1.沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司 沈陽 110043 2.河南伯淼水處理有限公司 鄭州 450053

1 研究背景

高壓柱塞泵屬于容積式泵的一種,將電動機的機械能經(jīng)過柱塞泵動力端直接轉(zhuǎn)化為介質(zhì)的壓力能,被廣泛用于農(nóng)業(yè)機械、航空航天和工業(yè)清洗等行業(yè)[1]。齒輪箱是柱塞泵動力端的關(guān)鍵部件,在齒輪嚙合傳動的過程中,齒面間不可避免地會因相對運動摩擦而產(chǎn)生熱量累積,嚴重時還可能會造成齒面的變形和磨損,所以有效的潤滑和散熱對齒輪箱的工作至關(guān)重要。齒輪箱一般采用潤滑油飛濺潤滑的方式[2-5]。齒輪和曲軸旋轉(zhuǎn),帶動齒輪箱內(nèi)潤滑油飛濺至齒輪輪齒處及箱體油槽等部位實現(xiàn)潤滑作用。掌握齒輪箱內(nèi)流場分布規(guī)律,對齒輪箱潤滑設(shè)計具有重要的現(xiàn)實意義。但是由于齒輪箱結(jié)構(gòu)封閉、復(fù)雜,且流體是由潤滑油和空氣組成的,屬于始終處于瞬態(tài)變化的兩相流動中,因此使用試驗法很難研究其內(nèi)部瞬態(tài)流場分布。傳統(tǒng)的流體動力學(xué)僅適用于簡單的流動過程,無法解決類似于齒輪高速嚙合傳動引起的流動問題。筆者以某型號超高壓柱塞泵動力端齒輪箱為研究對象,針對其中齒輪箱內(nèi)甩油這一過程,采用浸入固體法,結(jié)合VOF(Volume of Fluids)多相流模型來進行計算流體動力學(xué)模擬,得到齒輪箱內(nèi)部復(fù)雜油氣兩相流的流場分布,為高壓柱塞泵齒輪箱飛濺潤滑過程的研究提供有價值的參考。

2 三維流體模型

筆者研究的超高壓柱塞泵動力端齒輪箱計算流體動力學(xué)模型如圖1所示。模型包括驅(qū)動小齒輪、箱體(潤滑油和空氣所占據(jù)的空間)、傳動大齒輪和曲軸。由于連桿機構(gòu)對潤滑油甩油影響較小,因此模型未包含連桿機構(gòu)。三維模型中,箱體為從齒輪箱抽取的流體模型,驅(qū)動小齒輪、傳動大齒輪和曲軸按實際尺寸等比例建模且為固體模型。齒輪為斜齒齒輪,齒數(shù)為27/105,螺旋角為13°,軸心距為345 mm。

3 網(wǎng)格劃分

采用浸入固體法建立齒輪潤滑仿真模型,在劃分網(wǎng)格時,需要分別得到一對齒輪的固體網(wǎng)格和箱體的流體網(wǎng)格,一對嚙合齒輪在原始的嚙合位置則不作處理。流體和浸入固體均采用四面體網(wǎng)格,對嚙合部分網(wǎng)格進行了加密處理。整個齒輪箱的網(wǎng)格數(shù)為620萬,節(jié)點數(shù)為305萬,所有網(wǎng)格斜度均小于0.76。箱體流體網(wǎng)格如圖2所示,齒輪與曲軸固體網(wǎng)格如圖3所示。

▲圖1 齒輪箱計算流體動力學(xué)模型

▲圖2 箱體流體網(wǎng)格▲圖3 齒輪與曲軸固體網(wǎng)格

4 計算設(shè)置

4.1 多相流模型

選用VOF多相流模型[6-8],通過計算每個單元內(nèi)各流體所占據(jù)的體積率來追蹤流體量的變化及自由液面[9]。計算設(shè)定空氣為主相,密度為1.225 kg/m3,動力黏度為1.789 4×10-5Pa·s；潤滑油為第二相,密度為850 kg/m3,動力黏度為0.012 5 Pa·s。潤滑油的初始液面高度為距箱體底部1.021 m。多相流模型如圖4所示。

▲圖4 多相流模型

4.2 浸入固體模型

筆者采用浸入固體法模擬齒輪旋轉(zhuǎn)運動浸入固體,其實質(zhì)在于將浸入固體域作為動量源放置在流體域中,即在求解器進行求解時對于流場在浸入固體范圍內(nèi)的流體部分施加一個動量源,驅(qū)使流體隨著固體一起運動,使流體速度匹配固體速度。設(shè)置驅(qū)動小齒輪、傳動大齒輪和曲軸三部分為浸入固體模型,驅(qū)動小齒輪的轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,傳動大齒輪和曲軸轉(zhuǎn)向相反，轉(zhuǎn)速為385 r/min。齒輪和曲軸的旋轉(zhuǎn)通過局部坐標系來設(shè)置,旋轉(zhuǎn)方向按右手準則確定。

4.3 湍流模型

在齒輪的旋轉(zhuǎn)運動作用下,齒輪箱體內(nèi)部油液和空氣狀態(tài)處在一個瞬時變化的流動過程中,而且齒輪轉(zhuǎn)速較高,可以認為齒輪箱內(nèi)的流動是瞬態(tài)湍流流動,選取RNGk-ε湍流模型。這一湍流模型包含旋流修正的子模型,能夠較好地對齒輪和曲軸旋轉(zhuǎn)攪油而產(chǎn)生的旋流、高應(yīng)變率，以及流線彎曲程度較大的流動進行預(yù)測[10-14]。

4.4 計算類型

計算類型選擇瞬態(tài)計算,計算總時長為1 s，即小齒輪轉(zhuǎn)25周,大齒輪轉(zhuǎn)10.714周。考慮計算穩(wěn)定性和計算時長，選取時間步長為0.005 s。

5 結(jié)果分析

5.1 不同時刻潤滑油分布

不同時刻齒輪箱內(nèi)潤滑油分布情況如圖5所示，圖5中深色表示潤滑油,淺色表示空氣。驅(qū)動小齒輪啟動時,帶動傳動大齒輪旋轉(zhuǎn)并將潤滑油攪起。潤滑油隨傳動大齒輪的旋轉(zhuǎn)進入齒輪嚙合處,實現(xiàn)對齒輪的潤滑作用。潤滑油在不斷被攪動的過程中與空氣逐漸混合,充斥于齒輪箱內(nèi)部。由于齒輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心作用,使?jié)櫥腕w積分數(shù)在靠近箱體壁面處分布較大。

▲圖5 不同時刻齒輪箱內(nèi)潤滑油分布

5.2 齒輪表面潤滑油流速和體積分數(shù)

0.8 s時齒輪表面的潤滑油速度云圖如圖6所示。潤滑油速度與齒輪旋轉(zhuǎn)、潤滑油自身重力的影響和壓力的變化等息息相關(guān),由圖6可知，除了嚙合位置潤滑油速度偏低外,其它區(qū)域速度基本與齒輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的效果一致。

0.8 s時齒輪表面的潤滑油體積分數(shù)分布如圖7所示。通過圖7可以確定，在0.8 s時,潤滑油已經(jīng)完全覆蓋了齒輪的嚙合位置,潤滑油對齒輪實現(xiàn)了有效的潤滑作用。

▲圖6 0.8 s時齒輪表面潤滑油速度云圖▲圖7 0.8 s時齒輪表面潤滑油體積分數(shù)分布

5.3 截面壓力分布

截取過驅(qū)動小齒輪齒寬中點z=50 mm的截面,此截面包含了大小齒輪和潤滑油,可以最大程度反映油液隨齒輪轉(zhuǎn)動的變化過程。0.1～0.8 s時該截面上的壓力分布如圖8所示。

由圖8可知，齒輪在旋轉(zhuǎn)過程中對嚙合區(qū)域上方油液進行擠壓,形成局部高壓,對下方油液有釋放作用,形成局部低壓,同時各個時刻下高壓區(qū)和低壓區(qū)的分布范圍近似一致。

▲圖8 不同時刻z=50 mm 截面壓力分布

6 結(jié)束語

筆者采用浸入固體法，結(jié)合VOF多相流模型,對超高壓柱塞泵齒輪箱內(nèi)部的飛濺潤滑過程進行了可視化數(shù)值模擬。

模擬結(jié)果表明，在0.8 s時,潤滑油已經(jīng)完全覆蓋了齒輪嚙合位置,實現(xiàn)了有效的潤滑作用。齒輪在旋轉(zhuǎn)過程中對嚙合區(qū)域上方形成局部高壓區(qū),在嚙合區(qū)域下方形成局部低壓區(qū)。模擬結(jié)果驗證了筆者所用方法的可行性。