一种基于机电耦合模型的齿轮裂纹故障诊断方法技术

本发明专利技术公开了一种基于机电耦合模型的齿轮裂纹故障诊断方法，属于齿轮裂纹故障诊断领域。包括以下步骤：建立永磁电机驱动的采煤机截割部机电传动系统全局耦合动力学模型；构建采煤机截割滚筒的动态负载模型；确定永磁同步电机控制器架构及控制参数；确定齿轮裂纹故障模型及故障特征表征参数；获取机电耦合模型中电机电流的信号特征来精确提取齿轮传动系统裂纹故障特征参数；设计结束。提供了一种非侵入式的方法来通过电气特征检测机械故障，从源头上解决了外加传感器难以保证监测质量等诸多问题，达到直接从电机电流信号精准提取故障工况下典型特征的目的，为研究采煤机截割传动系统健康状态监测及故障预测提供了重要理论基础。基础。基础。

【技术实现步骤摘要】
一种基于机电耦合模型的齿轮裂纹故障诊断方法


[0001]本专利技术涉及齿轮裂纹故障诊断领域，尤其涉及一种基于机电耦合模型的齿轮裂纹故障诊断方法。

技术介绍

[0002]采煤机截割传动系统是一个集多啮合点、多级传动等特征于一体的非线性机电耦合传动系统，长时间运行过程中，采煤机截割部传动齿轮容易出现磨损、裂纹、断齿等故障，进而影响采煤机正常工作。目前在采煤机传动系统齿轮故障诊断中主要是通过安装加速度传感器采集振动信号来监测齿轮运动状态，但在煤矿井下恶劣工作环境下，装加额外的传感器会受到空间位置限制，同时监测信号质量难以保证。因此针对采煤机截割传动系统恶劣的工作环境，对传动系统可能出现的故障做出合理、有效的判据，确定有效的典型故障特征是十分重要的。
[0003]考虑到采煤机截割传动系统由永磁同步电机、减速器、截割滚筒以及一些零部件组成，是一个典型的机电耦合系统，目前在国内外已有很多学者开展了传动系统的机电耦合模型研究，但现有研究在齿轮故障研究过程中，大部分都是采用油液检测、铁谱分析、力矩传感器等后处理的形式去判断齿轮故障，然后在煤矿井下复杂工况下加装力矩传感器不方便，油液检测和铁谱分析的监测具有较大的时间延迟性，因此如何提取有效的电流信号来诊断采煤机截割传动系统故障成为亟待解决的问题。

技术实现思路

[0004]技术问题：本专利技术的目的是针对现有技术的技术问题，提供一种基于机电耦合模型的齿轮裂纹故障诊断方法，无需装加额外的传感器，通过电流信号实现对机械的无创故障检测。
[0005]技术方案：为实现上述目的，本专利技术的一种基于机电耦合模型的齿轮裂纹故障诊断方法，其特征在于：从机电耦合角度出发，汇总电机电流信号通过非侵入式的方法来通过电气特征检测机械故障，首先建立永磁电机驱动采煤机截割部机电传动系统耦合动力学模型，然后构建采煤机截割滚筒末端动态负载模型，之后确定永磁同步电机控制器架构及控制参数，确定齿轮裂纹故障模型及故障特征表征参数，通过分析机电耦合模型中电机电流的信号特征来精确提取齿轮传动系统裂纹故障特征参数，无需外加传感器，使电流信号易于快速获取，达到直接从电机电流信号提取故障工况下典型特征的目的。
[0006]具体步骤如下：
[0007]S1：建立永磁电机驱动采煤机截割部的机电传动系统全局机电耦合动力学模型，该模型包括采煤机截割部机电传动系统中所有的多种子系统的典型复杂机电系统，包括永磁电机子系统，齿轮传动子系统，末端负载子系统模型；
[0008]S2：对截割滚筒负载进行计算，从而得到采煤机末端截割滚筒平均负载转矩，建立截割滚筒数学模型得到采煤机截割负载转矩与牵引速度和滚筒切割速度的关系，构建采煤
机截割滚筒末端动态负载模型；
[0009]S3：根据永磁电机驱动采煤机截割部机电传动系统耦合动力学物理模型进行数学建模，建立采煤机截割部机电传动系统的动力学模型，确定永磁同步电机控制器架构，确定电机控制参数；
[0010]S4：由于采煤机截割部机电传动系统的物理参数会直接影响到齿轮传动的动态响应，针对齿轮裂纹故障，先计算并逐个确定采煤机截割部机电传动系统中各转子部件的关键参数，包括转动惯量、集中质量、刚度、阻尼，再对采煤机截割部机电传动系统进行建模和数值求解；根据裂纹深度将齿轮裂纹故障分为两种情况，对带裂纹故障轮齿的弯曲变形和剪切变形刚度进行计算，求出对于主动齿轮上带齿根裂纹故障轮齿的时变啮合刚度，建立裂纹故障与电流之间的映射关系，用于故障诊断；
[0011]S5：根据S1中机电传动系统全局机电耦合动力学模型以及分别建立永磁电机子系统，齿轮传动子系统，末端负载子系统的动力学模型，获取机电耦合模型中永磁电机电流的信号特征，以齿轮裂纹故障状态下的啮合刚度为评价指标，精准提取采煤机截割部机电传动系统中各个子系统中齿轮的裂纹故障特征，建立永磁同步电机q轴电流特征与齿轮裂纹故障之间的映射关系，通过监测电机电流信号判断齿轮传动系统中齿轮裂纹故障；通过调整永磁电机控制参数和齿轮故障特征表征参数来改变故障诊断的准确性，直到与实际故障结果一致为止，最后确定采煤机截割部的中齿轮裂纹故障的精准诊断方法。
[0012]进一步，采煤机截割部机电传动系统的机电耦合作用指永磁同步电机电磁参数与齿轮传动系统及负载系统的机械参数构成的耦合系统，该耦合系统包括完整的从输入到输出，利用该耦合系统的动力学模型建立的映射关系表示齿轮裂纹故障和电流之间的映射关系：
[0013][0014]式中χ代表电荷，i
q
代表q轴电流，R代表电阻，L
d
为d轴电感，L
q
为q轴电感，K
pq
和 K
iq
为电流环的PI控制参数，K
pω
和K
iω
为速度环的PI控制参数，为电机设定转速，ω
m
为电机实
际测量速度，θ
m
为转速差，η
m
为转速差的积分，J
i
(i＝m,L,1～6)为各元件的转动惯量，θ
i
(i＝m,L,1～6)为各元件的扭转角，K
12
、K
34
、K
56
为各齿轮副的啮合刚度，C
12
、C
34
、C
56
为各齿轮副的啮合阻尼K
m1
、K
23
、K
45
、K
6L
为各传动轴的扭转刚度，C
m1
、C
23
、C
45
、C
6L
为各传动轴的扭转阻尼,F
12
，F
34
，F
56
为齿轮对之间的啮合力，T
m
为永磁电机的电磁力矩，T
L
为截割滚筒的负载转矩，分别建立永磁电机子系统，齿轮传动子系统，末端负载子系统的动力学模型，最后再将各子系统动力学模型整合起来。
[0015]进一步，计算截割滚筒负载时，滚筒上单个钝截齿所受平均截割力Z
d
为：
[0016][0017]式中，Z0为单个锐利截齿所承受的截割力，Y
d
‑
Y0为截齿磨钝时牵引力的增加量，且 Y
d
‑
Y0＝100δ
cm
S
a
K
δ
；δ
cm
为煤的单向抗压强度，经验公式δ
cm
＝10f，10～50MPa；f为煤岩坚固性系数；S
a
为截齿磨钝后，磨损面在截割平面上的投影面积；K
δ
为矿体应力状态体积系数；f
′
为抗切削阻力系数；A
p
为煤层平均截割阻抗；b
p
为截齿工作部分计算宽度，镐齿为其直径一半， K
Z
为外漏自由表现系数；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于机电耦合模型的齿轮裂纹故障诊断方法，其特征在于：从机电耦合角度出发，汇总电机电流信号通过非侵入式的方法来通过电气特征检测机械故障，首先建立永磁电机驱动采煤机截割部机电传动系统耦合动力学模型，然后构建采煤机截割滚筒末端动态负载模型，之后确定永磁同步电机控制器架构及控制参数，确定齿轮裂纹故障模型及故障特征表征参数，通过分析机电耦合模型中电机电流的信号特征来精确提取齿轮传动系统裂纹故障特征参数，无需外加传感器，使电流信号易于快速获取，达到直接从电机电流信号提取故障工况下典型特征的目的。2.根据权利要求1所述基于机电耦合模型的齿轮裂纹故障诊断方法，其特征在于，具体步骤如下：S1：建立永磁电机驱动采煤机截割部的机电传动系统全局机电耦合动力学模型，该模型包括采煤机截割部机电传动系统中所有的多种子系统的典型复杂机电系统，包括永磁电机子系统，齿轮传动子系统，末端负载子系统模型；S2：对截割滚筒负载进行计算，从而得到采煤机末端截割滚筒平均负载转矩，建立截割滚筒数学模型得到采煤机截割负载转矩与牵引速度和滚筒切割速度的关系，构建采煤机截割滚筒末端动态负载模型；S3：根据永磁电机驱动采煤机截割部机电传动系统耦合动力学物理模型进行数学建模，建立采煤机截割部机电传动系统的动力学模型，确定永磁同步电机控制器架构，确定电机控制参数；S4：由于采煤机截割部机电传动系统的物理参数会直接影响到齿轮传动的动态响应，针对齿轮裂纹故障，先计算并逐个确定采煤机截割部机电传动系统中各转子部件的关键参数，包括转动惯量、集中质量、刚度、阻尼，再对采煤机截割部机电传动系统进行建模和数值求解；根据裂纹深度将齿轮裂纹故障分为两种情况，对带裂纹故障轮齿的弯曲变形和剪切变形刚度进行计算，求出对于主动齿轮上带齿根裂纹故障轮齿的时变啮合刚度，建立裂纹故障与电流之间的映射关系，用于故障诊断；S5：根据S1中机电传动系统全局机电耦合动力学模型以及分别建立永磁电机子系统，齿轮传动子系统，末端负载子系统的动力学模型，获取机电耦合模型中永磁电机电流的信号特征，以齿轮裂纹故障状态下的啮合刚度为评价指标，精准提取采煤机截割部机电传动系统中各个子系统中齿轮的裂纹故障特征，建立永磁同步电机q轴电流特征与齿轮裂纹故障之间的映射关系，通过监测电机电流信号判断齿轮传动系统中齿轮裂纹故障；通过调整永磁电机控制参数和齿轮故障特征表征参数来改变故障诊断的准确性，直到与实际故障结果一致为止，最后确定采煤机截割部的中齿轮裂纹故障的精准诊断方法。3.根据权利要求2所述基于机电耦合模型的齿轮裂纹故障诊断方法，其特征在于：采煤机截割部机电传动系统的机电耦合作用指永磁同步电机电磁参数与齿轮传动系统及负载系统的机械参数构成的耦合系统，该耦合系统包括完整的从输入到输出，利用该耦合系统的动力学模型建立的映射关系表示齿轮裂纹故障和电流之间的映射关系：
式中χ代表电荷，i
q
代表q轴电流，R代表电阻，L
d
为d轴电感，L
q
为q轴电感，K
pq
和K
iq
为电流环的PI控制参数，K
pω
和K
iω
为速度环的PI控制参数，为电机设定转速，ω
m
为电机实际测量速度，θ
m
为转速差，η
m
为转速差的积分，J
i
(i＝m,L,1～6)为各元件的转动惯量，θ
i
(i＝m,L,1～6)为各元件的扭转角，K
12
、K
34
、K
56
为各齿轮副的啮合刚度，C
12
、C
34
、C
56
为各齿轮副的啮合阻尼K
m1
、K
23
、K
45
、K
6L
为各传动轴的扭转刚度，C
m1
、C
23
、C
45
、C
6L
为各传动轴的扭转阻尼,F
12
，F
34
，F
56
为齿轮对之间的啮合力，T
m
为永磁电机的电磁力矩，T
L
为截割滚筒的负载转矩，分别建立永磁电机子系统，齿轮传动子系统，末端负载子系统的动力学模型，最后再将各子系统动力学模型整合起来。4.根据权利要求2所述基于机电耦合模型的齿轮裂纹故障诊断方法，其特征在于：计算截割滚筒负载时，滚筒上单个钝截齿所受平均截割力Z
d
为：式中，Z0为单个锐利截齿所承受的截割力，Y
d
‑
Y0为截齿磨钝时牵引力的增加量，且Y
d
‑
Y0＝100δ
cm
S
a
K
δ
；δ
cm
为煤的单向抗压强度，经验公式δ
cm
＝10f，10～50MPa；f为煤岩坚固性系数；S
a
为截齿磨钝后，磨损面在截割平面上的投影面积；K
δ
为矿体应力状态体积系数；f
′
为抗切削阻力系数；A
p
为煤层平均截割阻抗；b
p
为截齿工作部分计算宽度，镐齿为其直径一半，K
Z
为外漏自由表现系数；K
Y
为截角α的影响系数；为截齿前刀面形状影响系数，范围为；K
C
为截齿排列方式系数，顺序式排列取1，棋盘式排列取1.25；K
ot
为地压对工作面煤壁影响系数；K

【专利技术属性】
技术研发人员：盛连超，徐敏翠，司磊磊，李威，叶果，陆向宁，何贞志，陈天驰，芦艳斌，
申请(专利权)人：江苏师范大学，
类型：发明
国别省市：