基于虚拟仿真与LLE的行星变速箱振动测点优化方法技术

基于虚拟仿真与LLE的行星变速箱振动测点优化方法，包括：建立正常工况的工作状态下的行星变速箱动力学模型；选取在行星变速箱服役过程中具有代表性的几种故障状态，并分别建立这几种故障的工作状态下的行星变速箱动力学模型；综合考虑行星变速箱内部结构和箱体表面传感器安装条件，预先选定若干个振动传感器测点；获取各种工作状态下各测点的振动仿真信号并执行第一测点优化；完成所有选取的工作状态下的第一测点优化后，通过加权计算的方法来确定其振动测点重要度综合排序。本发明专利技术目的在于提供一种能大幅减少试验次数、降低试验费用，同时为后续实测试验奠定基础的基于虚拟仿真与LLE的行星变速箱振动测点优化方法。

Optimizing Method of Vibration Measurement Point of Planetary Gearbox Based on Virtual Simulation and LLE

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟仿真与LLE的行星变速箱振动测点优化方法
本专利技术涉及基于虚拟仿真与LLE的行星变速箱振动测点优化方法。
技术介绍
某型行星变速箱为三轴式离合器换挡三自由度行星变速箱，具有传动比大、机构紧凑和传递效率高等优点，广泛应用于某型坦克中。在恶劣环境中工作时，其经常发生齿轮故障，若不能及时发现并得到有效处理，往往会进一步恶化，以致严重影响行星变速箱功能。因此，对其进行故障诊断具有重大意义，国内外也对此作了大量工作。故障诊断研究所必需的测试试验需动用大量装备和设备，费时费力，不适用于大规模的进行。虚拟试验技术作为新兴技术，不仅可以为实际模拟试验的前期工作做准备，而且可以在一定程度上替代传统的试验，大幅度减少试验次数，降低实际试验费用。在“虚拟试验技术及其在坦克变速箱故障机理研究中的应用[D].北京：装甲兵工程学院,2012:10-49.”中采用ADAMS软件，在计算机中建立某型变速箱虚拟样机模型，通过设定各种工况与故障，对变速箱典型故障下的信号进行了仿真，用仿真信号代替实际信号进行研究，并依据实测试验验证了虚拟样机模型的合理性，能部分取代实际试验开展研究。在“陈绍军.基于虚拟样机的大型风电机组齿轮传动系统冲击特性分析[D].北京,华北电力大学,2008,33-50.”中，基于虚拟试验技术，建立了大型风电机组齿轮传动系统动力学模型，对传动系统的冲击特性进行了分析，为下一步研究提供依据。在旋转机械的故障诊断系统中，振动信号是齿轮状态信息的载体，测点选取的合适与否直接决定着振动信号中是否包含行星变速箱的状态信息，而采集获得的振动信号能否切实地涵盖变速箱的真实情况，直接决定着故障特征提取工作成功与否。而某型行星变速箱结构复杂，传感器测点布置受箱体结构和实车环境影响，能够布置振动传感器数量和位置有限。在目前变速箱试验中，振动传感器布置方法多基于经验，未经合理规划传感器布置，可能会遗漏有用信息或者产生冗余信息，导致需要增加试验次数，提高试验费用，所以对传感器数量和位置进行优化是十分有必要的。
技术实现思路
本专利技术为了上述问题，提出一种能大幅减少试验次数、降低试验费用，同时为后续实测试验奠定基础的基于虚拟仿真与LLE的行星变速箱振动测点优化方法。本专利技术基于虚拟仿真与LLE的行星变速箱振动测点优化方法，包括以下步骤：建立正常工况的工作状态下的行星变速箱动力学模型：由齿轮多刚体模型和箱体柔性体模型两部分构成，并通过轴承耦合，形成齿轮-箱体刚柔耦合模型；齿轮故障注入：选取在行星变速箱服役过程中具有代表性的几种故障状态，并分别建立这几种故障的工作状态下的行星变速箱动力学模型；测点初选：综合考虑行星变速箱内部结构和箱体表面传感器安装条件，在模态分析中振动响应较大的区域中预先选定若干个振动传感器测点；使用一种工作状态对应的行星变速箱动力学模型，获取该工作状态下各测点的振动仿真信号并执行第一测点优化；完成所有选取的工作状态下的第一测点优化后，通过加权计算的方法来确定其振动测点重要度综合排序，各测点重要度综合排序由下式确定：Pi为测点i的重要度综合排序值，Pi值越小，则重要性越强，排序也越靠前；n表示某种工作状态，N表示选取的工作状态数，Li为测点i在某种工作状态下的敏感度从大到小的排列顺序值；λ表示加权系数，由每种状态的重要性决定，所有选取的工作状态的加权系数的和为1；选取重要度综合排序靠前的3-8个测点作为优化后的测点，剔除末尾的1-3个对故障振动特征不敏感的测点，其余测点作为辅助参考，至此完成了行星变速箱振动测点的优化；其中，所述第一测点优化包括：a)引入特征参数以评价测点有效性，计算各个测点振动仿真信号对应特征参数，构建测点特征向量空间；b)采用局部线性嵌入算法对所述测点特征向量空间进行降维，并计算降维后各测点的低维矢量2-范数，使用测点低维矢量2-范数来表示测点敏感度，所述测点低维矢量2-范数越大，表示该测点越敏感。根据本专利技术的一种实施方式，行星变速箱动力学模型建模过程如下：(1)依据行星变速箱构造和传动原理，并对行星变速箱模型进行合理简化，使用ProE软件建立各零部件的三维模型，对零部件进行无干涉装配，将装配体保存为Parasolid格式；(2)使用ADAMS软件的ProE接口，导入行星变速箱三维模型，依据行星变速箱运转时各零件的工作情况，向固定件添加固定副，向旋转件添加旋转副，向齿轮副添加碰撞接触力，向主动轴添加旋转驱动，向输出轴添加加载扭矩，建立传动部分多刚体动力学模型；(3)使用ANSYS软件计算箱体模态，获取箱体的模态中性文件，采用ADAMS软件的ANSYS接口，导入模态中性文件将箱体的刚性体模型柔性化；通过轴承将传动部分多刚体动力学模型和箱体柔性体模型耦合起来，最终建立齿轮-箱体刚柔耦合动力学模型。根据本专利技术的一种实施方式，所述特征参数包括可以衡量振动信号能量和强度的峰峰值、均方根值、副值，以及对脉冲冲击比较敏感的峭度指标、波形指标、峰值指标、脉冲指标、裕度指标和样本熵。根据本专利技术的一种实施方式，采用所述局部线性嵌入算法时，取近邻点数为5，低维空间维数为3。本专利技术融合虚拟仿真与局部线性嵌入算法的变速箱振动测点优化方法，首先建立齿轮-箱体刚柔耦合模型，注入故障；然后综合考虑测点可操作性，初步选取了箱体表面传感器测点，并获得测点振动仿真信号；最后计算各测点振动信号相应特征参数，采用局部线性嵌入算法对测点进行优化选取，获得了不同齿轮状态下的测点敏感度排序，最后采用加权计算方法得到了振动测点重要度综合排序。该方法不仅可以为实测试验的前期工作做准备，而且可以在一定程度上替代传统的试验，大幅度减少试验次数，降低实际试验费用，同时为后续实测试验奠定了基础。下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。附图说明图1某型行星变速箱结构示意图；图2为本专利技术融合虚拟仿真与LLE算法的行星变速箱振动测点优化方法流程图；图3aZ30太阳轮断齿故障状态测点2的振动仿真信号图；图3bZ30太阳轮断齿故障状态测点5的振动仿真信号图；图3cZ30太阳轮断齿故障状态测点7的振动仿真信号图；图4Z30太阳轮断齿时测点低维矢量分布图；图5正常工况时测点低维矢量分布图；图6Z15行星轮断齿时测点低维矢量分布图。具体实施方式以在坦克中比较常用的一种行星变速箱为例，来说明本专利技术融合虚拟仿真与局部线性嵌入算法的行星变速箱测点优化方法的使用过程。其内部结构示意图如图1所示，因平面图不能完整表达空间立体结构中齿轮啮合关系，图1中采用虚线连接实际啮合的两个齿轮。其由主动轴、中间轴、被动轴和行星齿轮系统组成。行星齿轮系统共有三个行星排，即K1复合行星排、K2行星排、K3行星排。1.建立正常工况的工作状态下的行星变速箱动力学模型在外部驱动下运转时，行星变速箱的齿轮啮合力随啮合刚度变化而变化，使得齿轮所在的轴系产生振动，进而使轴承座支反力也相应地发生变化，最终在变速箱箱体产生动态响应。本专利技术所建变速箱动力学模型由齿轮多刚体模型和箱体柔性体模型两部分构成，并通过轴承耦合，形成齿轮-箱体刚柔耦合模型。行星变速箱动力学建模过程如下：(1)依据行星变速箱构造和传动原理，并对变速箱模型进行合理简化，使用ProE软件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于虚拟仿真与LLE的行星变速箱振动测点优化方法，其特征在于包括以下步骤：建立正常工况的工作状态下的行星变速箱动力学模型：由齿轮多刚体模型和箱体柔性体模型两部分构成，并通过轴承耦合，形成齿轮‑箱体刚柔耦合模型；齿轮故障注入：选取在行星变速箱服役过程中具有代表性的几种故障状态，并分别建立这几种故障的工作状态下的行星变速箱动力学模型；测点初选：综合考虑行星变速箱内部结构和箱体表面传感器安装条件，在模态分析中振动响应较大的区域中预先选定若干个振动传感器测点；使用一种工作状态对应的行星变速箱动力学模型，获取该工作状态下各测点的振动仿真信号并执行第一测点优化；完成所有选取的工作状态下的第一测点优化后，通过加权计算的方法来确定其振动测点重要度综合排序，各测点重要度综合排序由下式确定：

【技术特征摘要】
1.基于虚拟仿真与LLE的行星变速箱振动测点优化方法，其特征在于包括以下步骤：建立正常工况的工作状态下的行星变速箱动力学模型：由齿轮多刚体模型和箱体柔性体模型两部分构成，并通过轴承耦合，形成齿轮-箱体刚柔耦合模型；齿轮故障注入：选取在行星变速箱服役过程中具有代表性的几种故障状态，并分别建立这几种故障的工作状态下的行星变速箱动力学模型；测点初选：综合考虑行星变速箱内部结构和箱体表面传感器安装条件，在模态分析中振动响应较大的区域中预先选定若干个振动传感器测点；使用一种工作状态对应的行星变速箱动力学模型，获取该工作状态下各测点的振动仿真信号并执行第一测点优化；完成所有选取的工作状态下的第一测点优化后，通过加权计算的方法来确定其振动测点重要度综合排序，各测点重要度综合排序由下式确定：Pi为测点i的重要度综合排序值，Pi值越小，则重要性越强，排序也越靠前；n表示某种工作状态，N表示选取的工作状态数，Li为测点i在某种工作状态下的敏感度从大到小的排列顺序值；λ表示加权系数，由每种状态的重要性决定，所有选取的工作状态的加权系数的和为1；选取重要度综合排序靠前的3-8个测点作为优化后的测点，剔除末尾的1-3个对故障振动特征不敏感的测点，其余测点作为辅助参考，至此完成了行星变速箱振动测点的优化；其中，所述第一测点优化包括：a)引入特征参数以评价测点有效性，计算各个测点振动仿真信号对应特征参数，构建测点特征向量空间；b)采用局部线性嵌入算法对所述测点特征向量空间进行降维，并...

【专利技术属性】
技术研发人员：江鹏程，冯辅周，张丽霞，丛华，何嘉武，乔新勇，刘锋，吴春志，杨大为，张少亮，王子涵，姬龙鑫，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军装甲兵学院，
类型：发明
国别省市：北京,11