2024年1月22日发(作者：)
第30卷第1期2021年3月计算机辅助工程Computer
Aided
EngineeringVoV
30
No.
1Maa
2021文章编号：1006
-
0871（2021）01-0008-04
DOI:
10.
13340/j.
cee.
2021.01.002基于STAR-CCM
+的高速动车组驱动齿轮箱
内部流场分析王庭楷，徐宏海（北方工业大学机械与材料工程学院，北京100144）摘要：为研究齿轮箱初始注油量、齿轮旋转方向等因素对齿轮箱内部润滑油瞬态分布、压力瞬态分
布和各轴承进/回油孔润滑油质量流量的影响，基于齿轮箱内部不可压缩的气液两相流，采用
STAR-CCM
+软件的重叠网格技术对高速动车组驱动齿轮箱内部流场进行仿真。结果表明：当大
齿轮正转时，受螺旋方向的影响，车轮侧各轴承进油量大于电机侧轴承进油量；当大齿轮反转时，各
轴承进油量受螺旋方向的影响较小；随着初始注油量增加，各轴承进油孔的质量流量也增加；齿轮
箱内部流场达到稳态时，内部压力总体上较为平均，仅啮合区存在局部高压区与负压区。研究结果
对齿轮箱润滑流道结构设计具有指导意义。关键词：齿轮箱；流场；注油量；气液两相流；瞬态分布；质量流量中图分类号：U260.3312；
TB115.1
文献标志码：BInternal
flow
field
analysis
of
drive
gearbox
in
high-speed
EMU
based
on
STAR-CCM
+WANG
Tingkei，XU
Honghai（School
of
Machineiy
and
Materials
#
North
China
University
of
Technologs# Beijing
100144
#
China）Abstract:
To
study
the
infuenco
of
initiae
oii
injection
and
ger
rotation
direction
and
other
factora
on
the
transient
distribution
of
oil
and
pressure
and
the
mass
flow
of
lubacating
oii
in
the
filling
and
return
holes
of
each
beang
in
the
gciSox,
based
on
the
incompressible
gas-liquid
two-phae
flow
in
the
gciSox,
the
interna
How
fielO
of
the
drive
gecrbox
in
high-speed
EMU
is
simulated
using
the
o—yet
gad
technoloay
of
STAR-CCM
+ softwae.
The
results
show
that:
while
the
big
gesr
rotates
in
the
foryard
direction,
the
oii
intake
of
tae
whet
side
besyng
is
laryer
than
taat
of
the
motor
side
besyng
due
te
the
helio
direction
of
the
larae
gear;
whiie
tae
big
gesf
rotates
in
tae
reverse
direction,
the
influenco
of
the
helic
direction
on
tae
berang
oii
intake
is
littie;
the
mass
flow
rate
of
tae
berang
filling
hoie
can
be
incressed
by
incressing
tae
initiai
oii
injection
；
whiie
the
gerrbox
insige
fuid
field
reaches
steady
state,
the
inteoai
pressure
is
g—dliy
average,
but
there
are
high
p^osuo
arers
and
nerative
pressure
areas
in
the
locai
meshing
arer.
The
reserrch
results
can
guiVe
tae
design
of
the
lubacation
channet
stocture
of
the
gerrbox.收稿日期：2020-10-16
修回日期：2020-11-05作者简介：王庭楷（1996—），男，北京人，硕士研究生，研究方向为高速动车组驱动齿轮箱流场分析，（E-mail）504296321
@
qq.
com；徐宏海（1967—），男，浙江萧山人，教授，博士，研究方向为机械传动、先进制造技术，（E-mail）
i@ 163.
comhtp
:z/////.
coinacec.
cncae@
shmtu.
edu.
cn
；
smucae@
163.
com
1王庭楷，等:基于STAR-CCM
+的高速动车组驱动齿轮箱内部流场分析9Key
worbs:
geeTbox；
fow
field
%
oil
injection
%
ggs-Cquid
two-phae
tow；
transient
distribution
%
mass
tow
rati0引言高速动车组驱动齿轮箱是动
向架
键部
侧圆柱滚子轴承（编号4）和四点接触球轴承（编号
5
））齿轮箱有4个进
和1
，
轴承1、2、3各
1个进
（
A、B、C），轴承4、5共1
进
（
D）
和
1
一，
且压
行车安全
稳定
重要部件。（
E
），齿轮箱高速运转时,轴承与齿轮啮合处产生大量
，极易造成高温和压
2）进入轴承1、2、3
滑
轴承
参，部位的经滚动 隙
箱
。齿轮箱齿轮
、
全。&门好
,
齿轮箱
和行车安滑能够减少高压高温区
产数见表1,
传动比为大齿轮齿数与小齿轮齿数值。生，提高车行
安全性。国
者对高速齿轮箱内部流场的研究主要利用FLUENT软件、Pumplinx
?
和有限
进行仿真。于义等&2'利
FLUENT
初始和
时的流场，发现3倍齿高浸油深度可较好地发挥润滑油作用，
产
，齿轮啮入区形成局部高压，齿轮啮出区形成局部低压，且
越高，高压和低压
值越大。刘
&3'采用FLUENT
动
和
Peotioe
齿轮箱
部滑进行仿真，利 冲
低
保齿轮箱与轴承
滑，但
于
杂且计算量大，需要
进行
，
计算精度。一
采用飞溅方式对动车组齿轮箱进行润滑&4'，行
：、齿轮正反转、初始
滑效&5'。
于FLUENT的动
计算
较低，时计算量大。本文以某高速动车组驱动齿轮
箱为研究对象，采
STAR-CCM
+
重叠
•，
初始
、
齿轮
反
齿轮箱部 、压
和各轴承进油孔流
。1齿轮箱模型和计算工况以在线运行的350型高速动车组驱动齿轮箱为
研究对象，列车保持350
km/h标准
运行，分析
初始
和齿轮正反转对齿轮箱内部流场的影响。1.1齿轮箱内部结构和齿轮基本参数齿轮箱内部
1。该齿轮箱为单
齿轮传动，内部流体为
相流，初始
时齿轮上方为
、下方为润滑油。&6'车高速运行时，从动大齿轮高
，
滑
飞
，
现齿轮箱
滑
和。齿轮箱
5个轴承，
为
轴车轮圆
子轴承（
1
）、
圆
子轴承（编2）、高速轴
圆
子轴承（
3
）、车轮coe@
shmte.
edu.
cn
；
smucoe@
163.
com图1齿轮箱内部截面图2齿轮箱内轴承和进/回油孔位置分布及对应编号表1齿轮箱齿轮基本参数参数数值参数数值大齿轮齿数/个73传动比2.517小齿轮齿数/个29压力角/（°）26小齿轮齿宽/mm66法向模数7大齿轮齿宽/mm65螺旋角/（°）20齿轮中心距/mm382齿轮啮合处间隙较小，
成和计算，一般采
大间隙法解决该。 变齿轮
数
，为保
真的可行性，将大、小齿轮同时缩小
96%。1.2计算工况齿轮箱
采
大齿轮
飞
滑
方
，部
变
，
初始
和
齿轮
反2
滑
较大。⑺
动车组齿轮箱
运行
，列车保持350
km/h
运行，仿真计算 表
2。
定义
1
齿轮箱大齿轮
时htp
:/T/ww.
chinacoc.
cn
10计算机辅助工程2021针旋转为正转,大齿轮顺时
初始注油量//为反转)旋转方向;FU>4
000时,流为湍流状态。表2仿真计算工况工况初步计算得到齿轮箱内流体U
'
1.94
x
106,
STAR-CCM
+
?
选择 平均纳维一斯托克15.50正转正转反转流模型，
论式为%■
+
!•("")
m
0
235.255.50%()2n
—
— —1.3齿轮箱内部流域的网格划分沙)+!S())=
)
+
A
()
-
v・p*
+
v・(Trans
+
+3处
取内部流域，由于齿轮箱内部杂,所以增加选择表面重 。润滑黏较大，
2
齿轮边界处加
并增加选择
层 。齿轮
时需要进行，交,
要求较高，为
保证计算精
时更好计算
，对啮
区
进行局部加密处理,3)齿轮箱
4,
总数为1
527
万。图3
啮合区局部加密网格图4齿轮箱整体网格模型2
STAR-CM
+软件的计算设置2.1选择计算模型STAR-CCM+软件可模拟多种流态和多种相
流，
求解
可压缩和可压缩流
同时
、动和
方程。&8'
数屁是流体运动
依据，其表式为二凹
(1
)式中:"R和"分别为流体的密度、流
和动力黏
;%为特征
。当U"2
300时，流为层流状；当2
300
000时,流体为层流 流://www. cCinacee. cn式中:t为时间步长;)和P分别为平 和平均压力;*为单位张量;T为黏 张量力为重力和离心 。选择重力,导入 重力方向为-K方向，在初始 重力为［0, -9.81, 0'm/ s2)2・2重叠网格技术利用STAR-CM + 2 重叠 成齿轮 运动 。与每一步需重新划 动相比，重叠 可以节省大量时间，适于边 动 。 大、小齿轮的重叠网格区域及 部流 ， 为重叠网格( 隙)。重叠 区域需完全 齿轮,为 传递,所以可以 超 部流区域。 齿轮 属 为重叠 边界,齿轮仍为壁面边界,从而模拟齿轮 运动。2.3旋转运动和初始注油量设置以大、小齿轮中心为 2个子 :, 真 定大、小齿轮和重叠 区域相和 方向。利场函数 初始, 场函数并 高度。3 齿轮箱內部流场仿真结果1、3 为准 时齿轮 反转 仿真 ， 2为 较少时齿轮 真工) 1、3 真 齿轮正反 齿轮箱内部流场 ， 1、2 真 初始 齿轮箱内部流场 。3.1内部流体速度场以 1为，齿轮箱内部流 场 5 o2 齿轮齿 流 线 为64m/s,分布 较为 ， 齿轮的线 吻合。流进入啮区时 大、小齿轮轮齿 压,局部压 大,导致润滑油离开齿轮啮合区时 大。3.2齿轮箱内部润滑油瞬态分布1 齿轮箱 部 滑 6。cee@ shmtu. edu. cn ; smucee@ 163. com 1王庭楷，等:基于STAR-CCM +的高速动车组驱动齿轮箱内部流场分析3(4(5 11；反转时大齿轮先 齿 作 时， 进 A 和 D A、D箱 滑油带进。啮合区，润滑 大齿轮 流高于进 B 和 C 流 ， 大齿轮方向 ，甩向进 滑C较 ; 大齿轮反 时， 进 28.946 A B、 D 85.439 141.93量流 相近， 大齿轮 先将润滑油带图5工况1齿轮箱内部流体速度场，m/s入啮合区， 量流 齿轮 方向 。大齿轮 时， 力口，各进发 力口，但高速运行时可能导致 力口。3.4齿轮箱内部压力瞬态分布1齿轮箱 7。齿轮箱内部压力总 压较平均，但 齿轮啮合区大,形成高压区;啮合产 34.994 部高压区和负压区。大齿轮 时:齿轮啮方流 104.98 174.97导致压 图6工况1润滑油到达齿轮啮合处时的瞬态分布，m/s方流 方为高压区。时 大导致压 小,形成大齿轮 , 时将大部 滑 箱 【壁，实现压区。大齿轮反转时，齿轮啮 方为负压区、滑进入各轴承进 滑。轴承 滑;少 滑 大齿轮的轮齿带入啮合区，实现大、小齿轮 3・3轴承进油孔和回油孔为 稳定 齿轮转10 FLUENT用时50 do 齿轮箱润滑 时各轴承进// ，计算大流场，STAR-CCM +用时7 d,滑-1.438 8E+06 -7.643 1E+05 -8.984 7E+042.473 8E+05流 稳定， 数值见表3)-1.101 5E+06-4.270 8E+05表3不同工况下各进/回油孔润滑油质量流量kgs工况图7工况1齿轮箱中间截面 压力分布,Pe工况1工况2工况34 结论(1) 利 STAR-CCM + 进油孔A进油孔B进油孔C进油孔D0.1130.0980.2120.0930.0860.1720.1900.1070.1040.0940.098齿轮箱进行流场 滑 流量，为，计算 高，可实现齿轮箱内部润滑油流动情可 ， 定 定。各进、 0.2270.026回油孔E0.0150.014时齿轮和 轴承 数 滑(2) 齿轮正反转、齿轮螺旋方向、初始注油量等各轴承进 回油孔E 流量小于进 D E于静 流量， 经轴承4滚动 ，大部 滑油流 滑 流 些 。压区，啮入区为高压区，啮 区为，隙 箱 部。计 大齿轮 时，进 C和D 流量分别入轴承(3) 齿轮箱内部压力总体平稳，但在啮合区存高于进 B和A 流量，反 时相反。大齿在局部高压区 压区。轮正转时将较 滑油通过箱 参考文献：[1 ] 李轲•铁路客车热轴故障的原因分析及改进措施[J] •科技与创新,2016(7) : 138. DOI： 10.15913/j. cnki. kjycx. 2016. 07.138. (下转第58页)coe@ shmtu. edu. cn ； smucoe@ 163. com:回www. cOinacoc. cn 58计算机辅助工程2021参考文献：+ 1]周威，张文龙•装配式停车楼结构预应力混凝土双T板弯曲性能试验研究[J]•建筑结构学报，2018% 39(12)： 66-73. DOI： 10.14006/ j. jzjexb. 2018. 12. 008.+ 2]熊学玉，葛益",姚刚峰•预制预应力混凝土双T板受弯性能足尺试验研究+ J/OL] •建筑结构学报，2020： 1-13 (2020-03-10) [2020-2-5 ]. https ：//dci. org/10. 14006/j. jzjgxb. 2019. 0862.+ 3] 张辉，赵勇，程春森•预制混凝土双T板企口端部受力性能试验研究[J]•建筑结构学报，2018, 39 (S2) : 28-5. DOI： 10. 14006/j. jzjgxb. 2018. S2. 005.[4] 傅日荣，孙帅.基于Abyus的火灾下预应力混凝土双T板有限元分析[J].混凝土，2019 (9) : 100-103. DOI： 10. 3969/j. ion. 1002- 3550.2019.09.024.[5] 山东省标准设计办公室•钢绞线预应力混凝土双T板：图集号L06GT08[Z].[6] Eurocodc 4 : Design of composite steel and concrete stycturcs: Part 1.2： Structural fro design: ENV 1994-1 -2 : 1994[ S].[7] Eurocodc 2: Designing of concrete structure: Paf 1-2： General ylcs: Structural fro design: ENV 1992-1-2: 1995 [ S].[8] 吴波•火灾后钢筋混凝土结构的力学性能+ M] •北京：科学出版社，2003： 53-65.[9] 谢狄敏，钱在兹•高温作用后混凝土抗拉强度与粘结强度的试验研究[J] •浙江大学学报(自然科学版)，1998, 32(5) : 87-92.[10] 郑文忠，胡琼，张昊宇.高温下及高温后1770级1P5低松弛预应力钢丝力学性能试验研究[J] •建筑结构学报，2006, 27(2) : 120128. DOI： 10.14006/j. jzjgb. 2006. 02. 018.[11] 李小红，沈玉根，程超.高温(火灾)后预应力混凝土受弯构件的抗裂度及强度[C]//第五届全国结构工程学术会议论文集•海口：中 国力学学会，1996.[12] 闵明保，李延和，高本立，等•建筑物火灾后诊断与处理[M] •南京：江苏科学技术出版社，1994： 11-15.[13] 白丽丽•火灾后钢筋混凝土构件的可靠性分析+ D] •哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008. DOI： 10.7666/d. y1438361.[14] 混凝土结构设计规范：GB 50010—2010[ S] •[15] 混凝土结构加固设计规范：GB 50367—2013 [ S] •[16] 张瀑，鲁兆红，淡浩，等•预应力混凝土框架结构实用设计方法+ M] •北京：中国建筑工业出版社，2012： 60-63.(编辑武晓英)(上接第11页)[2] 于宝义，李亚丽，林亚东，等.高速列车齿轮箱内部流场数值模拟[J] •沈阳工业大学学报，2019, 41 (3) : 273-278. DOI： 10.7688/j. isn.1000-1646.2019.03.07.[3] 刘中令，范乃则，田华军，等.高速机车齿轮箱内部润滑油流场特性数值模拟[J].机械传动，2017, 41(3) : 129-33. DOI： 10.16578/ ..isn.1004.2539.2017.03.025.[4] 周平.300 km/h高速动力车车轴齿轮箱的研制+ J].机车车辆工艺，2000(1) : 5-7.[5] 潘俊.高速列车驱动齿轮箱油浴润滑内流场数值分析+ D]•成都：西南交通大学，2016.[6] 朱亚超.机车齿轮箱内部流场分析+ D] •大连：大连交通大学，2015.[7] 吴特.高速齿轮箱体内流场分析及其密封结构数值研究[D] •成都：西南交通大学，2014.[8] 王琰，王丽娜，张开林.高速齿轮箱迷宫密封流场和泄漏特性的数值研究[J].内燃机车，2012(3) : 6-9. DOI： 10. 3969/j. imn. 1003- 1820.2012.03.003.[9] 高超，张开林，张雨，等.基于流固耦合理论的高速齿轮箱内部流场数值分析[J]•润滑与密封，2018, 43 (8": 69-75. DOI： 10.3969/ ..isn.0254-0150.2018.08.011.[10] 杨忠坤，缪炳荣，张晓霞，等.高速列车齿轮箱流场仿真研究[J] •机车电传动，2017 ( 2) : 57-0. DOI： 10. 13890/j. ion. 1000-28 2017.02.103.[11] 鲍和云，范永，朱如鹏，等.齿轮箱浸油润滑流场及温度场仿真分析[J] •中南大学学报(自然科学版)，2019, 50 (8 ) : 1840-1847. DOT： 10.11817j..isn.1672-7207.2019.08.011.[12] 王楠.机车齿轮润滑油流场仿真分析+ D] •大连：大连交通大学，2019. DOI： 10. 26990/d. cnki. osltc. 2019.000111.(编辑 章梦)Otp :z//w/w. cOinacoe. cncae' samta. edu. cn % smucae' 163. com
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