[發明專利]一種基于數字孿生的齒輪箱在線故障診斷方法

在審

• 申請號: 202310082627.5
• 申請日: 2023-02-08
• 公開（公告）號: CN116046384A
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發明（設計）人: 馬軍;李蓉;李祥
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: G01M13/021
• 分類號: G01M13/021;G01M13/028;G06F18/24
• 代理公司: 昆明合盛知識產權代理事務所(普通合伙) 53210
• 代理人: 牛林濤

本發明公開了一種基于數字孿生的齒輪箱在線故障診斷方法，首先，基于加速度、位移、壓電傳感器等，對齒輪箱參數進行采集，獲取齒輪箱的完整數據信息，包括靜態數據和動態數據；其次，根據靜態數據和動態數據構建齒輪箱的數字孿生模型，利用所構建的齒輪箱數字孿生模型與實體設備振動信號的余弦相似度值作為模型更新的衡量標準，最優化齒輪箱特征參數，動態修正模型，獲得實時同步的齒輪箱數字孿生模型，實現齒輪箱的“虛?實聯動”；然后，通過預定義齒輪箱故障類型，進行齒輪箱故障機理分析，生成孿生故障數據，與實測數據進行對比分析；最后，根據診斷結果對齒輪箱的運行參數進行實時優化控制，實現齒輪箱在線故障診斷及設備健康管理。

技術領域

本發明屬于機械故障診斷智能化與數字化技術領域，具體涉及一種基于數字孿生的齒輪箱在線故障診斷方法。

背景技術

齒輪箱是一種集成變速機構，具有結構緊湊，傳動比大，承載高的優點，經常被用作很多重要機械設備的傳動樞紐部分，例如直升機、輪船、裝甲車、風力發電機等。齒輪箱的健康狀況關乎整個機器的正常運轉，影響經濟效益和人員安全。而齒輪箱一般用于大載荷和惡劣環境中，故障發生率較高，如在一個典型的風力渦輪機中，有20％的停機時間是由于齒輪箱故障造成的，一旦發生故障，將造成嚴重后果。若能運用有效的故障診斷方法，快速準確的識別齒輪箱故障，可節約大量的時間和維修成本，提高工作效率。因此，對齒輪箱的運行狀態進行實時有效的監測及故障診斷具有重要意義。

目前針對齒輪箱故障診斷的方法主要分為兩類，第一類是基于模型的故障診斷。Fan等建立了行星架有裂紋的直升機行星傳動輪系扭振動態模型，在仿真行星架裂紋對行星樁角度偏移及輪系動態參數的影響上考慮了時變嚙合剛度、齒輪間隙、黏滯阻尼等非線性因素。Cheng等建立了正常和太陽輪輪齒故障的直升機行星傳動輪系扭振動態模型，基于模型提出的特征參數定量檢測出太陽輪輪齒故障程度。上述基于模型的故障診斷方法能增進對齒輪箱傳動輪系故障模式下多種物理響應的理解和豐富故障診斷方法與數據來源，但由于模型存在許多假設和簡約化，無法覆蓋到各種不確定因素影響，仿真數據與真實情況仍存在一定差距，故障診斷精度有待提高。第二類是基于信號處理的故障診斷。孟玲霞等提出了基于Gabor重排對數時頻脊流形的方法，可以抑制交叉項，有效提取變工況齒輪箱早期故障特征。王志樂等汲取了包絡分析、加窗同步平均、計算階比跟蹤等信號處理的優點，提出包絡角域加窗同步平均技術，對太陽輪微弱故障特征信號進行有效解調，成功提取了太陽輪故障特征。

上述基于信號處理的故障診斷方法，由于信息檢測手段和故障分析方法都是針對特定信號進行特定故障分析和診斷，無法系統的去看待和解決問題，難以對同時發生地多種故障進行辨識。同時，使用原始振動信號作為輸入，識別準確率容易受到惡劣工況和環境不確定性因素的影響，對專家經驗具有一定的依賴性，缺乏普適應，難以滿足實際工業環境應用需求。

因此，針對上述問題，本發明提供了一種基于數字孿生的齒輪箱在線故障診斷方法，通過建立與實際運行狀態高度映射的齒輪箱數字孿生模型，實現齒輪箱設備的“虛-實聯動”，對齒輪箱的運行狀態實時在線監測，實現齒輪箱在線故障診斷，最大限度地保持高效、低成本、穩定的系統運行。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明提出了一種基于數字孿生的齒輪箱在線故障診斷方法，通過建立與實際運行狀態高度映射的齒輪箱數字孿生模型，實現齒輪箱設備的“虛-實聯動”，對齒輪箱的運行狀態實時在線監測，實現齒輪箱在線故障診斷，最大限度地保持高效、低成本、穩定的系統運行。

為了達到上述技術目的，本發明是通過以下技術方案實現的：一種基于數字孿生的齒輪箱在線故障診斷方法，包括以下步驟：

S1：采集齒輪箱運行過程中的不同數據，構建齒輪箱的數字孿生模型；

S2：動態更新齒輪箱數字孿生模型，引入信賴域算法迭代優化模型參數，利用余弦相似度作為數字孿生模型仿真信號與實測振動信號相似性度量標準，當余弦相似度大于預設閾值時，停止迭代并獲得未定參數值，根據相關參數修正數字孿生模型，得到齒輪箱虛實聯動的高保真模型；