[发明专利]一种基于数字孪生的齿轮泵维护方法

权利要求书

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、流量、转速、扭矩和温度；

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：为极限转速；为工作压力；为油液的动力粘度；为轴承和轴瓦的间隙；为轴承半径；为容积效率；为工作压力下的排量；为空载压力下的排量；为工作压力下的流量；为空载压力下的流量；为工作压力下的转速；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：为齿轮1的质量；为齿轮1所受的轴承反力在x轴方向分力；为齿轮1所受的压力在x轴方向分力；为齿轮1所受的轴承反力在y轴方向分力；为齿轮1所受的压力在y轴方向分力；为齿轮所受的啮合力；为齿轮1的转动惯量；为齿轮1的转角；为齿轮1所受压力产生的转矩；为电机产生的转矩；为齿轮1啮合点的半径；为齿轮2的质量；为齿轮2所受的轴承反力在x轴方向分力；为齿轮2所受的压力在x轴方向分力；为齿轮2所受的轴承反力在y轴方向分力；为齿轮2所受的压力在y轴方向分力；为齿轮2的转动惯量；为齿轮2的转角；为齿轮2所受压力产生的转矩；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的大小；摩擦副磨损量为：， ，式中：为摩擦副磨损量；为每次行程中磨损所消耗的能量；为行程次数；为每一行程滑动距离；为磨损系统常数；为零件所受的最大剪切力；

齿侧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，根据压差和间隙的大小得到通过间隙的流量，其中，

，

，

式中：为齿宽；为齿轮泵转速；为齿顶圆半径；为齿高；为平均齿高；为油液动力粘度；为齿顶厚度；为节圆处齿厚；为第腔压力；为第个腔压力；为齿顶间隙流量；为齿侧间隙流量；

在绝热、等熵的条件下，且，根据连续性方程可得第i个控制体中的压力：

，

，

式中：为体积弹性模量；为齿轮泵转速；为第i个控制体体积；为齿轮转角；为第i个控制体中流量的变化量；为第i+1个控制体通过间隙流入第i个控制体的流量；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，从而得到整个内流场压力的大小，模型如下式：

式中：为齿轮1第n个齿腔的压力；为齿轮2第m个齿腔的压力；为齿轮泵密闭腔的压力；为齿轮泵出口压力；为齿轮泵进口压力；

齿轮泵外流场中，测点处压力脉动信号P_out(t)的傅里叶展开为：

式中：n=1时，为转频的基波分量；为转频的谐波分量；n=1…6；为转频；为转频产生压力脉动信号幅值；为常数；为齿频产生压力脉动信号幅值；为调幅系数；为调频系数；为相位角；为齿频；m=1…6；为调幅信号；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。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，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。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，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。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，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。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，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。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，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。