基于数字孪生的齿轮箱故障诊断方法及其诊断系统

本发明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。

背景技术：

1、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。

2、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。

3、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

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明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，解决了背景技术中的问题。

3、(二)技术方案

4、为解决上述问题，本发明提供如下技术方案：

5、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；

6、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；

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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；

12、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；

13、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。

14、(三)有益效果

15、与现有技术相比，本发明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：

16、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。

17、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。

技术特征：

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；

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格式进行建模导出，再导入至adams软件中仿真。

3.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。

4.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。

5.根据权利要求1所述的基于数字孪生的齿轮箱故障的诊断系统，其特征在于：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；

技术总结
本发明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：S1：齿轮箱数字孪生体构建；S2：预定义故障类型并验证分析；S3：齿轮箱故障诊断。上述数字孪生齿轮箱的故障诊断系统，包括仿真模型模块；诊断输出模块；以及显示模块。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。

技术研发人员：徐桂安,陈田,李湘杰,李胜文
受保护的技术使用者：上海电机学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16