壓力顯著降低，且通過第一個節(jié)流齒后，壓力由1800Pa降低到1200Pa，經(jīng)過第二個節(jié)流齒后壓力從1200Pa降低到800Pa。對于C結(jié)構(gòu)，從壓力云圖和速度云圖中容易看出，出現(xiàn)明顯的回旋渦流現(xiàn)象，且流體速度在該處出現(xiàn)非常顯著的增大現(xiàn)象。而對于D結(jié)構(gòu)，則同樣出現(xiàn)了回旋渦流。

從上述的現(xiàn)象中，可以得出如下結(jié)論：

1.A直通式結(jié)構(gòu)并沒有良好密封效果，但由于仿真是在二維情況下進行分析，難以排除在考慮三位周向運動的情況下，是否會產(chǎn)生一定的密封效果，但考慮到圓周運動相對于軸向和徑向影響較小的角度考慮，該結(jié)構(gòu)更多是儲存經(jīng)過動能耗散后液化的潤滑油，或在極端情況下直接泄漏的潤滑油。

2.B錯齒式迷宮密封結(jié)構(gòu)，具有良好的密封效果，而且在整個密封結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導作用。且第一個節(jié)流齒的密封效果最好，隨著節(jié)流齒的增加，每個節(jié)流齒的密封效果有所下降。與此同時，可以通過改善該結(jié)構(gòu)的參數(shù)，如間隙寬度，寬深比和最佳節(jié)流齒等來更大程度的提高迷宮密封整體的密封性能。

3.C結(jié)構(gòu)處出現(xiàn)了異常明顯的回旋渦流現(xiàn)象，根據(jù)上文所述的密封機理，在該出會產(chǎn)生明顯的功能耗散，理論上能夠提升迷宮密封的密封性能，但功能耗散愈明顯，油氣在此處液化也越明顯，而且此處出現(xiàn)速度高峰，且靠近出口，在此種情況下就使?jié)櫥陀辛鞒龅膬A向，使迷宮密封的性能減低。因此，針對此處迷宮密封結(jié)構(gòu)，可以考慮在此處添加了一個唇形密封圈，可以改善此處出現(xiàn)的問題。

4.D結(jié)構(gòu)處出現(xiàn)明顯的回旋渦流，則說明此處結(jié)構(gòu)具有功能耗散作用，可以通過輪廓曲線的設(shè)計，使其結(jié)構(gòu)能夠更加有利的形成回旋渦流現(xiàn)象，從而改善整體密封結(jié)構(gòu)的密封性能。

四、結(jié)論

本文主要從理論上對齒輪箱迷宮密封進行了初步研究，建立了齒輪箱迷宮密封模型，進行了密封結(jié)構(gòu)仿真分析，分析了各處密封結(jié)構(gòu)的密封性能。通過對迷宮密封的機理分析和仿真計算，可以給迷宮密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化提供較大的指導價值。而且在迷宮密封出現(xiàn)泄漏的情況下，有助于分析和查找密封出現(xiàn)不良情況的結(jié)構(gòu)所在。通過對組合迷宮密封的各部分的結(jié)構(gòu)分析，可以對各種不同密封之間的組合提供借鑒作用，提高組合設(shè)計迷宮密封的密封效果和設(shè)計效率。

參考文獻

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（作者單位：中車青島四方機車車輛股份有限公司）