曹進(jìn)華,洪瑛杰,周 杰

(1.廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院, 福建 漳州 363105; 2.國防科技大學(xué) 信息通信學(xué)院, 武漢 430019)

0 引言

近些年,以“神舟”、“天宮”為代表的航天器發(fā)射任務(wù)頻繁,發(fā)射場地面設(shè)施設(shè)備的可靠性和安全性顯得越來越重要。發(fā)射塔電纜擺桿廣泛用于航天發(fā)射塔架類大型母體建筑,用于支撐測試電纜、氣管、風(fēng)管等柔性材料。在發(fā)射前或必要時機(jī),擺臂受液壓動力驅(qū)動下進(jìn)行變速往復(fù)運(yùn)動[1-2],其可靠性直接影響發(fā)射任務(wù)能否順利完成。而類似擺桿系統(tǒng)這一類大型機(jī)電液復(fù)雜系統(tǒng),因其體積規(guī)模較大,原理結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在系統(tǒng)中作用重要,一旦發(fā)生故障,除了造成系統(tǒng)損壞,還可能帶來人員傷亡和國際影響。

擺桿系統(tǒng)受限于歷史故障數(shù)據(jù)不足,缺少規(guī)范有效的故障數(shù)據(jù)收集機(jī)制和成熟有效的質(zhì)量監(jiān)測管理技術(shù)手段,難以實(shí)現(xiàn)這類大型機(jī)電液系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)測和性能退化預(yù)測。因此其狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷一直是學(xué)術(shù)界關(guān)注的問題[2]。傳統(tǒng)故障診斷主要利用時、頻域分析等方法對被測信號分析處理,提取特征參量,進(jìn)而對設(shè)備的性能狀態(tài)進(jìn)行模式識別。該方法較依賴物理實(shí)體故障注入、數(shù)據(jù)樣本的收集和技術(shù)人員的工程經(jīng)驗(yàn),實(shí)施成本高,受條件約束多。

近幾年,隨著大數(shù)據(jù)分析、云計算、人工智能等技術(shù)發(fā)展,數(shù)字孿生技術(shù)的出現(xiàn),提供了一種集成物理空間和虛擬空間的獨(dú)特方法和技術(shù)手段[3]。根據(jù)2012年NASA宇航局基于新一代信息化技術(shù)的概念定義,數(shù)字孿生(digital twin)是充分利用物理模型、傳感信息、歷史趨勢等數(shù)據(jù),集成多物理量、多尺度、多概率的仿真過程,作為在虛擬空間中的實(shí)體產(chǎn)品鏡像,數(shù)字孿生模型刻畫并反映了物理實(shí)體產(chǎn)品的全生命周期[4]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字孿生憑借其數(shù)據(jù)驅(qū)動的特性與處理非線性動態(tài)和不確定性的能力,被應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測、診斷、預(yù)測及健康管理。例如,陶飛等利用數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電廠發(fā)電機(jī)組機(jī)械設(shè)備內(nèi)部的實(shí)時狀態(tài)監(jiān)測[5]。魏永合等利用滾動軸承三維空間孿生模型,有效還原了齒輪箱中故障軸承的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)[6]。楊文斌等對盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動減速機(jī)提出了一種仿真數(shù)字孿生建模方法,實(shí)現(xiàn)了太陽輪的常見故障診斷[7]。

因此,針對擺桿系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷需求,擬采用數(shù)字孿生技術(shù),利用圖紙資料和實(shí)測數(shù)據(jù),建立和完善擺桿機(jī)構(gòu)的數(shù)字孿生體模型,研究基于數(shù)字孿生的擺桿機(jī)械結(jié)構(gòu)故障診斷方法。通過典型故障案例,驗(yàn)證該方法應(yīng)用于機(jī)電液復(fù)雜系統(tǒng)故障診斷的可行性。

1 擺桿機(jī)構(gòu)數(shù)字孿生架構(gòu)體系

數(shù)字孿生概念最早是由美國密歇根大學(xué)的Michael Grieves提出的,該技術(shù)是以數(shù)字化為手段創(chuàng)建與物理實(shí)體等價的數(shù)字模型,仿真和刻畫物理實(shí)體在真實(shí)環(huán)境的屬性、行為、規(guī)則等[4]。因此,數(shù)字孿生模型的建立,是數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的核心任務(wù)。根據(jù)陶飛教授等[5]提出的“五維模型”,將擺桿機(jī)械結(jié)構(gòu)孿生系統(tǒng)定義為“物理層、數(shù)據(jù)層、模型層、服務(wù)層、連接層”等5部分,如圖1所示。物理層通過連接層的互聯(lián)互通與模型層進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,在虛擬孿生體中進(jìn)行仿真試驗(yàn),并將仿真數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)層中,并以可視化形式展示,便于用戶在服務(wù)層監(jiān)測設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)以及未來可能出現(xiàn)的故障預(yù)測,提前采取相應(yīng)對策。

圖1 擺桿數(shù)字孿生架構(gòu)體系

1.1 物理層

物理層由驅(qū)動機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、終端機(jī)構(gòu)等部分組成,包括擺桿懸臂、齒輪齒條、立柱等物理實(shí)體部件,通過機(jī)械傳動配合,完成發(fā)射前啟停開合動作。另外,物理層還包括傳感器等硬件,用于實(shí)時感知擺桿系統(tǒng)物理設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對擺桿系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)測。

1.2 模型層

模型層是指數(shù)字虛擬模型,其中參數(shù)化虛擬模型主要是指表征幾何形狀、材料、約束、傳動等物理特性的虛擬模型;機(jī)理模型通常是指表征質(zhì)量、動量和能量等變化過程的數(shù)學(xué)模型;可視化交互界面主要是提供人機(jī)信息交互的界面。擺桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)化虛擬模型應(yīng)當(dāng)是擺桿機(jī)構(gòu)物理實(shí)體的鏡像映射,能夠反映零部件之間的裝配約束、仿真運(yùn)動等功能;擺桿機(jī)理模型主要能夠反映擺桿機(jī)構(gòu)工作原理、動力學(xué)特性等。模型層是綜合幾何、物理、行為、規(guī)則等模型的集合體,它通過調(diào)用UG建模軟件和有限元分析軟件,進(jìn)行動力學(xué)分析,將實(shí)時采集數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比,改進(jìn)模型,實(shí)現(xiàn)實(shí)時映射物理實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)。

1.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是孿生系統(tǒng)的關(guān)鍵,通常包含數(shù)據(jù)傳輸、處理和數(shù)據(jù)中心3部分。該層包含物理層、模型層在運(yùn)行時產(chǎn)生的數(shù)據(jù),以及各學(xué)科領(lǐng)域知識在內(nèi),推理規(guī)則、時空關(guān)聯(lián)等融合數(shù)據(jù),并可隨著迭代數(shù)據(jù)的產(chǎn)生被不斷更新與優(yōu)化,以分析并描述數(shù)據(jù)間關(guān)聯(lián)關(guān)系,生成融合信息與知識,為數(shù)字孿生體提供高價值數(shù)據(jù)和信息資源支撐[7]。

1.4 服務(wù)層

服務(wù)層主要是在數(shù)字孿生系統(tǒng)運(yùn)行過程中,將需要的模型、數(shù)據(jù)、算法和仿真結(jié)果待進(jìn)行封裝,提供系統(tǒng)的功能性服務(wù)和對用戶的業(yè)務(wù)性服務(wù)。功能性服務(wù)是指以工具組件、模塊引擎的形式支撐數(shù)字孿生內(nèi)部功能實(shí)現(xiàn),而業(yè)務(wù)性服務(wù)是指以VR或AR的軟件方式將仿真結(jié)果反饋給用戶,以滿足用戶的需求。文中主要是對擺桿系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷服務(wù)。

1.5 連接層

連接層通常是指基于TCP/IP通信協(xié)議,通過有線或無線形式,進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)備、服務(wù)端設(shè)備和服務(wù)應(yīng)用端的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和信息管理,完成孿生系統(tǒng)架構(gòu)中各層間的信息數(shù)據(jù)傳輸。

2 擺桿數(shù)字孿生模型的建立

根據(jù)數(shù)字孿生模型理論,通過數(shù)字孿生技術(shù)對擺桿系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動仿真建模,利用傳感器實(shí)測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比,修正相關(guān)參數(shù),完善數(shù)字孿生體的準(zhǔn)確性,實(shí)現(xiàn)虛擬模型對物理空間的擺桿系機(jī)構(gòu)實(shí)時交互映射,并對擺桿運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行算法計算分析,對擺桿孿生系統(tǒng)開展運(yùn)維服務(wù),最后實(shí)現(xiàn)擺桿機(jī)構(gòu)的狀態(tài)檢測和故障診斷,工作流程如圖2所示。

圖2 孿生模型故障診斷流程

2.1 擺桿機(jī)構(gòu)物理實(shí)體

電纜擺桿系統(tǒng)的式樣為齒輪齒條驅(qū)動雙轉(zhuǎn)軸式,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成見圖3。液壓系統(tǒng)通過液壓缸提供動力,液壓缸活塞桿推動齒條,進(jìn)而通過齒輪裝置帶動立軸轉(zhuǎn)動,立軸與水平擺桿固連一體,同步轉(zhuǎn)動完成開合動作。以其工作原理和運(yùn)行特點(diǎn)為依據(jù),進(jìn)行測試傳感器的選型和安裝布局,制定試驗(yàn)方案,與數(shù)據(jù)采集硬件構(gòu)成信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。此處,選取活塞桿到水平擺桿之間的機(jī)械部分和信息數(shù)據(jù)采集傳感器一并構(gòu)成了物理實(shí)體。

圖3 擺桿機(jī)械工作原理 Fig.3 Operating principle of swing rod system

根據(jù)擺桿工作原理,綜合考慮擺桿系統(tǒng)的空間布局、測點(diǎn)選擇、傳感器參數(shù)等因素,制定電纜擺桿測試方案,傳感器布置和數(shù)據(jù)采集項目如圖4、圖5所示。試驗(yàn)過程中,該測試系統(tǒng)重點(diǎn)采集擺桿系統(tǒng)開合過程傳動鏈上各部件的運(yùn)動信息,以提供給數(shù)據(jù)層分析、優(yōu)化和融合用。

圖4 擺桿測試系統(tǒng)組成

圖5 傳感器安裝位置

2.2 虛擬仿真模型

如前所述,虛擬擺桿系統(tǒng)是對實(shí)體擺桿系統(tǒng)的數(shù)字化表達(dá),對物理實(shí)體從尺寸結(jié)構(gòu)、裝配關(guān)系、材料屬性、模態(tài)特征等方面進(jìn)行全方位、多尺度刻畫描述。就擺桿系統(tǒng)而言,該虛擬模型要側(cè)重能夠反映運(yùn)行規(guī)律、物理特性和行為規(guī)則等信息。為了保證虛擬模型與擺桿物理實(shí)體的全息映射,特別是對于我們關(guān)注的擺桿動力學(xué)特性方面,必須在建模過程中結(jié)合孿生數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比改進(jìn),優(yōu)化虛擬模型。

首先,我們根據(jù)設(shè)計圖紙?zhí)峁┑某叽绾筒牧蠀?shù),利用UG軟件,構(gòu)建虛擬模型,如圖6所示。并利用其MCD組件,對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)驗(yàn)證,確保尺寸參數(shù)合格。

下一步,著手進(jìn)行擺桿動力學(xué)模型仿真。由于擺桿機(jī)構(gòu)是由空心鋼梁、鋼管、鋁管等金屬構(gòu)件組成,采用鉚接、螺栓、焊接和法蘭盤等方式組裝?？紤]到外載荷及自重載荷等多種因素產(chǎn)生的彎矩對水平擺桿及豎軸的變形和應(yīng)力有較大的影響,用梁單元來建立塔架擺桿系統(tǒng)的有限元模型。豎軸、擺桿部分連接關(guān)系見圖7,其中固定約束用F表示,轉(zhuǎn)動副用R表示,忽略螺釘、螺栓等安裝的影響[10-11]。

圖6 擺桿系統(tǒng)虛擬模型

圖7 擺桿部分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

根據(jù)擺桿特點(diǎn),適當(dāng)簡化,作以下近似假設(shè):

1) 忽略墊片、螺栓等小零件的影響,水平桿型號相同,且等間距豎直分布;

2) 忽略液壓力階躍變化的沖擊,及各種非線性因素的影響;

3) 忽略齒輪對擺桿系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量的影響;

4) 阻力矩在轉(zhuǎn)動過程中保持不變;

5) 關(guān)于各構(gòu)件彈性變形和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)阻尼等對豎軸轉(zhuǎn)動的影響,通過齒輪和轉(zhuǎn)軸之間的彈性阻尼鉸進(jìn)行等效考慮;

6) 軸承阻尼、空氣阻尼或風(fēng)阻對運(yùn)動的影響,用轉(zhuǎn)軸與軸承之間阻尼鉸等效考慮;

基于上述假設(shè),根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)法原理,見圖8,可將擺桿模型視為剛體、彈性鉸、阻尼鉸組成的動力模型,其振動可視為整體剛性運(yùn)動和由彈性鉸的彈性變形引起的彈性振動的疊加[8]。根據(jù)文獻(xiàn)[8],可知擺桿系統(tǒng)的工作過程中轉(zhuǎn)軸末端角速度變化為二階系統(tǒng)階躍響應(yīng),動力學(xué)方程表達(dá)如下[6]

(1)

式(1)中:J為機(jī)械結(jié)構(gòu)總轉(zhuǎn)動慣量;ω為轉(zhuǎn)軸末端的實(shí)際角速度;C為系統(tǒng)總阻尼系數(shù);等于彈性阻尼鉸的等效阻尼系數(shù)和阻尼鉸等效阻尼系數(shù)之和;K為等效剛度系數(shù);θ為將擺桿當(dāng)作剛體的整體角位移。將上式進(jìn)行變換,可得

(2)

(3)

式(3)中:H(s)為系統(tǒng)傳遞函數(shù);Y(s)、X(s)分別為ω;Aμ為對應(yīng)拉氏變換對;s為拉氏變換自變量。

圖8 擺桿系統(tǒng)動力學(xué)模型

由圖9可知,當(dāng)液壓缸活塞推力作用時間較短時,塔架擺桿轉(zhuǎn)軸水平桿末端角速度變化呈二階系統(tǒng)階躍響應(yīng),擺桿開合過程中轉(zhuǎn)動速度對阻尼大小比較敏感。也就是說彈簧阻尼的等效剛度系數(shù)K和系統(tǒng)總轉(zhuǎn)動慣量J影響擺桿開合過程中的轉(zhuǎn)動速度情況。

圖9 二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線 Fig.9 Step response curve of second-order system

塔架擺桿系統(tǒng)的豎軸及水平擺桿的大部分均使用20號鋼作為主要材料,擁有完整半圓弧形的水平擺桿弧形頂端的3截彎曲段的材料為鋁,根據(jù)發(fā)射場技術(shù)資料的具體材料參數(shù)和尺寸參數(shù),根據(jù)此前動力學(xué)模型,將擺桿模型視為多剛體虛擬模型,利用ADAMS進(jìn)行仿真分析,以驗(yàn)證虛擬模型的匹配度。將液壓缸輸出的液壓力作為擺桿系統(tǒng)的輸入信號代入,可以仿真得到擺桿打開過程中任意部位的運(yùn)動和載荷數(shù)據(jù)。我們選取豎軸轉(zhuǎn)速作為系統(tǒng)仿真的輸出結(jié)果,將其與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,作為改進(jìn)數(shù)字模型的依據(jù)。

圖10是擺桿豎軸角速度實(shí)測曲線與仿真曲線的對比,從圖10中可以看出,實(shí)測曲線與仿真曲線在總體變化規(guī)律上吻合較好,試驗(yàn)曲線基頻為0.47 Hz,仿真曲線基頻為0.50 Hz,兩者基本接近,但是仿真曲線波動幅值較小,曲線較平滑,高頻成分的波動情況與試驗(yàn)結(jié)果相差較大。

圖10 多剛體模型豎軸角速度對比

為進(jìn)一步優(yōu)化模型仿真結(jié)果的匹配度,在原有的多剛體模型基礎(chǔ)上,將擺桿模型中的水平擺桿及豎軸設(shè)置為柔性體,將擺桿模型視為剛?cè)狁詈夏Ｐ?再次仿真得到擺桿豎軸轉(zhuǎn)速曲線對比圖(見圖11)。柔體模型仿真得到的豎軸角速度曲線基頻為0.46 Hz,與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的0.47 Hz更加接近。而且速度波動變化趨勢更加符合實(shí)測結(jié)果,說明剛?cè)狁詈夏Ｐ蛯τ谖锢韺?shí)體的匹配度要優(yōu)于多剛體虛擬模型。

圖11 剛?cè)狁詈夏Ｐ拓Q軸角速度對比

由此,根據(jù)物理實(shí)體實(shí)測數(shù)據(jù)和虛擬模型仿真數(shù)據(jù)間的信息交互對比,可得到一個改進(jìn)優(yōu)化后匹配度較好的虛擬模型。

2.3 孿生數(shù)據(jù)

孿生數(shù)據(jù)是指數(shù)字孿生體系各模塊連接完成后,該體系中的所有數(shù)據(jù),通常包括實(shí)測數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)和服務(wù)數(shù)據(jù)[7]。就擺桿系統(tǒng)而言,該系統(tǒng)的實(shí)體數(shù)據(jù)應(yīng)該包括擺桿機(jī)構(gòu)外形尺寸、運(yùn)行動作數(shù)據(jù)以及傳感器實(shí)時采集的數(shù)據(jù)等。虛擬仿真數(shù)據(jù)包括物理模型、動力學(xué)模型在模擬和預(yù)測仿真產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。服務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括擺桿系統(tǒng)的運(yùn)行記錄、儀器設(shè)備監(jiān)視數(shù)據(jù)等擺桿系統(tǒng)的運(yùn)維、歷史數(shù)據(jù)。圖12、圖13分別是虛擬孿生模型仿真所得打開過程中,水平擺桿根部受力和齒條受力情況。這些數(shù)據(jù)能夠反映物理實(shí)體工作情況,輔助擺桿物理實(shí)體真實(shí)故障診斷[12-13]。

圖12 打開過程中水平擺桿根部受力曲線

圖13 打開過程齒條受力曲線

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

數(shù)字孿生技術(shù)在故障診斷方面先進(jìn)性主要體現(xiàn)為:一是成熟孿生體模型能夠通過修改模型參數(shù),完成故障類型注入,準(zhǔn)確真實(shí)模擬物理實(shí)體故障現(xiàn)象和故障特征,以實(shí)現(xiàn)故障診斷;二是以更低成本提供故障排除和系統(tǒng)改進(jìn)方案的驗(yàn)證。為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)字孿生體在故障診斷方面應(yīng)用的有效性,選取了擺桿系統(tǒng)典型故障—喘行問題進(jìn)行虛擬仿真驗(yàn)證。

擺桿喘行故障原因是活塞桿與齒條間銷連接為間隙配合,導(dǎo)致傳動過程液壓缸阻尼力無法起作用,液壓阻尼效應(yīng)失效[14-15]。通過修改虛擬模型中活塞桿與齒條連接銷尺寸,將配合間隙設(shè)置為1.2 mm,完成數(shù)字孿生體的故障注入。仿真后得到豎軸角速度曲線, 間隙條件下豎軸角速度仿真與實(shí)測曲線對比如圖14所示。對圖11速度曲線進(jìn)行傅立葉頻譜分析,得到其基頻為0.48 Hz,該仿真結(jié)果的幅值與頻率與試驗(yàn)值0.46 Hz接近,相對誤差為4%。為進(jìn)一步驗(yàn)證虛擬模型的有效性,在齒條運(yùn)動方向,設(shè)置了250、500、750 N/(m/s) 3種水平的阻尼器,得到不同阻尼水平下豎軸角速度曲線,如圖15所示,可以看出,增大阻尼系數(shù),提高系統(tǒng)阻尼,能夠有效縮小豎軸角速度的波動幅值和穩(wěn)定時間。以上進(jìn)一步證實(shí)該虛擬模型在故障診斷方面的有效性。

圖14 間隙條件下豎軸角速度仿真與實(shí)測曲線

圖15 不同阻尼水平下豎軸角速度

4 結(jié)論

以擺桿機(jī)械系統(tǒng)為典型對象,構(gòu)建了復(fù)雜機(jī)電液系統(tǒng)數(shù)字孿生體,研究了數(shù)字孿生技術(shù)在機(jī)電液復(fù)雜系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的應(yīng)用,并利用典型故障實(shí)測信號進(jìn)行了驗(yàn)證。主要結(jié)論如下:

1) 根據(jù)數(shù)字孿生“五維模型”,利用UG和ADAMS軟件建立幾何三維模型和動力學(xué)模型,并通過ANSYS有限元仿真,結(jié)合試驗(yàn)系統(tǒng)測試數(shù)據(jù),完成了擺桿機(jī)械系統(tǒng)數(shù)字孿生體的構(gòu)建,解決了復(fù)雜機(jī)液系統(tǒng)在計及柔性的情況下的數(shù)字孿生體構(gòu)造問題。

2) 結(jié)合擺桿喘行典型故障,利用實(shí)測數(shù)據(jù)檢驗(yàn)了擺桿數(shù)字孿生系統(tǒng)的有效性,其故障模擬精度達(dá)96%,實(shí)現(xiàn)了大型機(jī)電液復(fù)雜系統(tǒng)可視化故障診斷工程應(yīng)用。