[發明專利]一種基于數字孿生的齒輪泵維護方法

有效

• 申請號: 202110605998.8
• 申請日: 2021-05-31
• 公開（公告）號: CN113255220B
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發明（設計）人: 嚴如強;許文綱;周崢;孫闖;田紹華;王志穎;梁清華
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G06F30/28;G06N3/04;G06N3/08;F04C2/14;F04B51/00;G06F113/08;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 覃婧嬋

1.一種基于數字孿生的齒輪泵維護方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

測量并實時接收齒輪泵工況參數，工況參數包括工作壓力、流量、轉速、扭矩和溫度；

基于工況參數計算齒輪泵容積效率和極限轉速以評定齒輪泵的運行狀態并對失效作出預估，其中，

， ，式中：為極限轉速；為工作壓力；為油液的動力粘度；為軸承和軸瓦的間隙；為軸承半徑；為容積效率；為工作壓力下的排量；為空載壓力下的排量；為工作壓力下的流量；為空載壓力下的流量；為工作壓力下的轉速；為空載壓力下的轉速，

計算齒輪泵的主、從動齒輪的中心位置和摩擦副磨損量，其中，中心位置為：，

式中：為齒輪1的質量；為齒輪1所受的軸承反力在x軸方向分力；為齒輪1所受的壓力在x軸方向分力；為齒輪1所受的軸承反力在y軸方向分力；為齒輪1所受的壓力在y軸方向分力；為齒輪所受的嚙合力；為齒輪1的轉動慣量；為齒輪1的轉角；為齒輪1所受壓力產生的轉矩；為電機產生的轉矩；為齒輪1嚙合點的半徑；為齒輪2的質量；為齒輪2所受的軸承反力在x軸方向分力；為齒輪2所受的壓力在x軸方向分力；為齒輪2所受的軸承反力在y軸方向分力；為齒輪2所受的壓力在y軸方向分力；為齒輪2的轉動慣量；為齒輪2的轉角；為齒輪2所受壓力產生的轉矩；為齒輪2嚙合點的半徑，

摩擦副磨損量包括在齒輪端面與浮動軸套、齒頂和泵殼內壁之間的磨損量，齒輪端面與浮動軸套之間的磨損量決定齒輪端面與浮動軸套之間間隙的大小, 齒頂和泵殼內壁之間的磨損量決定齒輪泵泵殼與輪齒齒頂間隙的大小；摩擦副磨損量為：， ，式中：為摩擦副磨損量；為每次行程中磨損所消耗的能量；為行程次數；為每一行程滑動距離；為磨損系統常數；為零件所受的最大剪切力；

齒側間隙和齒頂間隙之間的流動等效為平板間的庫埃特-泊肅葉流動，根據壓差和間隙的大小得到通過間隙的流量，其中，

，

，

式中：為齒寬；為齒輪泵轉速；為齒頂圓半徑；為齒高；為平均齒高；為油液動力粘度；為齒頂厚度；為節圓處齒厚；為第腔壓力；為第個腔壓力；為齒頂間隙流量；為齒側間隙流量；

在絕熱、等熵的條件下，且，根據連續性方程可得第i個控制體中的壓力：

，

，

式中：為體積彈性模量；為齒輪泵轉速；為第i個控制體體積；為齒輪轉角；為第i個控制體中流量的變化量；為第i+1個控制體通過間隙流入第i個控制體的流量；為第i個控制體通過間隙流出的流量；

利用上式對進口控制體、等體積控制體、出口控制體、密閉腔控制體依次進行建模，從而得到整個內流場壓力的大小，模型如下式：

式中：為齒輪1第n個齒腔的壓力；為齒輪2第m個齒腔的壓力；為齒輪泵密閉腔的壓力；為齒輪泵出口壓力；為齒輪泵進口壓力；

齒輪泵外流場中，測點處壓力脈動信號P_out(t)的傅里葉展開為：

式中：n=1時，為轉頻的基波分量；為轉頻的諧波分量；n=1…6；為轉頻；為轉頻產生壓力脈動信號幅值；為常數；為齒頻產生壓力脈動信號幅值；為調幅系數；為調頻系數；為相位角；為齒頻；m=1…6；為調幅信號；為調頻信號，

建立齒輪泵的數字孿生模型，以齒輪泵出口壓力脈動為預測維護模型的監測信號。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，齒輪泵外流場測點處壓力脈動信號的展開中，對實測數據和仿真數據進行時域分析、頻域分析、小波分析、泛函分析或矩陣分析。

3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，時域分析包括時域統計分析或相關性分析，頻域分析包括FFT、相干分析、倒頻譜分析或自回歸譜分析。

4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，通過解微分方程組計算主、從動齒輪的中心位置以及摩擦副的磨損量。

5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，齒輪泵內流場中，通過四階，五階Runge-Kutta單步算法求解壓力脈動的微分方程組。

6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，齒輪泵外流場中，采用均質湍流譜分析方法，通過神經網絡來學習不同工況下齒輪泵測點處湍流中各種不同尺度渦的能量分布，來修正試探函數空間的基函數系數，從而優化壓力脈動數學模型的參數。