基于数字孪生的齿轮箱故障诊断方法及其诊断系统技术方案

本发明专利技术涉及数字孪生动力学仿真技术领域，且公开了基于数字孪生的齿轮箱故障诊断方法，包括如下步骤：

【技术实现步骤摘要】
基于数字孪生的齿轮箱故障诊断方法及其诊断系统


[0001]本专利技术涉及数字孪生动力学仿真
，具体为基于数字孪生的齿轮箱故障诊断方法及其诊断系统
。

技术介绍

[0002]数字孪生是充分利用物理模型
、
传感器更新
、
运行历史等数据，集成多学科
、
多物理量
、
多尺度
、
多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程
。
数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的
、
彼此依赖的装备系统的数字映射系统
。
[0003]齿轮箱广泛应用于旋转机械中，在调节输入
、
输出的转速和扭矩方面有着重要作用，齿轮箱能否正常的运转直接关系到机械设备的整体工作状态
。
齿轮箱的结构组成复杂，在工作过程中又具有大负载
、
高转速
、
连续工作和工作环境恶劣多变等特点，内部零部件发生故障的频率比较高，一旦齿轮箱发生故障会导致整个机械设备停止工作，对经济造成损失，同时也存在一定的安全隐患严重会导致人员伤亡
。
因此，及时
、
有效
、
准确的地进行齿轮箱振动信号特征提取并进行检测
、
判断齿轮箱的工作状态，及时更换有故障或潜在故障的零部件，能够从一定程度上减少故障带来的灾难与经济损失
。
[0004]目前对于齿轮箱的故障诊断，以信号处理的故障诊断为主，通过布置于齿轮箱各位置的传感器进行设备数据的采集，并提取特征进行故障识别，判定设备的状态
。
这种诊断方式能够满足对设备故障与否的诊断，但无法更细致的进行故障识别，如断齿
、
裂纹
、
磨损等故障识别，不利于及时准确的判断齿轮箱的工作状态，不利于减少故障带来的灾难与经济损失
。

技术实现思路

[0005](
一
)
解决的技术问题
[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提供了基于数字孪生的齿轮箱故障诊断方法及其诊断系统，解决了
技术介绍
中的问题
。
[0007](
二
)
技术方案
[0008]为解决上述问题，本专利技术提供如下技术方案：
[0009]基于数字孪生的齿轮箱故障诊断方法，包括如下步骤：
S1
：齿轮箱数字孪生体构建，先使用
SolidWorks
软件等比例建立齿轮箱三维建模，导入至
ADAMS
软件中进行仿真；
[0010]S2
：预定义故障类型并验证分析，以建立的齿轮箱三维建模为基础，分别建立断齿以及磨损故障模型，并进行装配，导入至
ADAMS
软件中，形成各类故障齿轮箱的故障运动学模型，进行参数计算以及约束添加后，经仿真分析得到不同故障类型下，齿轮箱的时域与频域信号；
[0011]S3
：齿轮箱故障诊断，采集齿轮箱运行参数以及时域与频域信号，通过参数导入数字孪生体得到故障特征，输出诊断结果
。
[0012]其中，所述
S1
中齿轮箱三维建模构建完成后，先使用
parasolid
格式进行建模导出，再导入至
ADAMS
软件中仿真
。
[0013]其中，所述
S2
中并从时域到频域，从加速度
、
接触力以及形变量进行对比分析，验证故障模型的准确性
。
[0014]其中，所述
S3
中数字孪生体反证得到故障特征后，利用小波包分解对故障特征进行提取，使用机器学习算法进行故障诊断后，输出诊断结果
。
[0015]其中，包括仿真模型模块，提供齿轮箱的数字孪生动力学仿真模型，模拟齿轮箱的真实运行参数；
[0016]诊断输出模块，根据数字孪生仿真模型的运行情况，来输出各运行参数以及故障点与故障参数；
[0017]显示模块，进行整个仿真运行情况以及诊断情况的可视显示
。
[0018](
三
)
有益效果
[0019]与现有技术相比，本专利技术提供了基于数字孪生的齿轮箱故障诊断方法及其诊断系统，具备以下有益效果：
[0020]1、
该基于数字孪生的齿轮箱故障诊断方法，通过构建数字孪生体，利用虚拟现实进行现实齿轮箱的模型构建与仿真，从而形成对现有齿轮箱正常以及各故障类型状态的运行模拟，再利用采集的现有齿轮箱运行参数导入至模型中，即可反证得到齿轮箱是否故障以及故障类型，从而可以及时有效判断齿轮箱的工作状态，及时更换有故障或潜在故障的零部件，能够从一定程度上减少故障带来的灾难与经济损失
。
[0021]2、
该基于数字孪生的齿轮箱故障诊断系统，利用现有软件进行模型构建以及仿真，并进行参数的设置与输入，然后导入齿轮箱运行数据即可快速进行齿轮箱工作状态的感知，系统构成简单
。
具体实施方式
[0022]下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚
、
完整地描述
。
[0023]基于数字孪生的齿轮箱故障诊断系统，包括仿真模型模块
、
诊断输出模块以及显示模块，仿真模型模块提供齿轮箱的数字孪生动力学仿真模型，模拟齿轮箱的真实运行参数，从而进行故障点分析；诊断输出模块用于根据数字孪生仿真模型的运行情况，来输出各运行参数以及故障点与故障参数；显示模块进行整个仿真运行情况以及诊断情况的可视显示
。
[0024]该诊断方法包括如下步骤：
[0025]S1
：齿轮箱数字孪生体构建，先使用
SolidWorks
软件等比例建立齿轮箱三维建模，然后使用
parasolid
格式进行建模导出，再导入至
ADAMS
软件中进行仿真
。
[0026]S2
：预定义故障类型并验证分析，以建立的齿轮箱三维建模为基础，分别建立断齿以及磨损故障模型，并进行装配，形成各类故障齿轮箱的故障运动学模型，进行参数计算以及约束添加后，经仿真分析得到不同故障类型下，齿轮箱的时域与频域信号，从时域到频域，从加速度
、
接触力以及形变量进行对比分析，验证故障模型的准确性
。
[0027]S3
：齿轮箱故障诊断，采集齿轮箱运行参数以及时域与频域信号，通过参数导入数字孪生体得到故障特征，再利用小波包分解对故障特征进行提取，使用机器学习算法进行
故障诊断，并输出诊断结果
。
[0028]齿轮箱箱体刚柔耦合多体系统的约束方程为：
[0029]C(q,t)
＝0[0030][0031]C
＝
(C本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
基于数字孪生的齿轮箱故障诊断方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1
：齿轮箱数字孪生体构建，先使用
SolidWorks
软件等比例建立齿轮箱三维建模，导入至
ADAMS
软件中进行仿真；
S2
：预定义故障类型并验证分析，以建立的齿轮箱三维建模为基础，分别建立断齿以及磨损故障模型，并进行装配，导入至
ADAMS
软件中，形成各类故障齿轮箱的故障运动学模型，进行参数计算以及约束添加后，经仿真分析得到不同故障类型下，齿轮箱的时域与频域信号；
S3
：齿轮箱故障诊断，采集齿轮箱运行参数以及时域与频域信号，通过参数导入数字孪生体得到故障特征，输出诊断结果
。2.
根据权利要求1所述的基于数字孪生的齿轮箱故障诊断方法，其特征在于：所述
S1
中齿轮箱三维建模构建完成后，先使用
parasolid<...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐桂安，陈田，李湘杰，李胜文，
申请(专利权)人：上海电机学院，
类型：发明
国别省市：