于祥

摘要：通过Fluent数值仿真方法，分析了高速动车组齿轮箱所用迷宫密封各级密封结构对密封效果的影响。选取高速动车组齿轮箱所用的某一种迷宫密封，建立迷宫密封的二维模型，分析了该密封模型密封性能的优劣，研究了局部结构对整体密封性能的影响情况。

关键词：迷宫密封；密封结构；仿真计算

引言

高速动车组在中国已经越来越多的投入运营，极大地改善了人员的出行舒适性。齿轮箱作为动车组的关键驱动部件，其性能优劣直接影响到列车运行的动力性、安全性和可靠性。随着列车运行速度的提高，齿轮箱内部流场更加紊乱，压力波动更加复杂，直接影响箱体内润滑油合理均匀的分布，同时也增加了对密封系统的密封性能的考验。高速动车组的齿轮密封通常采用的是组合式的迷宫密封结构，因此对其密封机理的分析就具有很重要的意义。

一、迷宫密封的类型及机理

1.迷宫密封的类型

迷宫密封形式多种多样，根据不同的形式又分为不同的类型。常见的几种结构类型有：直通式、错齿式和阶梯式等。本文研究的是应用在高速动车组转向架齿轮箱传动轴段的迷宫密封。

2.迷宫密封的机理分析

“迷宫效应”是指经过迷宫通道内部的流体受到来自迷宫的阻力而流量有所减低的机能，其中包括流体力学效应（液体）和热力学效应（气体），前者又分为摩擦阻力效应和流束收缩效应，另外还有透气效应等。

二、仿真分析流程

本文研究的是高速动车组齿轮箱轴端组合迷宫密封結构，采取二维模型进行仿真分析。仿真分析的分析过程，依次为建立模型、生成网格、设定边界条件、计算和结果的后处理。所使用的仿真软件为Fluent。

三、仿真结果分析

本文选取了高速动车组迷宫密封设计过程中的一种迷宫密封结构进行分析，模型的计算结果与分析如图1所示。

对于A直通式结构，从压力云图中容易看出，并没有明显的压力降低现象；而在速度云图中，容易看出，流体直接从间隙横穿而过，并没有在环形腔中产生回旋涡流。对于B错齿式结构，从压力云图中容易看出，经过B结构后，压力显著降低，且通过第一个节流齿后，压力由1800Pa降低到1200Pa，经过第二个节流齿后压力从1200Pa降低到800Pa。对于C结构，从压力云图和速度云图中容易看出，出现明显的回旋涡流现象，且流体速度在该处出现非常显著的增大现象。而对于D结构，则同样出现了回旋涡流。

从上述的现象中，可以得出如下结论：

1.A直通式结构并没有良好密封效果，但由于仿真是在二维情况下进行分析，难以排除在考虑三位周向运动的情况下，是否会产生一定的密封效果，但考虑到圆周运动相对于轴向和径向影响较小的角度考虑，该结构更多是储存经过动能耗散后液化的润滑油，或在极端情况下直接泄漏的润滑油。

2.B错齿式迷宫密封结构，具有良好的密封效果，而且在整个密封结构中占据主导作用。且第一个节流齿的密封效果最好，随着节流齿的增加，每个节流齿的密封效果有所下降。与此同时，可以通过改善该结构的参数，如间隙宽度，宽深比和最佳节流齿等来更大程度的提高迷宫密封整体的密封性能。

3.C结构处出现了异常明显的回旋涡流现象，根据上文所述的密封机理，在该出会产生明显的功能耗散，理论上能够提升迷宫密封的密封性能，但功能耗散愈明显，油气在此处液化也越明显，而且此处出现速度高峰，且靠近出口，在此种情况下就使润滑油有流出的倾向，使迷宫密封的性能减低。因此，针对此处迷宫密封结构，可以考虑在此处添加了一个唇形密封圈，可以改善此处出现的问题。

4.D结构处出现明显的回旋涡流，则说明此处结构具有功能耗散作用，可以通过轮廓曲线的设计，使其结构能够更加有利的形成回旋涡流现象，从而改善整体密封结构的密封性能。

四、结论

本文主要从理论上对齿轮箱迷宫密封进行了初步研究，建立了齿轮箱迷宫密封模型，进行了密封结构仿真分析，分析了各处密封结构的密封性能。通过对迷宫密封的机理分析和仿真计算，可以给迷宫密封结构的设计和优化提供较大的指导价值。而且在迷宫密封出现泄漏的情况下，有助于分析和查找密封出现不良情况的结构所在。通过对组合迷宫密封的各部分的结构分析，可以对各种不同密封之间的组合提供借鉴作用，提高组合设计迷宫密封的密封效果和设计效率。

参考文献

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[2]吴特，米彩盈.高速齿轮箱润滑系统密封结构的数值研究[J].铁道学报，2014，（4）

[3]王琰，张开林，王丽娜.错齿式迷宫密封空腔尺寸对泄漏量的影响[J].机车电传动，2012，（1）

[4]刘卫华，林丽，朱高涛.迷宫密封机理的研究现状及其展望[J].流体机械，2007，35（2）

（作者单位：中车青岛四方机车车辆股份有限公司）