机车齿轮箱温度及压力场仿真研究

论文摘要

机车齿轮箱工作过程中,由于齿轮啮合传动功率损失、齿轮搅油功率损失、轴承传动表面摩擦等生热等导致齿轮箱内部及箱体产生温升；齿轮高速旋转时,箱体内油液以高速飞溅形式润滑冷却齿轮及各个部件,同时冲击箱体各个部位,轮箱密封部位及出换气孔可能出现漏油等现象,给齿轮箱密封性能带来很大问题。以动态模拟仿真为手段,研究高速机车传动齿轮箱内部温度场、压力场分布情况,能够通过可视化窗口,分析齿轮箱内部流体流动情况,揭示齿轮箱腔内流体运动规律,可以为改善齿轮箱密封性能、散热问题提供现实指导意义。本文建立简化齿轮箱数值仿真计算模型,分析齿轮箱的发热机理和对流换热情况,确定了箱体面壁对流换热系数,计算齿轮箱结构生热,建立热平衡稳态能量方程,求解齿轮箱温度场。研究结果表明,齿轮箱温度场呈以齿轮处啮合处温度最高,并以此为中心温度场呈梯度向外递减；齿轮箱热平衡温度随着转速、环境温度增加呈线性增加；齿轮箱热平衡温度值随着浸油深度的增加不再呈线性规律。温度值出现最低点出现在,浸油深度在0.75倍齿高至1.0倍齿高之间区域；浸油深度1.0倍齿高至1.75倍齿高区域,齿轮箱热平衡温度随着浸油深度增加而增加；浸油深度0.25倍齿高至0.75倍齿高区域,齿轮箱热平衡温度随着浸油深度增加而减少。对于齿轮箱流场研究,使用动网格技术,建立齿轮箱两相流的湍流模型,利用Fluent动态模拟仿真,虚拟再现油液随齿轮转动而流动的瞬态变化过程,以及油液侵蚀箱体过程的细节。研究结果表明,齿轮箱腔内压力值随著齿轮箱运行,开始由一标准大气压下降,其换气孔附近腔内压力略小于外界大气压值,稳定在0.0825MPa至0.087MPa之间波动；齿轮箱运行稳定时,齿轮箱腔内压力随著电机转速增加。通过对齿轮箱温度场、压力场模拟仿真,分析温度场、压力场分布情况,研究齿轮箱实际运行工况对其影响规律,可以有效的预防齿轮箱过热、泄露问题,同时为齿轮箱设计、结构优化提供重要参考数据和理论指导。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 齿轮箱温度场及压力场研究发展状况
• 1.2.1 国外研究状况
• 1.2.2 国内发展状况
• 1.3 论文的研究方法和主要工作
• 1.3.1 论文采用的研究方法
• 1.3.2 论文的主要内容
• 第2章 计算流体动力学基础及Fluent软件介绍
• 2.1 计算流体动力学（CFD）概述
• 2.2 CFD基本特性
• 2.3 CFD基本模型
• 2.3.1 基本控制方程
• 2.3.2 湍流模型
• 2.3.3 多相流模型
• 2.3.4 边界条件设置
• 2.3.5 CFD数值模拟算法
• 2.3.6 CFD的求解过程
• 2.4 Fluent软件介绍
• 2.4.1 Fluent软件组成及特点
• 2.4.2 Fluent软件求解步骤
• 2.4.3 Fluent软件操作界面
• 2.5 本章小结
• 第3章 齿轮箱热平衡分析及相关参数计算
• 3.1 传热学基本理论
• 3.2 箱体导热及传热
• 3.2.1 箱体导热系数
• 3.2.2 箱体面壁对流换热系数
• 3.3 齿轮箱发热分析
• 3.3.1 齿轮啮合过程中功率损失
• 3.3.2 轴承功率损失
• 3.3.3 搅动润滑油功率损失
• 3.4 齿轮箱热平衡
• 3.5 本章小结
• 第4章 齿轮箱温度场模拟仿真
• 4.1 Fluent环境下定义及求解
• 4.1.1 模型简化、建立及网格划分
• 4.1.2 模型选择及边界条件定义
• 4.2 转速和浸油深度对齿轮箱温度场的影响
• 4.2.1 不同转速及浸油深度下齿轮箱温度场分布云图
• 4.2.2 分析转速及浸油深度对齿轮箱温度场影响
• 4.3 外界环境温度对齿轮箱温度场影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 齿轮箱流场动态模拟仿真
• 5.1 齿轮箱流场计算模型
• 5.1.1 动网格模型
• 5.1.2 流场模拟数值解法
• 5.1.3 物性参数及边界条件
• 5.2 求解齿轮箱流场
• 5.2.1 齿轮箱的速度矢量
• 5.2.2 不同瞬时齿轮箱速度场
• 5.2.3 不同瞬时齿轮箱压力场
• 5.2.4 转速对齿轮箱压力场影响
• 5.3 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文