数模联合驱动的全寿命滚动轴承数字孪生模型构建方法技术

本发明专利技术涉及一种数模联合驱动的全寿命滚动轴承数字孪生模型构建方法，属于轴承健康预测领域，包括以下步骤：S1：通过加速寿命试验台在物理空间中采集其全寿命周期振动加速度信号；S2：通过研究振动信号的幅值与缺陷尺寸之间的关系，利用BP神经网络对缺陷尺寸进行预测；S3：利用生命周期振动信号，得到一系列预测的演化缺陷；S4：根据演化缺陷，在二自由度动力学模型中引入相应的位移激励，在虚拟空间中建立滚动轴承全寿命周期动力学模型；S5：将虚拟空间中的仿真数据映射到物理空间中相应的数据中。据中。据中。

【技术实现步骤摘要】
数模联合驱动的全寿命滚动轴承数字孪生模型构建方法


[0001]本专利技术属于轴承健康预测领域，涉及一种数模联合驱动的全寿命滚动轴承数字孪生模型构建方法。

技术介绍

[0002]随着工业4.0的发展，制造业数字化已成为大势所趋，对重要设备的智能化运维尤为重要。滚动轴承是广泛应用的机床、运输设备等旋转机械的关键和基础部件之一，但由于工作环境恶劣，很容易发生故障。在某些情况下，旋转机械的运行状态主要取决于轴承的状态。为了更好地监测和预测轴承的健康状态，首先需要揭示滚动轴承的动态响应，特别是当轴承发生故障时。Epps研究了滚动轴承在某些离散故障下的激励函数和振动响应。Sassi等人建立了一个耦合的3自由度缺陷滚动轴承，并开发了一个名为BEAT(轴承工具箱)的应用程序。Arslan和Akt
ü
rk建立了角接触球轴承的轴承模型，考虑了内圈、外圈和滚动体的缺陷对振动的影响。Ashtekar等人研究了表面缺陷和不规则(凹痕和凸起)对轴承动力学的影响，并表明它们显著影响轴承的运动和力。Wang等人提出了一个考虑中心力、重力和滚子滑动影响的圆柱滚本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种数模联合驱动的全寿命滚动轴承数字孪生模型构建方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：通过加速寿命试验台在物理空间中采集其全寿命周期振动加速度信号；S2：通过研究振动信号的幅值与缺陷尺寸之间的关系，利用BP神经网络对缺陷尺寸进行预测；S3：利用生命周期振动信号，得到一系列预测的演化缺陷；S4：根据演化缺陷，在二自由度动力学模型中引入相应的位移激励，在虚拟空间中建立滚动轴承全寿命周期动力学模型；S5：将虚拟空间中的仿真数据映射到物理空间中相应的数据中。2.根据权利要求1所述的数模联合驱动的全寿命滚动轴承数字孪生模型构建方法，其特征在于：当轴承缺陷较小时，将其视为一个点，其产生的位移激励函数表示为：其中θ
e
是缺陷切向尺寸的一半，H
d
表示位移激励，定义为其中H表示缺陷的高度，ΔH公式如下：ΔH＝0.5d
‑
((0.5d)2‑
(0.5min(L,B))2)
0.5
ꢀꢀꢀꢀ
(3)其中d是滚动体的直径，L和B分别表示缺陷的长度和宽度；当缺陷变大且表面形状为正方形时，位移激励用半正弦函数表示，其形式为其中Δθ表示缺陷的角度，θ0是第i个滚动元件缺陷的初始角度偏移量。3.根据权利要求2所述的数模联合驱动的全寿命滚动轴承数字孪生模型构建方法，其特征在于：步骤S2中所述缺陷尺寸是指缺陷表面的面积，定义为D(t)＝L(t)B(t)＝L2(t)＝B2(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)其中L(t)和B(t)分别表示演化缺陷的长度和宽度。4.根据权利要求3所述的数模联合驱动的全寿命滚动轴承数字孪生模型构建方法，其特征在于：步骤S2中采用BP神经网络建立缺陷尺寸估计值与轴承振动信号均方根值之间的关系，所述BP神经网络的结构包括一个输入层，五个隐含层和一个输出层，所述五个隐含层均采用Relu激活函数，且神经元数量分别为128、64、32、16、8、1；利用振动信号的均方根值及其估计(模拟)的缺陷尺寸对BP神经网络进行训练，通过训练后的BP神经网络和轴承振动信号在某一点的均方根值，预测出相应的缺陷尺寸；利用轴承寿命周期数据，使训练后的BP神经网络得到不同时刻的缺陷尺寸预测值；最后使用以下缺陷演化模型对训练后的BP神经网络进行拟合：
其中C和n是由预测或者测量的缺陷尺寸决定的常数。5.根据权利要求4所述的数模联合驱动的全寿命滚动轴承数字孪生模型构建方法，其特征在于：步骤S3中，通过全寿命周期滚动轴承的振动信号，以及所述BP神经网络得到预测的缺陷D(t)；从式(5)得到L(t)and B(t)，再根据式(3)，得到时变的ΔH(t)如下：ΔH(t)＝0.5d
‑
((0.5d)2‑
(0.5min(L(t),B(t)))2)
0.5
ꢀꢀꢀ
(7)将式(7)代入式(1)和(4)中，得到时变的位移激励H1(t)和H2(t)，再通过式(8)计算出第i个滚动体位于任意角度时的总接触形变量；μ
i
(t)＝xcosα
i
+ysinα
i
‑
γ
‑
H
′
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)其中γ是滚动轴承的径向游隙，在缺陷萌生阶段H
′
(t)为H1(t)，在缺陷扩展和损伤扩展阶段为H2(t)。6.根据权利要求5所述的数模联合驱动的全寿命滚动轴承数字孪生模型构建方法，其特征在于：步骤S4中，将式(8)代入滚动轴承二自由度动力学模型得到全寿命周期的轴承动力学方程：其中m是内圈和滚动体的质量和；c是阻尼系数；x和y分别表示轴承沿X、Y方向的振动位移；W
x
和W
y
表示作用在轴上X、Y方向的径向力；K是用Harris方法计算的总接触刚度；λ
i
表示第i个滚动体的有效接触面积参数，写为：7.根据权利要求6所述的数模联合驱动的全寿命滚动轴承数字孪生模型构建方法，其特征在于：步骤S1
‑
S4为滚动轴承全寿命周期动力学模型建立过程，其具体建立步骤如下：输入：N个时刻测量的全寿命周期的轴承振动信号样本集t＝Δt
×
{0,1,
…
,N
‑
1}，其中Δt表示相邻两个样本之间的时间间隔；固定的缺陷高度H；用于停止二分搜素的误差ε；初始化：选择n个故障样本使其中L
i
和B
i
分别表示第i个时刻的缺陷长度和宽度；使得缺陷长度(宽度)的步长Δ是一个大的值去确保一个宽的搜索范围；1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦毅，吴兴国，罗均，蒲华燕，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：