【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于牵引齿轮传动系统，涉及一种牵引齿轮传动系统局部故障振动特征预测方法、系统及介质。
技术介绍
1、齿轮箱作为城轨交通牵引动力传递的核心部件之一，其性能的优劣及其演变规律将会影响城轨车辆整个牵引传动系统的动态特性，直接关系到整个交通系统的安全、稳定和高效运行。导致越来越多的国内外学者展开了对城轨车辆牵引齿轮传动系统工作状态实时监测的研究。城轨车辆的齿轮故障会加速动力传动结构件的疲劳失效，影响城轨车辆牵引传动系统的动态特性及服役寿命，降低城轨车辆的运行效能。
2、为准确预测城轨车辆牵引传动系统振动、载荷等动态服役行为，监测齿轮局部裂纹、剥落等典型故障导致的振动特征，就要全面考虑各种非线性动态激励对城轨车辆牵引传动系统动态性能的影响。建立内外多源激励下城轨车辆牵引传动系统机电耦合动力学模型，提出系统动力学轻量化仿真的代理模型，结合城轨车辆传动系统实际运行时各类状态监测数据和运行数据。通过对虚拟仿真模型参数实时更新和校正，提高虚拟模型与物理实体动力学虚实行为的一致性和实时性，实现对城轨车辆牵引传动系统真实运行场景下故障振动特征实时监测以及未来状态的推演，并据此制定合理的维修计划和策略，实现资源配置和系统性能最优，为城轨车辆的可靠、安全、平稳、高效运行提供理论依据。
3、目前，尚未有城轨车辆牵引齿轮传动系统数字孪生建模和仿真的报道。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种牵引齿轮传动系统局部故障振动特征预测方法、系统及介质，以解决城轨车辆牵引齿轮传
2、为了达到上述目的，本专利技术的基础方案为：一种城轨车辆牵引齿轮传动系统局部故障振动特征预测方法，包括如下步骤：
3、s1，采集城轨车辆牵引齿轮传动系统的基本参数，基于电磁理论计算牵引电机受到的时变电磁转矩；
4、采用位移函数模拟车轮多边形激励，计算斜齿轮时变啮合刚度激励，分别建立牵引电机数学模型、斜齿轮传动系统弯扭轴动力学模型；
5、建立内外多源激励下的牵引传动系统的机电耦合动力学模型；
6、s2，计算含局部故障的斜齿轮时变啮合刚度，代入步骤s1所建立的动力学模型，通过数值求解获得斜齿轮局部故障下的牵引齿轮传动系统动力学响应；
7、s3，采用最优拉丁超立方法获取输入样本，构建单一保真度代理模型，计算各单一代理模型权重系数，建立面向数字孪生轻量化仿真的牵引齿轮局部故障动力学实时驱动组合代理模型；
8、s4，结合城轨车辆牵引传动系统实际运行时监测的振动数据，对步骤s3建立的牵引齿轮局部故障动力学实时驱动组合代理模型进行参数辨识和模型校正，形成面向牵引齿轮典型故障振动特征实时和精准仿真预测的数字孪生模型；
9、采集待检测的牵引齿轮传动系统的基本参数，并输入该数字孪生模型中，输出牵引齿轮传动系统局部故障振动特征预测结果。
10、本基础方案的工作原理和有益效果在于：本技术方案在内外多源激励下，基于含斜齿轮局部故障的牵引传动系统，建立机电耦合动力学模型，获取了牵引斜齿轮裂纹、剥落等典型故障的振动特征。并面向数字孪生轻量化仿真，建立牵引齿轮局部故障动力学代理模型。
11、基于多目标非支配排序遗传优化算法，进行牵引齿轮典型故障动力学仿真代理模型参数辨识和模型校正，实现真实运行场景下牵引齿轮健康及故障状态下振动特征的实时监测和预测，促进牵引齿轮维修策略从目前的计划维修和事后维修向视情维修的转变，助力我国城轨交通实现“智能基础设施数字化、智能运维安全感知化”的战略目标。
12、进一步，所述步骤s1中，基于电磁理论计算牵引电机时变电磁转矩的具体步骤为：
13、s101，两相d-q轴旋转坐标系下，d轴按转子磁链定向控制时电压方程：
14、
15、其中，下标i＝s，r表示定子，转子；下标j＝d，q表示d轴，q轴；li为自感；ri为电阻；ωi为角速度；uij为电压；iij为电流；ωsl为转差角速度；iij为电流；
16、其中，ls、lr分别为电机定子自感、电机转子自感；rs、rr为电机定子电阻、转子电阻；ωsl为转差角速度；ωs、ωr分别为定子、转子角速度；usd、usq分别为定子在d轴和q轴上的电压；isd、isq分别为定子在d轴和q轴上的电流；ird、irq分别为转子在d轴和q轴上的电流；p0为微分算子，p0＝d/dt；lm为定子与转子绕组间互感；
17、s102，牵引电动机磁链矩阵方程：
18、
19、其中，ψij为磁链；ψsd、ψsq分别为定子在d轴和q轴上的磁链；ψrd、ψrq分别为转子在d轴和q轴上的磁链；
20、s103，牵引传动系统受到的时变电磁转矩为：
21、
22、其中，te为时变电磁转矩；pn为极对数。
23、基于电磁理论计算牵引电机时变电磁转矩，以便后续使用。
24、进一步，所述步骤s1中，建立牵引电机数学模型、斜齿轮传动系统弯扭轴动力学模型，以及内外多源激励下的城轨车轮牵引传动系统的机电耦合动力学模型的方法如下：
25、s104，城轨车辆轮对半径沿车轮周向周期性变化的车轮多边形激励，采用含有1～n阶谐波four i er级数形式的位移函数：
26、
27、其中，zr0(t)为t时刻轮轨接触点处车轮多边形激励；n为车轮多边形的阶数；an为第n阶车轮多边形幅值；v为城轨车辆运行速度；r0为车轮半径；t为时间；ψn为第n阶车轮多边形相位；
28、s105，计算城轨车辆轮对和轨道接触的非线性轮轨法向接触力：
29、
30、其中，p(t)为t时刻非线性轮轨法向接触力；g为轮轨接触常数，zr0(t)为t时刻轮轨接触点处车轮多边形激励；
31、s106，计算城轨车辆轮轨接触的纵向蠕滑力：
32、fcreep＝p(t)·μ
33、其中，fcreep为城轨车辆轮轨接触的纵向蠕滑力；μ为轮轨接触界面黏着系数；
34、s107，计算城轨车辆齿轮传动过程中的动态啮合力：
35、
36、其中，fm为城轨车辆齿轮传动过程中的动态啮合力，km为啮合刚度；δm为传动误差；cm为啮合阻尼；为传动误差一次导数；
37、s108，斜齿轮副在啮合过程中的时变啮合刚度激励为：
38、
39、其中，m为参与啮合的轮齿对数，kεγ，γ＝a,b,s,f,h分别为健康斜齿轮的轴向压缩刚度、弯曲刚度、剪切刚度、基体刚度和赫兹接触刚度，ε为啮合的齿对数；n0为斜齿轮沿着齿宽方向的切片数，下标g和p表示大齿轮和小齿轮；
40、s109，考虑城轨车辆牵引传动系统斜齿轮副传动过程中的时变刚度激励、时变电磁转矩及车轮多边形激励，采用集中参数法，建立内外多源激励下城轨车辆牵引电机-本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种城轨车辆牵引齿轮传动系统局部故障振动特征预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的城轨车辆牵引齿轮传动系统局部故障振动特征预测方法，其特征在于，所述步骤S1中，基于电磁理论计算牵引电机时变电磁转矩的具体步骤为：
3.如权利要求2所述的城轨车辆牵引齿轮传动系统局部故障振动特征预测方法，其特征在于，所述步骤S1中，建立牵引电机数学模型、斜齿轮传动系统弯扭轴动力学模型，以及内外多源激励下的城轨车轮牵引传动系统的机电耦合动力学模型的方法如下：
4.如权利要求1所述的牵引齿轮传动系统局部故障振动特征预测方法，其特征在于，步骤S2中，基于势能法，计算含局部故障的斜齿轮时变啮合刚度，代入步骤S1所建立的动力学模型，通过数值求解获得斜齿轮局部故障下的牵引齿轮传动系统动力学响应的方法为：
5.如权利要求1所述的城轨车辆牵引齿轮传动系统局部故障振动特征预测方法，其特征在于，步骤S3中，采用最优拉丁超立方法获取输入样本，构建单一保真度代理模型，计算各单一代理模型权重系数，建立面向数字孪生轻量化仿真的城轨车辆牵引齿轮局部故障动力学
6.如权利要求1所述的城轨车辆牵引齿轮传动系统局部故障振动特征预测方法，其特征在于，步骤S4中，结合城轨车辆牵引传动系统实际运行时监测的振动数据，采用多目标非支配排序遗传算法对步骤S3建立的城轨车辆牵引齿轮局部故障动力学实时驱动组合代理模型进行参数辨识和模型校正，形成面向牵引齿轮典型故障振动特征实时和精准仿真预测的数字孪生模型的方法如下：
7.一种城轨车辆牵引齿轮传动系统局部故障振动特征预测系统，其特征在于，包括数据采集模块和处理模块；
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序用于执行权利要求1-6任一所述方法。
...【技术特征摘要】
1.一种城轨车辆牵引齿轮传动系统局部故障振动特征预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的城轨车辆牵引齿轮传动系统局部故障振动特征预测方法，其特征在于，所述步骤s1中，基于电磁理论计算牵引电机时变电磁转矩的具体步骤为：
3.如权利要求2所述的城轨车辆牵引齿轮传动系统局部故障振动特征预测方法，其特征在于，所述步骤s1中，建立牵引电机数学模型、斜齿轮传动系统弯扭轴动力学模型，以及内外多源激励下的城轨车轮牵引传动系统的机电耦合动力学模型的方法如下：
4.如权利要求1所述的牵引齿轮传动系统局部故障振动特征预测方法，其特征在于，步骤s2中，基于势能法，计算含局部故障的斜齿轮时变啮合刚度，代入步骤s1所建立的动力学模型，通过数值求解获得斜齿轮局部故障下的牵引齿轮传动系统动力学响应的方法为：
5.如权利要求1所述的城轨车辆牵引齿轮传动系统局部故障振动特征...
【专利技术属性】
技术研发人员：余文念，刘月秋，吴晶，陈恺，孙辰，陈晓慧，李文博，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：
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