高速列车传动齿轮箱热分析的建模与仿真

个系统温升 ，使齿轮产生热变形 ，振动 ，噪声增大，降低系
统 动态 性 能 ，严 重 时 卡死 齿 轮 。
１ 齿轮箱热分析模型与求解
为 便 于齿 轮 箱 热 分析 模 型 的求 解 ， 略两 啮 合 齿轮 的旋 忽
针对高速列车传动齿轮箱进行温度场的建模和仿真， 可
有效预测齿轮箱 的温 度场和研究结构及运 行条件对齿轮箱 温度场 的影 响， 为齿轮箱 的可靠运行和增强散热提供理论依 据 。国外关于齿轮箱热损 失和热效 率的计 算研 究较 多『 Ｊ ｌ，
箱体底部与基础相接触的情况 ，一般 固定底座较厚，可认为 底面温度 已知且为常数，成为第一类边界条件 。高速列车 中
齿 轮 箱 为悬 空 安 装 ，齿轮 箱 底 部 仍 使 用对 流换 热 边 界 条 件 。
２ ． ２齿轮箱全负荷加载温测实验
为验证模型的有 效性 ， 本研究对齿轮箱在对应列车运行
速 度 为 ３ ０ ｍ ｈ时 进 行 了 全 负荷 加 载 实 验 ， 用 热 电偶对 齿 ０ｋ ／ 使 轮 箱 体 表 面 四个 轴承 的上 方 和 油 池 内 的温 度 进 行 了监 测 。 实 验 时 ，环 境 温 度 为 ３ ．＂ ０６Ｃ，大 齿 轮转 速 为 １９ ｒｍ，小齿 轮 ３ｐ ７ 转 速 为 ５０ ． ｐ ２ ８２ ｍ， 实验 风 速 为 ｌ ｍ ｓ ｒ Ｏ ／，齿 轮 啮 合 线 速度 为 ４ ．ｍ ｓ 图 ｌ为齿 轮 箱 正 转 全 负 荷 加 载试 验 齿 轮 箱 温 升 曲 ９ ／。 ６ 线 。由图 可 见 ，相 同大 小 的 两 轴 承温 升 不 同 ，这 是 由于两 啮 合 齿 轮 为斜 齿轮 ，两 轴 承 的径 向载 荷 和 动 负荷 不 同 ，导致 轴 承 热 损 失 不 同所 致 。齿轮 箱 在 运 行 约 １０分钟 后 ，系 统达 到 ５ 平 衡 状 态 ，温 度 不 再 升 高 。其 中 ，油池 和 大 负 荷 的大 轴承 局 部 温 度 较 高 ，平 均 平 衡 温 度 为 ９ ．９Ｃ，对 应 小 负 荷 的 小轴 ６２ ￣ 承 平 衡温 度 较 低 ，平 均 值 为 ９ ．２Ｃ；大 负 荷 的 小轴 承 和 小 １ ￣ ７ 负 荷 的大 轴 承 局 部 温 度 的 平 均平 衡 温 度 为 ９ ． ￣ ３ ０Ｃ。 ５
收穑 日 期： ０６１ ２０ ． ０ ０７ 修回日 期：２０ ． － ０６ １ ２ ７ １
转， 考虑到箱体内除齿轮外的空间较小， 忽略齿轮箱内润滑
油与油气混和物 的流动，只考虑其导热 ，建立齿轮箱的瞬态 导热能量控制方程有：
望
Ｏ ｔ
豢等 ＋ ＋＋ Ｑ
㈣
其中， ， ，为迪卡尔坐标， 为气流密度；ｃ为定容比热 ，Ａ Ｙｚ ｐ ｖ 为导热系数 ，ｆ 为时间，丁 为温度 ，Ｑ 为单位体积的内热源 即
ｓｒ ｃ ｇａ ｏ ｎ ｂｉ ｔ ｎｏｌｎｓｍ ，ｈ ｏ ｅｗ ｓ ｅｉｅ， ｎｔｉｂ ｓ， ｅ ｅ ｐ ｒｔｒ ｉｒ ｕｉ ｅ ｒｏ ｕ ａ ｅ ｆ ｅｒ ｘａ ｄ ｕ ｒ ａｉ ｉｉ ｕ ｐ ｔｅ ｄ ｌ ａ ｒ ｄ Ｏ ｓ ａｅｔ ｍ ｅａｕｅ ｓ ｉ ｔ ｎｉ ｇａｂｘ ｆ ｏ ｂ ｌ ｃ ｏ ｍ ｖ ｆ ｉ ｈ ｈ ｔ ｄ ｔｂ ｏ ｎ ｗ ｓ ｎ ｌ ｅ．ｔｓｏ ｎ ， ｅ ｉ ｍ ｅａｕｅｚｎｓａｐ ａ ｅｒ ｈ ｃ ｔ ｎｏ ｅ ｔｏ ｒｅ．ｔｎｌｄｓｈ ｎ ｒ ｉｅ ａ ａｙ ｄ Ｉ ｉ ｕｄ ｔ ｇ ｔ ｐ ｒｔｒ ｏｅ ｅｒ ａ ｅｌ ａｉ ａ ｚ ｆ ｈ ｈ ｈｅ ｐ ｎ ｔ ｏ ｏ ｆｈａ ｕｃｓＩｉｃ ｅ ｅｉ ｅ ｄ ｓ ｓ ｕ ｔ ｎ ｓ ｆ ｏ ｔｏｂｇｂａｓ ｎ ｅ ｕ ｉｅ ｇ ａｓＴ ｅｌｗｔ ｐ ｒｔｒ ｎ ｆ ｒ ｒｍ ｔｅ ｅｔ ｏｒｅ、 ｈ ｏｋ ｒｖｄｄｎ ｃｓ ｒ ｗ ｉ ｅ ｒ ａ ｄｔ ｔｄ ｅｒ． ｈ ｍ ｅａｕｅｚ ｅｉ ａ ｆｏ ａ ｕｃｓＴ ｅｗ ｒ ｏ ｉｅ ｅｅｓ ｙ ｈ ｏｓ ｏ ｆ ｏ ｅ ｏ ｓ ｈｈ ｓ ｐ ａ
３０ｒｈ高速列车传动齿轮箱进行 了热分析研究， ０ｋ ／ ｎ 建立 了传动齿轮 葙的传热数学模 型。 采用有 限差 分 的款值求解方 法。对传动齿轮葙 的整体温度场进行求解 。并与 实际测量款捂进 行对 比。在验证 模型有效性 的基础上 。分析 了传动齿轮 葙的温度场分布规律 。为高速列车传动齿轮 箱平衡 温度 的
温度场分析 。 本研 究以 ３ ０ ｍ ｈ 高速列车传动齿轮箱整体为研究对 ０ｋ ／
象 ，在 进 行 热损 失和 传 递 规 律 分析 的基 础 上 ，建 立其 传 热 能
响， 能会导致齿轮表 面的胶合破坏和轴 承烧伤咬死 ， 可 润滑、
油 温度 过 高 ，还 可 能会 引起 齿 轮 箱 的 密封 问题 。同 时 ，油温
陈晓玲 ， ： 等 高速列车传动齿轮箱热分析的建模与仿真
Ｄｅ ．２ ｏ ｃ． ｏ ７
Ｃ ＝（，ｚ，Ｑ ｆｘ ， 。 由 于 高速 齿 轮箱 的最 高温 度 发 生 在 ｐｆ Ｙ ） ＝（，ｚ ｘ， ｙ） 系 统 达 到平 衡 态 时 ，工 程 上 较 关 心 齿 轮 箱 平 衡 态 的温 度 分 布 ，本 研 究仪 对 稳 态 能 量 方程 求 解 ， 即ａ 仁０ ａ 。 方程 封 闭求 解 需 要 确定 边 界 条 件 ， 齿轮 箱 外 表 面 与 空 气 接 触 面 ， 设定 为 对 流 换热 边 界 条 件 ，对流 换热 系 数 的选 取 ， 与 环 境 的 风速 ，温 度 ，齿 轮 箱 的几 何 结 构等 有 关 。齿 轮 箱 的
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第 ｌ ９卷第 ２ 期 ３ ２０ 年 ｌ ０７ ２月
系 统
仿
真
学 报＠
Ｖ ． ９ＮＯ ２ １１ ．３
Ｄｅ 一２ ｏ ｃ ｏ７
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＳ ｓｅ ｉ ｕ ａｉｎ ｏ ｒ ａ ｙ ｔｍ Ｓｍ ｌｔ ｏ ｏ
高速列车传动齿轮箱热分析的建模与仿真
预测和齿轮 箱的可靠运行研 究提供 了理论基础 。 关键词：高速 列车；传动齿轮 箱；热分析；温度场
中图分类号：Ｔ ３ １ Ｈ１
文献标识码：Ａ
文章编号：１０ ．３ Ｘ（０ ７ ２．５ ６０ ０４７ １ ２０ ） ３５ ４ —３
Ｔｈ ｒ ｌ ｏ ｅｉ ｇａ ｄＡｎ ｌｓｓｏ ｐ ｒＧｅ ｒＵｓ ｄ ａ ｇ ｐ ｅ ｒ ｉ ｅ ｍａ ｄ ｌ ｎ ａｙ ｉ ｆ ｕ ａ ｅ ｔ Ｍ ｎ Ｓ Ｈｉ ｈ Ｓ ｅ ｄ Ｔ ａ ｎ
方 程 的源 项 ，齿 轮 箱 内 各部 分 的 热损 失 ，根 据 其 产 生和 传 递
作者简 介 ：陈 晓玲（９ ２） ，山东东营人 ，副 教授 ，研 究方 向为 系统 １７－，女 仿真与计算流体动力学；张武高（９ ９） １６ 一 ，男，湖北仙桃人，副教授，研 究方向为动力机械与替代能源；黄智勇（９５） １７ ．，男，江西东乡人，工程 师 ，研究 方 向为高速列 车 、动 车组和 城市轨 道车 辆传动 系统研 究 ；周 平 （９６） ，四川简 阳人 ，高工 ，研 究方 向为高 速列车 、动车 组和城 市 １６， ，男 轨道 车辆传 动系统研 究 。
关 于油气空间的油气混合物 的物性 ， 这里根据油气所 占
的体 积 百分 ，对 润滑 油和 空气 物 性 进 行 折 合 计算 ，有 ：
Ｍ ＝Ｖ ｌ ×Ｍ ＋（一Ｖ ｌｆｘＭ。 Ｏｏ ｆ １ Ｏｏ）
其 中，
为所求的物性参数 ，下标 ｏｌ ａ ｉ和 ｉ ｒ分别代表润滑
油 和 空 气 ， 场 为 润滑 油 的 体 积 百 分 比 ，与 齿 轮箱 内腔 的 几何结构 ， 转速 和 浸 油 深 度 有 关 ， 这பைடு நூலகம் 根 据 文 献 【】 ８的实 验 数 据确定 。
ｔ ｅ ｒ ｔ ａ ｆ ｕ ｄ ｔ ｎ ｆ ｒ ｈ ｅ ｍａ ｎ ｌ ｓｓ ｒ ｉ ｈ ｓ ｅ ｄｓ ｕ ｅ ． ｈ ｏ ｅｉ ｌ ｏ ｎ ａｉ ｏ ｅｔ ｒ ｌ ａｙ ｉ ｇ ｐ ｅ ｐ ｒｇ ａ ｃ ｏ ｔ ｈ ａ ｏ ｆ ｈ ｒ Ｋｅ ｒ ｓ ｈｇ ｐ ｅ ａｎ ｓ ｕ ｅ ； ｈ ｒ ａ ｄ ｌ ｇ ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ｅｄ ｙ ｗｏ ｄ ： ｉ ｈ ｓ ｅ ｄ ｔ ｉ ； ｐ ｒ ａ ｔ ｅ ｒ ｇｒ ｍ ｌ ｍｏ ｅ ｉ ； ｅ ｅ ａ ｕ ｅｆ ｌ ｎ ｉ
ＣＨＥＮ Ｘｉ ｏ １ ｇ ， ａ ．ｉ ＺＨＡＮＧ ． ａｏ ， ＵＡＮＧ ｉＹ ｎ Ｚ ＯＵ ｎ ｎ Ｗｕ ｇ Ｈ Ｚｈ ． ｏ ｇ ， Ｈ Ｐｉ ｇ
（． ｃ ｏ ｌ ｆ ｅｈ ａ ｄＰ ｗｅ ｎ ．Ｓ ａ ｇ ａ Ｊａ ｔｎ ｉ．Ｓ ａ ｇ ａ ０ ０ ０ Ｃ ｉａ １ Ｓ ｈ ｏ Ｍ ｃ ． ｎ ｏ ｒ ｇ， ｈ ｈ ｉ ｉｏｏ ｇＵｎｖ， ｈ ｈ ２ ０ ３ ， ｈｎ ； ｏ Ｅ ｎ ｎ ｉ ２ ＣＳ Ｑｉｈ ｙ Ｌ ｃ ｍｏｉｅ＆ Ｒ ｉｎ ｔｃ ｅｈ ｏｏ ｙＲｅｅｒｈＩｓｉ ｔ，ｉ ｇ ｕ２１０１， ｉａ ． Ｒ ｓｕ ａ ｏ ｏ ｔ ｎ ｖ ｏｌ ｇ ＳｏｋＴ ｃ ｎ ｌｇ ｉ ｓａｃ ｎｔｔ ｅ Ｊａ ｓ ３ １ Ｃｈｎ ） ｕ ｎ Ａ ｂｓｒ ｔ Ａｃ ｏｒ ｉ ｇ ｔ ｈ ｅ ｔ ｔａ ｆ ｒ ｃ ａ ａ ｔｒｓｉｓ ｏｆ ａ ｐｒ ｃｉ ａ ｐｕ ａ ｅ ａ ０ ｍ ／ ｇ ｓ ｅ ｔａｎ，ｔ ｔ ａｃ ： ｃ ｄ ｎ ｏ ｔ ｅ ｈ ａ ｒ ｎｓｅ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔｃ ａ ｔｃ ｌｓ ｒ ｇｅ ｕｓ ｄ ｔ ３ ０ｋ ｈ ｈｉｈ ｐｅ ｄ ｉ ｈｅ ｒ ｒ ｍａｔｅ ａ ｉａ ｏ ｌａ ｏｌ ｉ ｓ ｕ ｈ ｍ ｔｃ ｌｍ ｄｅ ｎｄ ｓ ｕｔ ｏｎ ａ ｓ ｍｐｔｏ ｓ ｗｅｒ ｓａ ｉｈｅ ，Ｂｙ ｃ ｍｐａｒｎ ｅ ｉｎ ｅ ｅ ｔｂｌｓ ｄ ｏ ｉ ｇ ｔｍｐｅ ａ ｕ ｅ ｍｅ ｕ ｍ ｅ ｒ ｔｒ ａ ｒ ｓ ｅ ｎ￣ ａｔｔ ｅ ｏｕ ｓｄｅ ｔｉ ｈ
陈晓玲 张武 高 ， ，黄智 勇 ，周 平
（．上海交通 大学 动力机 械与 工程教 育部 重点实 验室 上海 ，２０ ３；２ １ ００ ０ ．中国南 车集 团戚墅 堰机 车车辆 工艺研 究所技 术 开发中心 ，江 苏 ２ ３ １） １０ １
摘 要 ：列车高 速运行时，传动齿轮箱在热方面的工作环境非常恶劣，针对中国南车集团开发的
部 分 文 献 ［４１］ 用有 限 元 程 序 对 齿 轮 箱 箱 体 和 油 池 进 行 １．７采
３ ０ｍ／ ５ ｋ ｈ运行 的新干线高速列车齿轮箱 实验条件下 的油温 可达 １０Ｃ。 ５ ￣ 油温上升导致润滑油粘度下降， 油膜 厚度减小 ，
传 动 间 隙减 小 甚 至 消 除 ， 齿 轮 和轴 承 的润 滑 造 成 很 大 的影 对
的方式，通过方程 的源项赋到相应的计算域上。方程中各物
性参数和源项为空间位置的函数，有２ｆｘ ， ，ｐｆｘ ， ， ＝ ，ｚ ＝ ，ｚ ｉ Ｙ） ｉ Ｙ）
・ ５ ６・ ５４
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第 １ ９卷第 ２ ３期
Ｖｂ ． ９ ＮＯ ２ １１ ．３
２０ 年１ 月 ０７ ２
引 言
列车高速运行时，驱动轴高速旋转 ， 传动齿轮箱的热损 失急剧增大 ，使得齿轮箱在热和机械方面都面 临很多问题 。
如 油 温 上 升 ，尤 其在 酷 热 的 环 境 下 ，根 据 日本 的 研 究 ， 以
对齿轮箱温 度场的研 究主要集 中在 啮合齿 的温 度场建模和 有限元求解 上 ｏ １ 。国内关于专 门针对高速列车齿轮箱的热 分析研究较 少， 关于飞机和 车用传动齿轮箱 的热分析研 究较 多，主要采用热网络法对齿轮传动系统进行热分析［－１ １１，有 １３
量方程， 在计算齿轮箱的各项热损失获得求解方程的源项 的
基础上，采用有限差分法， 高速列车传动齿轮箱 的整体温 对
度 场进 行 了求 解 和 分析 。
上升也加速 了齿轮油 的老化 ，使其寿命变短 ，变质及失效 。
另 外 ，齿 轮箱 内 的热 量 如 不 能有 效而 迅 速 的 散 出 ，会 导致 整