CN108319737B - 高速列车铝合金齿轮箱的流场温度场耦合仿真分析方法 - Google Patents

高速列车铝合金齿轮箱的流场温度场耦合仿真分析方法 Download PDF

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Abstract

一种高速列车铝合金齿轮箱的流场温度场耦合仿真分析方法，属于高速列车齿轮箱领域。该方法的步骤为：首先根据流体域和固体域的互补性，建立齿轮箱整体结构流固耦合三维模型，然后对模型流体域和固体域进行有限元网格划分，根据齿轮箱构造及各部件相对运动关系，对齿轮箱进行产热散热热平衡分析，计算热损失参数和换热系数，最后对流固耦合整体模型进行流场温度场仿真计算，并参照轴承温度测试数据，验证分析方法的准确性。利用该方法对齿轮箱整体结构进行流固耦合动态实时仿真分析，研究工况复杂更接近实际工况。该仿真分析过程经济、迅速，具有更大的自由度和灵活性，大大减小产品的研发周期，提高了产品设计的效率。

Description

高速列车铝合金齿轮箱的流场温度场耦合仿真分析方法
技术领域
本发明属于高速列车齿轮箱技术领域，特别涉及一种高速列车铝合金齿轮箱的流场温度场耦合仿真分析方法。
背景技术
随着我国高速列车的迅猛发展，传动齿轮箱作为关键的传动方式之一，对其性能要求也越来越高。传动齿轮箱的工作环境由于地域及季节温差越来越恶劣，列车高速运行时，齿轮减速器中的油液分布变化剧烈，传动齿轮箱的热损失急剧增大，其内部压力和温度变化也很复杂，因此齿轮箱的润滑、密封、过热问题变得越来越突出。
箱体用来支撑和固定轴系零件，齿轮箱在变速时会承受复杂的交变应力，而齿轮箱运行时由于摩擦产热及搅油损失等产生的高温，严重影响齿轮箱的高温力学性能，为了得到满意的箱体质量和精度，因此齿轮箱温度场的研究对评价齿轮箱强度具有现实指导意义。目前，高速列车齿轮箱箱体材料基本上都是铸造铝合金。铸造铝合金材料密度小，便于实现轻量化，可以减小列车簧下质量，减少列车对钢轨的磨耗和损伤，并且铸造铝合金兼顾铝的导热性好和冷却性能好，可以提高高速列车运行品质。
传统方法对于齿轮传动系统各工况计算处理方式，一般对系统热流做初步分类并进行间接估算或者简化计算的办法，或者是直接或间接地忽略了两啮合齿轮的旋转，忽略了齿轮箱内部流场变化的分析以及其对齿轮箱温度场的影响，从而在工程计算中存在较大误差；而采用二维仿真模型，不能充分反映齿轮箱内部真实状况，存在一定局限性；而单独研究齿轮副的热流耦合，缺乏齿轮箱的结构对齿轮箱热平衡影响的探讨。要做到真正的动态实时模拟计算，需要建立包含齿轮副、轴、轴承以及齿轮箱体等完整的三维齿轮传动模型，通过流固耦合模拟计算的方法，模拟计算流场变化对齿轮箱整体温度场的影响，得到的温度场、压力场更接近实际工况。这对于改善齿轮箱润滑、密封性能、散热问题具有现实指导意义，为齿轮箱结构的设计和改进提供一定参考数据和理论指导。
发明内容
本发明的目的在于克服现有研究的不足，提出了一种高速列车铝合金齿轮箱的流场温度场耦合仿真分析方法，该方法首先建立了齿轮箱整体结构流固耦合三维模型，然后对模型流体域和固体域进行有限元网格划分，根据齿轮箱构造及各部件相对运动关系，对齿轮箱进行产热散热热平衡分析及相关参数计算，最后对流固耦合整体模型进行流场温度场仿真计算，并参照轴承温度测试数据，验证分析方法的准确性。利用该方法可以对齿轮箱整体结构进行流固耦合动态实时仿真分析，能充分反映齿轮箱真实状况，更接近实际工况。
本发明的一种高速列车铝合金齿轮箱的流场温度场耦合仿真分析方法，技术方案如下：
步骤一：根据高速列车传动齿轮箱的结构组成，用三维建模软件建立齿轮箱的整体结构三维装配模型和齿轮箱的流体域模型，根据流体域和固体域的互补性装配流固耦合三维模型；
所述的齿轮箱的整体结构三维装配模型即为固体域；
所述的齿轮箱的流体域模型是根据齿轮箱和其流体之间互补性，齿轮箱整体减去齿轮箱内部零件结构得到的箱体空腔即可生成流体域模型，即流体域；
步骤二：将流固耦合三维模型导入有限元软件，对齿轮箱流固耦合模型进行有限元网格划分；
步骤三：根据齿轮箱构造及各部件相对运动关系，采用摩擦功率损失转化成热量的方法，根据齿轮箱产热与散热的热平衡条件，计算热损失参数和换热系数；
步骤四：确定齿轮箱工作状态下的各个工况条件，将其以边界条件形式输入有限元软件中，进行热流耦合分析设置；
步骤五：根据齿轮箱工作状态下的工况条件，对齿轮箱进行流体力学计算，得到不同工况下的分析结果。
步骤六：实验数据的验证：参照轴承温度测试数据，与齿轮箱温度场的计算数据进行比对，验证分析方法的准确性。
所述步骤一中，所述的齿轮箱的整体结构三维装配模型需要的参数为：齿轮箱几何尺寸、齿轮箱各个部件位置关系、齿轮箱各个部件材料属性；
其中，所述的齿轮箱包括的部件主要有上箱体、下箱体、主动齿轮、从动齿轮、主动轴、从动轴、输入轴承、输出轴承、轴承端盖、输入轴承温度传感器和输出轴承温度传感器；其中，主动齿轮和主动轴制成一体，得到主动齿轮轴。
所述主动齿轮和从动齿轮为斜齿轮，斜齿轮具有啮合性能好，传动平稳，重合度大，承载能力高等优点。
所述的主动齿轮轴两侧均设置有输入轴承，分别为输入轴承一和输入轴承二，对应轴承远离主动齿轮的一侧均设置有轴承端盖，分别为输入轴承一端盖和输入轴承二端盖，对应轴承上均设置有温度传感器，分别为输入轴承温度传感器一和输入轴承温度传感器二。
所述的从动齿轮两侧均设置有输出轴承，分别为输出轴承一和输出轴承二，对应轴承远离主动齿轮的一侧均设置有轴承端盖，分别为输出轴承一端盖和输出轴承二端盖，对应轴承上均设置有温度传感器，分别为输出轴承温度传感器一和输出轴承温度传感器二。
所述齿轮箱的各个部件的连接关系为：上箱体和下箱体通过螺栓连接形成封闭箱体，主动齿轮轴通过输入轴承固定在箱体内部，从动轴通过输出轴承固定在箱体内部，从动齿轮和从动轴作周向固定，主动齿轮和从动齿轮通过斜齿紧密啮合，输入轴承温度传感器通过下箱体与输入轴承相连，输出轴承温度传感器通过上箱体与输出轴承相连。
所述的步骤一中，所述齿轮箱的流体域需要的材料参数为：润滑油的密度、润滑油粘度、润滑油的比热容、润滑油的导热率、空气的密度、空气的比热容、空气的粘度和空气的导热率；
其中，所述润滑油的密度、润滑油的粘度均定义成随温度变化的函数。
所述的步骤二中，所述的有限元网格划分，采用适应性较强的四面体网格及混合网格的非结构化网格，在流体狭小区域，通过控制单元网格大小，保证其流域的网格计算所需；在流体结构空间较大的地方，使用较大的网格尺寸，减少网格数量以达到减小计算量的目的。
所述的步骤三中，所述的齿轮箱产热与散热的热平衡条件为齿轮啮合生热、滚动轴承摩擦生热、齿轮与轴之间剪切油膜生热以及齿轮搅油损失所产生的热量，在齿轮箱中，这些产生的热量通过热传导、热对流和热辐射三种传热方式传递到齿轮箱之外进行散热。
所述的步骤三中，所述的热损失参数包括风阻损失、搅油损失、齿轮啮合损失和轴承摩擦损失；
所述的风阻损失为主动齿轮与从动齿轮在齿轮箱油气空间中旋转引起的损失；
所述的搅油损失为齿轮与油池内的油接触，油被甩出导致的损失；
所述的齿轮啮合损失为齿轮啮合的滑动摩擦和滚动摩擦损失；
所述的换热系数包括箱体内外表面换热系数、齿轮齿面对流换热系数和端面对流换热系数。
所述的步骤四中，所述的工况条件包括：(1)环境温度条件-40～40℃；(2)不同齿轮转速条件1000rpm～5900rpm；(3)浸油深度条件1.0h*～6.0h*，其中(h*＝ha+hf)，其中，ha为齿顶高，hf为齿根高。
所述的步骤五中，所述的分析结果包括油液分布、速度场、压力场和温度场。
本发明的高速列车铝合金齿轮箱的流场温度场耦合仿真分析方法，与现有技术相比，本发明的优点如下：
1.建立了包括上箱体、下箱体、主动齿轮轴、从动齿轮、从动轴、轴承、轴承端盖、输入轴承温度传感器和输出轴承温度传感器等较完整的齿轮箱整体结构模型，研究工况与实际工况接近，比以往只包含齿轮副或者箱体的温度场分析更准确可靠；
2.系统地研究了齿轮箱产热散热过程以及内部流场变化对齿轮箱温度场的影响，并进行流固耦合模拟计算；
3.相关计算参数都由公式独立核算，不会由于经验公式导致数据不准确，数据计算精度高，使仿真结果更准确；
4.模拟高速列车铝合金齿轮箱的运行状态，参照真实的齿轮箱实际工况条件，采用铝合金作为齿轮箱箱体材料散热效果好，仿真分析数据对实际工况具有指导意义；
5.仿真分析过程经济、迅速，并且具有更大的自由度和灵活性，大大减小产品的研发周期，提高了产品设计的效率。
附图说明
图1为本发明齿轮箱的三维装配模型图；
图2是本发明齿轮箱的整体装配模型俯视图；
图3是本发明齿轮箱的内部零件结构装配示意图
图4是本发明齿轮箱的流体域模型；
图5是本发明热平衡传递路线示意图；
图中：1-上箱体，2-下箱体，3-输入轴承温度传感器一，4-输入轴承温度传感器二，5-输出轴承温度传感器二，6-从动轴，7-输出轴承温度传感器一，8-从动齿轮，9-输出轴承一，10-输出轴承一端盖，11-输入轴承一，12-输入轴承一端盖，13-主动齿轮轴，14-输入轴承二，15-输入轴承二端盖，16-输出轴承二，17-输出轴承二端盖。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做详细描述。
实施例
一种高速列车铝合金齿轮箱的流场温度场耦合仿真分析方法，所述的高速列车铝合金齿轮箱的包括的部件主要有上箱体1、下箱体2、主动齿轮、从动齿轮8、主动轴、从动轴6、输入轴承、输出轴承、轴承端盖、输入轴承温度传感器和输出轴承温度传感器；其中，主动齿轮和主动轴制成一体，得到主动齿轮轴13。
所述主动齿轮和从动齿轮8为斜齿轮，斜齿轮具有啮合性能好，传动平稳，重合度大，承载能力高等优点。
所述的主动齿轮轴13两侧均设置有输入轴承，分别为输入轴承一11和输入轴承二14，对应轴承远离主动齿轮的一侧均设置有轴承端盖，分别为输入轴承一端盖12和输入轴承二端盖15，对应轴承上均设置有温度传感器，分别为输入轴承温度传感器一3和输入轴承温度传感器二4。
所述的从动齿轮8两侧均设置有输出轴承，分别为输出轴承一9和输出轴承二16，对应轴承远离主动齿轮的一侧均设置有轴承端盖，分别为输出轴承一端盖10和输出轴承二端盖17，对应轴承上均设置有温度传感器，分别为输出轴承温度传感器一7和输出轴承温度传感器二7。
各个部件的连接关系见图1、图2和图3，具体为：上箱体1和下箱体2通过螺栓连接形成封闭箱体(上箱体和下箱体的分界面处为粗线，见图1)，主动齿轮轴13通过输入轴承固定在箱体内部，从动轴6通过输出轴承固定在箱体内部，从动齿轮8和从动轴6作周向固定，主动齿轮和从动齿轮8通过斜齿紧密啮合，输入轴承温度传感器通过下箱体2与输入轴承相连，输出轴承温度传感器通过上箱体1与输出轴承相连。
该齿轮箱的箱体材料为铝合金，该齿轮箱主要用于高速列车上。
该齿轮箱的流场温度场耦合仿真分析方法，具体包括以下步骤：
步骤一：根据高速列车传动齿轮箱的结构组成，用三维建模软件建立齿轮箱的整体结构三维装配模型即为固体域，如图1所示。根据齿轮箱和其流体之间互补性，齿轮箱整体减去齿轮箱内部零件结构(如图3所示)生成的流体域模型(如图4所示)，即流体域；
用三维建模软件建立齿轮箱的流体域模型，根据流体域和固体域的互补性装配流固耦合三维模型；
所述的齿轮箱的整体结构三维装配模型需要的参数为：齿轮箱几何尺寸、齿轮箱各个部件位置关系、齿轮箱各个部件材料属性；
所述齿轮箱的流体域需要的材料参数为：润滑油的密度、润滑油粘度、润滑油的比热容、润滑油的导热率、空气的密度、空气的比热容、空气的粘度和空气的导热率；
其中，所述润滑油的密度、润滑油的粘度均定义成随温度变化的函数。
步骤二：将流固耦合三维模型导入有限元软件，对齿轮箱流固耦合模型进行有限元网格划分。
将模型文件(.x_t)导入有限元软件中，采用适应性较强的四面体网格及混合网格的非结构化网格，在流体狭小区域，通过控制单元网格大小，保证其流域的网格计算所需；在流体结构空间较大的地方，使用较大的网格尺寸，减少网格数量以达到减小计算量的目的。
步骤三：根据齿轮箱构造及各部件相对运动关系，采用摩擦功率损失转化成热量的方法，根据齿轮箱产热与散热的热平衡条件，计算热损失参数和换热系数；
齿轮箱运行时，热量传递路线如图5所示，根据齿轮箱的构造以及各元件之间的相对运动关系，齿轮箱产热与散热的热平衡条件为齿轮啮合生热、滚动轴承摩擦生热、齿轮与轴之间剪切油膜生热以及齿轮搅油损失所产生的热量，在齿轮箱中，这些产生的热量通过热传导、热对流和热辐射三种传热方式传递到齿轮箱之外进行散热。
例如，齿轮啮合摩擦产生的热量，其中一部分热量以热对流的方式传递给润滑油，再通过润滑油以热对流的方式传递给箱体，最后再由箱体通过对流传热和热辐射的方式将热量传递给外界空气；而另一部分热量则传递给齿轮，由齿轮以热传导的方式传递给轴，再由轴以热传导的方式传递给轴承，然后再由轴承以热传导的方式传递给箱体，最后也同样由箱体以对流换热传递给外界环境。同样，其他热源产生的热量也是通过类似的过程，最终传递到外界环境中。
所述步骤三中，所述热损失参数包括风阻损失、搅油损失、齿轮啮合损失和轴承摩擦损失；
所述的风阻损失为主动齿轮与从动齿轮在齿轮箱油气空间中旋转引起的损失；
所述的搅油损失为齿轮与油池内的油接触，油被甩出导致的损失；
所述的齿轮啮合损失为齿轮啮合的滑动摩擦和滚动摩擦损失；
所述的换热系数包括箱体内外表面换热系数、齿轮齿面对流换热系数和端面对流换热系数。
步骤四：确定齿轮箱工作状态下的各个工况条件，将其以边界条件形式输入有限元软件中，进行热流耦合分析设置；
所述齿轮箱工作状态下的不同工况条件：(1)环境温度条件-40℃、-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃；(2)不同齿轮转速条件1000rpm、2000rpm、3000rpm、4000rpm、5000rpm、5900rpm；(3)不同浸油深度条件1h*、2h*、3h*、4h*、5h*、6h*，其中(h*＝ha+hf)，其中，ha为齿顶高，hf为齿根高。
步骤五：根据齿轮箱工作状态下的工况条件，对齿轮箱进行流体力学计算，得到不同工况下分析结果：油液分布、速度场、压力场、温度场。
步骤六：实验数据的验证：参照轴承温度测试数据，与齿轮箱温度场的计算数据进行比对，其误差控制在1％以内，验证了分析方法的准确性。

Claims (8)

1.一种高速列车铝合金齿轮箱的流场温度场耦合仿真分析方法，其特征在于，按以下步骤进行：
步骤一：根据高速列车传动齿轮箱的结构组成，用三维建模软件建立齿轮箱的整体结构三维装配模型和齿轮箱的流体域模型，根据流体域和固体域的互补性装配流固耦合三维模型；
所述的齿轮箱的整体结构三维装配模型即为固体域；
所述的齿轮箱的流体域模型是根据齿轮箱和其流体之间互补性，齿轮箱整体减去齿轮箱内部零件结构得到的箱体空腔即可生成流体域模型，即流体域；
步骤二：将流固耦合三维模型导入有限元软件，对齿轮箱流固耦合模型进行有限元网格划分；
步骤三：根据齿轮箱构造及各部件相对运动关系，采用摩擦功率损失转化成热量的方法，根据齿轮箱产热与散热的热平衡条件，计算热损失参数和换热系数；
步骤四：确定齿轮箱工作状态下的各个工况条件，将其以边界条件形式输入有限元软件中，进行热流耦合分析设置；
步骤五：根据齿轮箱工作状态下的工况条件，对齿轮箱进行流体力学计算，得到不同工况下的分析结果；
步骤六：实验数据的验证：参照轴承温度测试数据，与齿轮箱温度场的计算数据进行比对，验证分析方法的准确性。
2.如权利要求1所述的高速列车铝合金齿轮箱的流场温度场耦合仿真分析方法，其特征在于，所述的步骤一中，所述的齿轮箱的整体结构三维装配模型需要的参数为：齿轮箱几何尺寸、齿轮箱各个部件位置关系、齿轮箱各个部件材料属性。
3.如权利要求1或2所述的高速列车铝合金齿轮箱的流场温度场耦合仿真分析方法，其特征在于，其中，所述的齿轮箱包括的部件主要有上箱体、下箱体、主动齿轮、从动齿轮、主动轴、从动轴、输入轴承、输出轴承、轴承端盖、输入轴承温度传感器和输出轴承温度传感器；其中，主动齿轮和主动轴制成一体，得到主动齿轮轴；
所述主动齿轮和从动齿轮为斜齿轮；
所述的主动齿轮轴两侧均设置有输入轴承，分别为输入轴承一和输入轴承二，对应轴承远离主动齿轮的一侧均设置有轴承端盖，分别为输入轴承一端盖和输入轴承二端盖，对应轴承上均设置有温度传感器，分别为输入轴承温度传感器一和输入轴承温度传感器二；
所述的从动齿轮两侧均设置有输出轴承，分别为输出轴承一和输出轴承二，对应轴承远离主动齿轮的一侧均设置有轴承端盖，分别为输出轴承一端盖和输出轴承二端盖，对应轴承上均设置有温度传感器，分别为输出轴承温度传感器一和输出轴承温度传感器二；
所述的齿轮箱中，各个部件的连接关系为：上箱体和下箱体通过螺栓连接形成封闭箱体，主动齿轮轴通过输入轴承固定在箱体内部，从动轴通过输出轴承固定在箱体内部，从动齿轮和从动轴作周向固定，主动齿轮和从动齿轮通过斜齿紧密啮合，输入轴承温度传感器通过下箱体与输入轴承相连，输出轴承温度传感器通过上箱体与输出轴承相连。
4.如权利要求1所述的高速列车铝合金齿轮箱的流场温度场耦合仿真分析方法，其特征在于，所述的步骤一中，所述齿轮箱的流体域需要的材料参数为：润滑油的密度、润滑油粘度、润滑油的比热容、润滑油的导热率、空气的密度、空气的比热容、空气的粘度和空气的导热率；其中，所述润滑油的密度、润滑油的粘度均定义成随温度变化的函数。
5.如权利要求1所述的高速列车铝合金齿轮箱的流场温度场耦合仿真分析方法，其特征在于，所述的步骤三中，所述的齿轮箱产热与散热的热平衡条件为齿轮啮合生热、滚动轴承摩擦生热、齿轮与轴之间剪切油膜生热以及齿轮搅油损失所产生的热量，在齿轮箱中，这些产生的热量通过热传导、热对流和热辐射三种传热方式传递到齿轮箱之外进行散热。
6.如权利要求1所述的高速列车铝合金齿轮箱的流场温度场耦合仿真分析方法，其特征在于，所述的步骤三中，所述的热损失参数包括风阻损失、搅油损失、齿轮啮合损失和轴承摩擦损失；
所述的风阻损失为主动齿轮与从动齿轮在齿轮箱油气空间中旋转引起的损失；
所述的搅油损失为齿轮与油池内的油接触，油被甩出导致的损失；
所述的齿轮啮合损失为齿轮啮合的滑动摩擦和滚动摩擦损失；
所述的换热系数包括箱体内外表面换热系数、齿轮齿面对流换热系数和端面对流换热系数。
7.如权利要求1所述的高速列车铝合金齿轮箱的流场温度场耦合仿真分析方法，其特征在于，所述的步骤四中，所述的工况条件包括：(1) 环境温度条件-40～40℃；(2) 不同齿轮转速条件1000rpm～5900rpm；(3) 浸油深度条件1.0h*～6.0h*，其中(h*=ha+hf)，其中，ha为齿顶高，hf为齿根高。
8.如权利要求1所述的高速列车铝合金齿轮箱的流场温度场耦合仿真分析方法，其特征在于，所述的步骤五中，所述的分析结果包括油液分布、速度场、压力场和温度场。
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