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城市轨道交通齿轮箱润滑性能研究

刘杰  
【摘要】:随着我国城市轨道交通工业向着高速、重载方向发展,对城市轨道交通齿轮箱的承载能力和传动速度提出了更高的要求。城市轨道交通齿轮箱的润滑性能对其承载能力和传动速度有很大的影响,因此对城市轨道交通齿轮箱的润滑性能进行研究有着非常重要的现实意义。城市轨道交通齿轮箱润滑性能主要包括:齿轮润滑状态、齿轮箱的有效润滑油量、齿轮箱热平衡温度与效率、齿轮箱迷宫密封的泄漏量、润滑油的性能。齿轮润滑状态决定了润滑油的添加剂类型,齿轮箱的有效润滑油量影响齿轮箱热平衡温度和效率,齿轮箱迷宫密封的泄漏使得有效润滑油量降低,齿轮箱内压力场分布决定了迷宫密封的入口压力;润滑油的粘度也直接影响着齿轮箱热平衡温度与效率。本文对城市轨道交通齿轮箱齿轮润滑状态、齿轮箱有效润滑油量、热平衡温度和效率、迷宫密封泄漏量以及润滑油的性能进行了研究;其主要研究内容如下。(1)本文基于AGMA 925-A03标准与城市轨道交通齿轮箱运行工况建立了城市轨道交通齿轮箱齿轮润滑模型;经计算并分析得出匀速行驶工况齿面油膜厚度与膜厚比最大,其次是减速工况、二级加速工况、一级加速工况;分析得出齿轮齿面的油膜厚度与膜厚比随着齿面粗糙度增大而降低,齿轮齿面的油膜厚度与膜厚比随着润滑油粘度增大而升高;城市轨道交通齿轮箱在一级加速、二级加速工况下齿轮处于边界润滑状态,在匀速和减速工况下齿轮处于混合润滑状态。(2)对齿轮处于混合润滑状态的城市轨道交通齿轮箱匀速工况,使用计算流体力学方法对城市轨道交通齿轮箱流场进行仿真分析;根据流场仿真结果优化了齿轮箱内部流道结构,使箱体内部液阻减小且有效润滑油量增加。对城市轨道交通齿轮箱在不同浸油深度下、不同输出轴转速下的有效润滑油量进行研究,结果表明输出轴转速和输出轴齿轮的浸油深度增加会使城市轨道交通齿轮箱有效润滑油量增加,确定了轨道交通齿轮箱的浸油深度。(3)根据轨道交通齿轮箱的浸油深度,计算齿轮搅油功率损失,并建立了城市轨道交通齿轮箱的热网络模型,得出各节点的热平衡温度;经分析得出城市轨道交通齿轮箱随着输入轴转速的增加、润滑油粘度的增加、箱体导热系数的降低,其箱体内润滑油、输入轴轴承、输出轴轴承、齿轮的热平衡温度升高;城市轨道交通齿轮箱润滑油的热平衡温度随浸油深度的增加,先降低后升高。建立了城市轨道交通齿轮箱效率模型,分析得出匀速工况下搅油功率损失最大,在一级加速工况和减速工况下搅油功率较小;搅油功率损失随转速增加而增大;随着输入轴转速的增加,城市轨道交通齿轮箱的效率先增加而后减少;随着输入扭矩的增加,城市轨道交通齿轮箱的效率增加,直到效率值稳定。随着粘度的增加,城市轨道交通齿轮箱的效率先增大后减小。(4)根据城市轨道交通齿轮箱内部压力场分布,得出迷宫密封的入口压力;根据热力学和流体力学理论建立方形迷宫密封数学模型;通过迭代方法求解得出方形迷宫密封泄漏量公式。通过流场仿真方法研究方形迷宫密封几何参数对迷宫密封泄漏量的影响,研究结果表明方形迷宫密封泄漏量随着进出口压差、旋转轴半径、密封间隙的增大而升高;随着转速的升高,空腔宽度的增大迷宫密封的泄漏量减小;随着方形密封空腔深度的增大,泄漏量先减小后增大。经分析得出圆形空腔半径增加,圆形迷宫密封泄漏量减少;菱形空腔夹角增加,菱形迷宫密封泄漏量增加;条件相同时,圆形迷宫密封的泄漏量小于方形迷宫密封的泄漏量,也小于菱形迷宫的泄漏量;根据上述研究结果对三种城市轨道交通齿轮箱迷宫密封进行优化,结果表明优化后的城市轨道交通齿轮箱迷宫密封泄漏量减少。(5)建立了城市轨道交通齿轮箱试验台架,进行了城市轨道交通齿轮箱热平衡温度试验,通过台架试验得出的关键元件的热平衡温度与第四章热网络法得出的热平衡温度误差在5%以内,验证了城市轨道交通齿轮箱热网络模型的有效性。通过城市轨道交通齿轮箱台架试验验证了随着齿轮浸油深度的增加城市轨道交通齿轮箱关键元件热平衡温度先减小后增大的规律;通过城市轨道交通齿轮箱台架试验验证了随着输入扭矩的增大城市轨道交通齿轮箱效率先增大后趋于稳定的规律。根据城市轨道交通齿轮箱频繁启动工况与摩擦学分析设计得出城市轨道交通齿轮箱润滑油参数;将根据设计参数配制的润滑油在城市轨道交通试验台架上进行48小时启停冲击试验,验证了城市轨道交通齿轮箱润滑油设计参数的合理性。通过台架试验方法研究了城市轨道交通齿轮箱润滑油粘度、粘度指数、极压抗磨添加剂对城市轨道交通齿轮箱润滑性能的影响,研究结果表明:随着润滑油粘度的增大,城市轨道交通齿轮箱的轴承温升、润滑油温升增大,效率降低;随着润滑油粘度指数的增加,城市轨道交通齿轮箱的轴承温升、润滑油温升降低,效率升高;润滑油极压抗磨添加剂可以使城市轨道交通齿轮箱的轴承温升、润滑油温升降低,效率提高。


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