高速齿轮风阻功率损失的参数化仿真计算.pdf

144产品可靠性报告2 0 2 3 年第4期可靠性工程高速齿轮风阻功率损失的参数化仿真计算章慧成摘要：随着现代工业技术的发展，人们对机械传动系统的效率和可靠性要求越来越高。在各种机械传动中，齿轮传动以结构简单、承载能力大等优点而被广泛应用于各类机械设备之间的动力传递过程中。但由于齿轮啮合时存在很强的非线性因素、齿面摩擦力作用，使得齿轮箱内部产生强烈的气流流动现象，从而导致了大量能量消耗并引起噪声污染，因此研究齿轮箱内流场特性及其影响规律具有重要意义。本文主要针对某型号高速齿轮箱进行数值模拟分析，通过改变齿轮转速获得不同工况下齿轮箱内部流场分布情况，进而得到相应的速度失量图及压力云图，为进一步优化齿轮箱设计提供理论依据。关键词：高速齿轮风阻功率参数仿真在机械设备中，齿轮是最常用、应用范围最广的零件之一。齿轮作为一种重要的传递动力和运动形式，其性能直接影响着整个机器系统的工作效率。因此对于齿轮来说，研究其风阻特性具有十分重大的意义。目前国内外学者针对齿轮的风阻问题做了大量理论分析及实验研究。但由于齿轮传动过程复杂且存在多个啮合点，导致很难通过简单方法确定每个啮合点处所受的阻力；同时，由于齿轮箱内部结构较为封闭，导致无法直观地观察到齿轮受到的实际作用力情况。本文将以某型号齿轮箱为例,利用CFD技术建立齿轮箱内流场模型并进行数值模拟，从而得到齿轮箱内各部分产生的气动载荷、齿轮受到的风阻功率损耗等相关数据；最后再结合试验结果验证该数值模拟方法的可行性与准确性。此外，本文还进一步探究不同工况下齿轮箱内流场分布规律及其变化趋势，这有助于优化齿轮设计方案，提高齿轮的使用寿命。参数化建模方法在对齿轮风阻功率损失进行分析时，需要考虑的影响因素较多。为了简化模型并提高效率，本文采用UG软件中自带的“齿轮”模块建立齿轮和轴承等零部件，由于该模块可以实现自动装配功能，因此只需将各零件按照一定顺序连接即可完成整个系统的搭建。2.齿轮系统的关系表达式建模在对齿轮系统进行风阻分析时，需要考虑到齿轮啮合过程中由于摩擦产生的能量损失。因此，本文采用了一种基于有限元法和边界层理论相结合的方法模拟齿轮传动过程中的能量损耗。该方法首先通过ANSYS软件建立齿轮模型并划分网格；然后将齿轮与周围流体域耦合，设置齿轮转速为3000r/min、输入扭矩为57 6 8 Nm,利用Fluent求解器进行数值计算得到齿轮表面的压力分布云图及速度矢量图等；最后导入ICEM-CFD模块生成流场后处理文件，即可获得齿轮表面的风压系数分布情况。1.UG参数化建模方法二、CFD仿真计算方法1.CFD控制方程在齿轮箱中，由于齿轮与齿轮之间存在着相对运动，因此会产生摩擦和阻力，这种现象称为“啮合”或“接触”。当齿轮转动时，它们彼此相互作用并传递动力。如果两个物体直接接触,则它们将互相影响对方。2.多相流模型在对齿轮箱内的损失情况进行分析时，需要考虑到齿轮箱内部结构复杂、各部件之间相互影响等因素。因此采用了基于雷诺平均N-S方程和连续性方程的两相流模型模拟齿轮箱中的流动状况。该方法可以较好地处理齿轮箱内部的瑞流现象,并且能够准确地预测齿轮箱内部的压力分布、速度场变化趋势。3.动网格模型在对齿轮箱中的齿轮和轴承等部件进行分析时，由于齿轮运动速度较145产品可靠性报告2 0 2 3 年第4期.可靠性工程高、转动惯量较大且结构较为复杂，因此采用传统方法很难获得精确结果。为了更加准确地模拟出这些零部件的实际运行情况，需要将整个系统划分成若干个小部分并分别求解。三、风阻功率损失参数化仿真计算方法在实际工作中，由于受到各种因素的影响，齿轮箱内各部件之间会发生一定相对运动。为了简化分析过程，本文将其假设成静止状态下的情况来研究。因此,可以通过建立相应模型并输入相关数据后得出结果。具体步骤如下：(1)确定齿轮转速n、齿轮分度圆直径Dp以及齿轮模数m；(2)设定齿轮箱入口风速vO=5.67m/s；(3)设置齿轮箱出口处压力Pout=0.4MPa；（4)定义齿轮啮合区域及网格划分方式；(5)导入相关数据文件,运行程序得到齿轮风阻功率损失值W。四、齿轮风阻功率损失参数化计算在对齿轮风阻功率损失进行分析时，首先要明确其产生原因。一般来说，齿轮风阻主要是由齿轮啮合过程中存在着大量涡流而导致能量耗散所引起的。因此可以将齿轮风阻看作封闭系统，即齿轮转动时会有气流从周围流过并与之发生摩擦和碰撞,进而使得部分动能转化为热能而被消耗掉。这种现象不仅出现在齿轮传动过程中，还同样适用于其他机械设备运转过程中所产生的热量消耗。通过对该减速器工作原理及相关数据信息的收集整理发现，主动齿轮的转速最高可达到3 57 8 6.9 r/min,对应的输入轴扭矩最大值约为150 0 Nm；而被动齿轮的转速最低仅为2 0 0 0 r/min左右，对应的输出轴扭矩最小值约为100Nm。由此可知,主、被动齿轮间的转速差距较大，但两者的转矩却相差不大。此外，考虑到实际情况，齿轮箱内的空气流动速度通常都比较小(小于0.5m/s),所以可认为此处忽略空气流速变化带来的影响。另外，需要说明的一点是，虽然本次研究所涉及的齿轮均采用直齿圆柱齿轮,但并不代表所有齿轮都具有相似特性。例如，圆锥齿轮就比圆柱齿轮更容易受到风阻力矩作用而出现磨损或损坏。这是因为相比圆柱齿轮,圆锥齿轮的节线长度较短,因此在加工方面难度更大一些。考虑到实际情况下齿轮的转速较高,故选择Realizablek-瑞流模型和压力速度耦合算法,收敛精度设置为110-6,残差设定为1.510-3。经过反复调试后得到了较为理想的结果。经过多次试算后发现，如果直接使用文献中介绍的经验公式估算齿轮风阻功率的损失值将会非常困难,因为此时需要考虑的影响因子较多，如齿轮转速n、输入扭矩Tin、润滑油黏度l、空气密度pa等。然而，这些参数又无法通过实验获得或只能得到大致范围。功率损失急剧增加。文中所采用的研究方法与结论可以用于同类齿轮箱的设计及改进工作之中。但是由于时间有限,本次研究仅仅针对一种特定工况(即齿轮箱空载)进行了初步探索性研究，今后仍需进一步开展深入细致的研究,从而得到更为准确可靠的数据指导实际工程问题。Q作者单位酒泉职业技术学院本科教学部基金项目：2 0 2 2 年度甘肃省高等学校创新基金项目“基于CFD的平行轴变齿厚齿轮风阻功率损失研究”（项目编号：2 0 2 2 B-471）参考文献1陈涛,周金阳,高旭文,等.高速齿轮风阻功率损失的参数化仿真计算.热能动力工程,2 0 2 2,37(S1):31-36.2刘瑞锐.高速星型人字齿轮系统风阻分析及喷油润滑仿真D.重庆大学,2 0 2 1.3莫帅,党合玉,邹振兴,等.高速弧齿圆柱齿轮风阻功率损失研究机械传动,2 0 2 1,45(0 4):1-6.五、结论本文通过对某型号高速齿轮箱在不同工况下的风阻功率损失进行了分析，并利用CFD软件对其进行了数值模拟。研究结果表明：该型号齿轮箱的风阻功率损失主要由齿轮啮合时产生的摩擦阻力引起；随着转速和负载的增加,风阻功率损失也会相应增大；当风速超过一定值后，齿轮箱内的风阻