一种基于数字孪生的齿轮泵维护方法技术

本公开揭示了一种基于数字孪生的齿轮泵维护方法，方法包括：测量并实时接收齿轮泵工况参数，基于工况参数计算齿轮泵容积效率和极限转速以评定齿轮泵的运行状态并对失效作出预估，计算齿轮泵的主、从动齿轮的中心位置和摩擦副磨损量，齿轮泵内流场中，基于集中参数法建立齿轮泵压力脉动模型，建立齿轮泵的数字孪生模型，以齿轮泵出口压力脉动为预测维护模型的监测信号。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字孪生的齿轮泵维护方法
本专利技术属于齿轮泵运行维护领域，特别是一种基于数字孪生的齿轮泵维护方法。
技术介绍
齿轮泵因其结构紧凑、体积小、重量轻、价格低廉，对油液污染敏感度低，自吸性能好而广泛应用于在电力、汽车、冶金、军工、航空、航天和化工等机械行业。在使用过程中齿轮泵最主要的失效模式是泄露导致的容积效率的下降。齿轮泵泄漏包括内泄漏和外泄漏，外泄漏通过肉眼可见，可以通过更换密封件解决；造成容积效率降低的泄漏主要为内泄漏，是高压腔油液通过摩擦副间隙流向低压腔的过程，主要包括齿轮端面与侧板间的端面泄漏、齿顶与壳体间的径向泄漏和两个齿轮啮合处的啮合泄漏。以往齿轮泵的故障监测和性能退化研究中，主要采用多源信号融合的诊断和预测技术。但是对齿轮泵早期微弱故障不能很好地作出诊断预测，同时齿轮泵性能退化不能及时评估预测，导致整个液压系统压力、流量不足，严重影响了系统的整体性能，尤其是当齿轮泵用在航空发动机燃油系统中时，压力、流量的不足往往是致命的故障，因此建立齿轮泵基于物理知识的数字孪生模型，对齿轮泵的退化性能和故障做出时时镜像，动态反映了齿轮泵生命周期中自身的生命特征。该方法在齿轮泵故障监测和预测维护中具有很大的潜力。在
技术介绍
部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本专利技术背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提出一种基于数字孪生的齿轮泵维护方法，本专利技术建立齿轮泵基于物理知识的数字孪生模型，对齿轮泵的退化性能和故障做出时时镜像，动态反映了齿轮泵生命周期中自身的生命特征，对故障和性能退化作出诊断和预测。本专利技术的目的是通过以下技术方案予以实现。本专利技术的一个方面，一种基于数字孪生齿轮泵预测维护方法包括以下步骤：测量并实时接收齿轮泵工况参数，工况参数包括工作压力p、流量Q、转速n、扭矩Mp和温度T；基于工况参数计算齿轮泵容积效率和极限转速以评定齿轮泵的运行状态并对失效作出预估，其中，式中：ωmin为极限转速；p为工作压力；μ为油液的动力粘度；c为轴承和轴瓦的间隙；Ra为轴承半径；ηV为容积效率；V2，e为工作压力下的排量；V2，i为空载压力下的排量；qV2，e为工作压力下的流量；qV2，I为空载压力下的流量；ne为工作压力下的转速；ni为空载压力下的转速，计算齿轮泵的主、从动齿轮的中心位置和摩擦副磨损量，其中，中心位置为：式中：m1为齿轮1的质量；fb1为齿轮1所受的轴承反力；fp1为齿轮1所受的压力；fmg为齿轮所受的啮合力；J1为齿轮1的转动惯量；θ1为齿轮1的转角；Mp1为齿轮1所受压力产生的转矩；Mm为电机产生的转矩；rb1为齿轮1啮合点的半径；m2为齿轮2的质量；fb2为齿轮2所受的轴承反力；fp2为齿轮2所受的压力；J2为齿轮2的转动惯量；θ2为齿轮2的转角；Mp2为齿轮2所受压力产生的转矩；rb2为齿轮2啮合点的半径，摩擦副磨损量包括在齿轮端面与浮动轴套、齿顶和泵壳内壁之间的磨损量，齿轮端面与浮动轴套之间的磨损量决定齿轮端面与浮动轴套之间间隙hf的大小，齿顶和泵壳内壁之间的磨损量决定齿轮泵泵壳与轮齿齿顶间隙hi的大小；摩擦副磨损量为：式中：Q为摩擦副磨损量；E为每次行程中磨损所消耗的能量；N为行程次数；S为每一行程滑动距离；c为磨损系统常数；τmax为零件所受的最大剪切力；根据压差和间隙的大小得到通过间隙的流量，通过间隙与流量的关系以得到各个腔的压力，其中，式中：b为齿宽；ω为齿轮泵转速；rext为齿顶圆半径；bf为齿高；rm为平均齿高；μ为油液动力粘度；lt为齿顶厚度；lf为节圆处齿厚；pi为第i腔压力；pi-1为第i-1个腔压力；Qh，i为齿顶间隙流量；Qf，i为齿侧间隙流量；在绝热、等熵的条件下，且pi+1＞pi，根据连续性方程可得第i个控制体中的压力：ΔQi＝Qi+1-Qi，式中：Boil为体积弹性模量；ω为齿轮泵转速；Vi为第i个控制体体积；θ为齿轮转角；ΔQi为第i个控制体中流量的变化量；Qi+1为第i+1个控制体通过间隙流入第i个控制体的流量；Qi为第i个控制体通过间隙流出的流量；利用上式对进口控制体、等体积控制体、出口控制体、密闭腔控制体依次进行建模，M而得到整个内流场压力的大小，模型如下式：式中：pn(θ)|1为齿轮1第n个腔的压力；pm(θ)|2为齿轮2第m个腔的压力；pt(θ)为齿轮泵密闭腔的压力；pout(θ)为齿轮泵出口压力；pin(θ)为齿轮泵进口压力；齿轮泵外流场中，测点处压力脉动信号的傅里叶展开为：式中：AoL为直流分量；A1Lcos(ωoLt+ψ1)为转频的基波分量；n≥2，AnLcos(nωoLt+ψn)为转频的谐波分量；n＝1…6；AoH为常量；AmH为齿频产生压力脉动信号幅值；kam为调幅系数；kfm为调频系数；ζm为相位角；ωoH为齿频；m＝1…6；p′outL(t)为调幅信号；p″outL(t)为调频信号，建立齿轮泵的数字孪生模型，以齿轮泵出口压力脉动为预测维护模型的监测信号。所述的方法中，齿轮泵外流场测点处压力脉动信号的展开中，对实测数据和仿真数据进行时域分析、频域分析、小波分析、泛函分析或矩阵分析。所述的方法中，时域分析包括时域统计分析或相关性分析，频域分析包括FFT、相干分析、倒频谱分析或自回归谱分析。所述的方法中，通过解微分方程组计算主、从动齿轮的中心位置以及摩擦副的磨损量。所述的方法中，齿轮泵内流场中，通过四阶，五阶Runge-Kutta单步算法求解压力脉动的微分方程组。所述的方法中，齿轮泵外流场中，采用均质湍流谱分析方法，通过神经网络来学习不同工况下齿轮泵测点处湍流中各种不同尺度涡的能量分布，来修正试探函数空间的基函数系数，从而优化压力脉动数学模型的参数。所述的方法中，齿轮泵端面间隙和齿顶间隙之间的流动等效为平板间的库埃特-泊肃叶流动，通过间隙的流量为：式中：b为齿宽；ω为齿轮泵转速；rext为齿顶圆半径；bf为齿高；rm为平均齿高；μ为油液动力粘度；lt为齿顶厚度；lf为节圆处齿厚；pi为第i腔压力；pi-1为第i-1个腔压力；Qh，i为齿顶间隙流量；Qf，i为齿侧间隙流量。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够使得本专利技术的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本专利技术的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本专利技术的具体实施方式进行举例说明。附图说明通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本专利技术各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于数字孪生的齿轮泵维护方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：/n测量并实时接收齿轮泵工况参数，工况参数包括工作压力p、流量Q、转速n、扭矩M

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的齿轮泵维护方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
测量并实时接收齿轮泵工况参数，工况参数包括工作压力p、流量Q、转速n、扭矩Mp和温度T；
基于工况参数计算齿轮泵容积效率和极限转速以评定齿轮泵的运行状态并对失效作出预估，其中，式中：ωmin为极限转速；p为工作压力；μ为油液的动力粘度；c为轴承和轴瓦的间隙；Ra为轴承半径；ηV为容积效率；V2，e为工作压力下的排量；V2，i为空载压力下的排量；qV2，e为工作压力下的流量；qV2，I为空载压力下的流量；ne为工作压力下的转速；ni为空载压力下的转速，
计算齿轮泵的主、从动齿轮的中心位置和摩擦副磨损量，其中，中心位置为：



式中：m1为齿轮1的质量；fbx1为齿轮1所受的轴承反力在x轴方向分力；fpx1为齿轮1所受的压力在x轴方向分力；fby1为齿轮1所受的轴承反力在y轴方向分力；fpy1为齿轮1所受的压力在y轴方向分力；fmg为齿轮所受的啮合力；J1为齿轮1的转动惯量；θ1为齿轮1的转角；Mp1为齿轮1所受压力产生的转矩；Mm为电机产生的转矩；rb1为齿轮1啮合点的半径；m2为齿轮2的质量；fbx2为齿轮2所受的轴承反力在x轴方向分力；fpx2为齿轮2所受的压力在x轴方向分力；fby2为齿轮2所受的轴承反力在y轴方向分力；fpy2为齿轮2所受的压力在y轴方向分力；J2为齿轮2的转动惯量；θ2为齿轮2的转角；Mp2为齿轮2所受压力产生的转矩；rb2为齿轮2啮合点的半径，
摩擦副磨损量包括在齿轮端面与浮动轴套、齿顶和泵壳内壁之间的磨损量，齿轮端面与浮动轴套之间的磨损量决定齿轮端面与浮动轴套之间间隙hf的大小，齿顶和泵壳内壁之间的磨损量决定齿轮泵泵壳与轮齿齿顶间隙hi的大小；摩擦副磨损量为：式中：Q为摩擦副磨损量；E为每次行程中磨损所消耗的能量；N为行程次数；s为每一行程滑动距离；c为磨损系统常数；τmax为零件所受的最大剪切力；
根据压差和间隙的大小得到通过间隙的流量，其中，






式中：b为齿宽；ω为齿轮泵转速；rext为齿顶圆半径；bf为齿高；rm为平均齿高；μ为油液动力粘度；lt为齿顶厚度；lf为节圆处齿厚；pi为第i腔压力；pi-1为第i-1个腔压力；Qh，i为齿顶间隙流量；Qf，i为齿侧间隙流量；
在绝热、等熵的条件下，且pi+1＞pi，根据连续性方程可得第i个控制体中的压力：



ΔQi＝Qi+1-Qi，
式中：Boil为体积弹性模量；ω为齿轮泵转速；Vi为第i个控制体体积；θ为齿轮转角；ΔQi为第i个控制体中流量...

【专利技术属性】
技术研发人员：严如强，许文纲，周峥，孙闯，田绍华，王志颖，梁清华，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61