基于数字孪生的直齿轮温度场预测方法技术

本发明专利技术公开了基于数字孪生的直齿轮温度场预测方法，基于理论计算方法构建理论计算模型，计算直齿轮轮齿齿面沿齿廓方向的理论接触温度；利用基于温度采集系统的轮齿关键测温点物理空间模型，采集轮齿关键测温点的实测接触温度；基于理论接触温度与实测接触温度，构建热参数修正模型，实时修正由理论计算模型得到的轮齿齿面的摩擦生热量，得到修正后的轮齿齿面的摩擦生热量；根据修正后的轮齿齿面的摩擦生热量对直齿轮轮齿的接触温度进行预测，构建虚拟模型，将预测的接触温度结果映射到虚拟模型上。本发明专利技术预测齿轮温度场速度更快，可有效提高理论计算模型的预测精度，更具实际可行性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
基于数字孪生的直齿轮温度场预测方法


[0001]本专利技术属于齿轮温度场预测
，具体涉及基于数字孪生的直齿轮温度场预测方法。

技术介绍

[0002]直齿轮传动作为复杂机械传动系统的核心，具有可靠性高、扭矩大、功率高、体积小等优点。但由于摩擦生热较多，齿轮轮齿在啮合过程中承受着较高的局部热负载，过高的热负载会严重影响轮齿的润滑效果与传动性能。此外，过高的齿面闪温容易导致齿面出现胶合破坏现象。因此，有必要对直齿轮的温度场进行研究。
[0003]随着工业4.0以及数字化转型技术的快速发展，航空航天、工业等领域的机械系统逐渐复杂化，对这些复杂设备的智能化要求不断提高。因此，针对复杂机械的状态实时监测与性能预测成为了工业领域的焦点问题。而数字孪生作为智能制造的重要应用模式，是一种数据驱动的智能服务新模式与技术手段，其通过利用虚拟建模、数据融合、虚实交互等技术，搭建物理空间与虚拟空间信息传递桥梁，可有效解决直齿轮难测点接触温度预测问题，乃至复杂机械设备的实时监测与性能预测问题。
[0004]在现有的面向齿轮温度场研究中，多数利用有限元法、热网络法及理论计算法求解预测齿轮温度场。这些方法在求解过程中，会将实际参数理想化，导致最终结果与实际结果偏差较大。并且，尚未出现结合实采数据，利用热参数修正模型和理论计算法，求解直齿轮温度场的具体方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供基于数字孪生的直齿轮温度场预测方法，基于数字孪生方法，同时利用温度采集系统实时采集温度关键测温点数据，基于理论计算模型，进行齿轮轮齿温度场预测，并结合热参数修正模型，实时修正齿面摩擦生热量，提高难测点温度的预测精度。
[0006]为实现上述技术目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0007]一种基于数字孪生的直齿轮温度场预测方法，包括如下步骤：
[0008]步骤一、基于理论计算方法构建理论计算模型，计算直齿轮轮齿齿面沿齿廓方向的理论接触温度T
C
；
[0009]步骤二、利用基于温度采集系统的轮齿关键测温点物理空间模型，采集轮齿关键测温点的实测接触温度t
m
；
[0010]步骤三、基于理论接触温度T
C
与实测接触温度t
m
，构建热参数修正模型，实时修正由理论计算模型得到的轮齿齿面的摩擦生热量Q，得到修正后的轮齿齿面的摩擦生热量Q
′
；
[0011]步骤四、根据修正后的轮齿齿面的摩擦生热量Q
′
对直齿轮轮齿的接触温度t
c
进行预测，并基于JavaWeb技术开发虚拟模型，将接触温度预测结果映射到虚拟模型上。
[0012]为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
[0013]上述的步骤一包括如下子步骤：
[0014]步骤11：根据Blok闪温理论，求解轮齿齿面瞬时温度T
f
；
[0015]步骤12：根据润滑油初始温度和轮齿分度圆切向单位线载荷，求解齿面本体温度T
B
；
[0016]步骤13：将计算T
f
与T
B
涉及的理论公式基于Java语言进行编写，构建理论计算模型；
[0017]步骤14：理论计算模型将齿面本体温度T
B
和齿面瞬时温度T
f
相加，得到直齿轮轮齿齿面沿齿廓方向的理论接触温度T
C
。
[0018]上述的根据Blok闪温理论求解轮齿齿面瞬时温度T
f
的计算公式如下：
[0019][0020]其中，μ为齿面摩擦系数；P
e
为单位齿宽上的法向载荷；c1和c2分别为主、从动齿轮的比热容；m1和m2分别为主、从动齿轮的热传导系数；ρ1和ρ2分别为主、从动齿轮的密度；b
H
为接触带半宽；v1和v2分别为主、从动轮在啮合点处的切向速度；
[0021]b
H
由下式表示：
[0022][0023]其中，F
n
为齿面啮合点的法向载荷；ρ
′1为啮合点处主动轮等效曲率半径；ρ
′2为啮合点处从动轮等效曲率半径；b为齿轮齿宽；E1为主动轮材料的弹性模量；E2为从动轮材料的弹性模量。
[0024]上述的齿面摩擦系数μ计算公式如下：
[0025][0026]其中，ν
f
为润滑油运动粘度；X
L
为润滑油修正系数；
[0027]R
ec
为啮合点处等效曲率半径；R
a1
为主动轮表面粗糙度；R
a2
为从动轮表面粗糙度；
[0028]润滑油运动粘度ν
f
由下式表示：
[0029]lglg(ν
f
+c)＝A
‑
Blg(T+273)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0030]其中，T为温度；ν
f
为润滑油温度T时的运动粘度；A、B为润滑油油品的常数；c为常数。
[0031]上述的齿轮本体温度T
B
的计算公式如下：
[0032]T
B
＝T
oil
+0.11W
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0033]其中，T
oil
为润滑油初始温度；W
t
为轮齿分度圆切向单位线载荷。
[0034]上述的步骤二包括如下子步骤：
[0035]步骤21：将温度传感器预埋在直齿轮端面与啮合面的交线处；；
[0036]步骤22：将温度传感器与温度采集系统对应采集通道相接，温度采集系统包括：温
度节点和网关；
[0037]步骤23：设定温度采集数据系统的采集速率与采集通道对应的传感器类型，得到基于温度采集系统的轮齿关键测温点物理空间模型，采集轮齿关键测温点的实测接触温度t
m
。
[0038]上述的步骤三包括如下子步骤：
[0039]步骤31：搭建温度采集系统与上位机之间的TCP连接，实现通信；
[0040]步骤32：服务器端接收到客户端发送的数据并按照默认数据格式进行解析；
[0041]步骤33：孪生系统后台程序将解析得到的温度数据实时存储于数据库中；
[0042]步骤34：基于热参数修正机理与测温点实采数据，利用Java语言构建热参数修正模型，实时修正轮齿齿面的摩擦生热量。
[0043]上述的步骤31中温度采集系统的温度节点作为客户端，上位机作为服务器端，两者之间利用套接字Socket实现数据传递；
[0044]步骤32中默认数据格式具体格式为：节点，通道号，采样值，采样序号。
[0045]上述的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的直齿轮温度场预测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、基于理论计算方法构建理论计算模型，计算直齿轮轮齿齿面沿齿廓方向的理论接触温度T
C
；步骤二、利用基于温度采集系统的轮齿关键测温点物理空间模型，采集轮齿关键测温点的实测接触温度t
m
；步骤三、基于理论接触温度T
C
与实测接触温度t
m
，构建热参数修正模型，实时修正由理论计算模型得到的轮齿齿面的摩擦生热量Q，得到修正后的轮齿齿面的摩擦生热量Q
′
；步骤四、根据修正后的轮齿齿面的摩擦生热量Q
′
对直齿轮轮齿的接触温度t
c
进行预测，并基于JavaWeb技术开发虚拟模型，将接触温度预测结果映射到虚拟模型上。2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的直齿轮温度场预测方法，其特征在于：步骤一包括如下子步骤：步骤11：根据Blok闪温理论，求解轮齿齿面瞬时温度T
f
；步骤12：根据润滑油初始温度和轮齿分度圆切向单位线载荷，求解齿面本体温度T
B
；步骤13：将计算T
f
与T
B
涉及的理论公式基于Java语言进行编写，构建理论计算模型；步骤14：理论计算模型将齿面本体温度T
B
和齿面瞬时温度T
f
相加，得到直齿轮轮齿齿面沿齿廓方向的理论接触温度T
C
。3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的直齿轮温度场预测方法，其特征在于：步骤11中，根据Blok闪温理论求解轮齿齿面瞬时温度T
f
的计算公式如下：其中，μ为齿面摩擦系数；P
e
为单位齿宽上的法向载荷；c1和c2分别为主、从动齿轮的比热容；m1和m2分别为主、从动齿轮的热传导系数；ρ1和ρ2分别为主、从动齿轮的密度；b
H
为接触带半宽；v1和v2分别为主、从动轮在啮合点处的切向速度；b
H
由下式表示：其中，F
n
为齿面啮合点的法向载荷；ρ
′1为啮合点处主动轮等效曲率半径；ρ
′2为啮合点处从动轮等效曲率半径；b为齿轮齿宽；E1为主动轮材料的弹性模量；E2为从动轮材料的弹性模量。4.根据权利要求3所述的基于数字孪生的直齿轮温度场预测方法，其特征在于，步骤11中，齿面摩擦系数μ计算公式如下：其中，ν
f
为润滑油运动粘度；X
L
为润滑油修正系数；R
ec
为啮合点处等效曲率半径；R
a1
为主动轮表面粗糙度；R
a2
为从动轮表面粗糙度；
润滑油运动粘度ν
f
由下式表示：lglg(ν
f
+c)＝A
‑
Blg(T+273)
ꢀꢀꢀ...

【专利技术属性】
技术研发人员：冷晟，钱浩，虞钧棚，陈蔚芳，陆凤霞，陈福星，王聪，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：