基于數字孿生的航天發射塔擺桿機構故障診斷研究

曹進華,洪瑛杰,周 杰

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

0 引言

近些年,以“神舟”、“天宮”為代表的航天器發射任務頻繁,發射場地面設施設備的可靠性和安全性顯得越來越重要。發射塔電纜擺桿廣泛用于航天發射塔架類大型母體建筑,用于支撐測試電纜、氣管、風管等柔性材料。在發射前或必要時機,擺臂受液壓動力驅動下進行變速往復運動[1-2],其可靠性直接影響發射任務能否順利完成。而類似擺桿系統這一類大型機電液復雜系統,因其體積規模較大,原理結構復雜,在系統中作用重要,一旦發生故障,除了造成系統損壞,還可能帶來人員傷亡和國際影響。

擺桿系統受限于歷史故障數據不足,缺少規范有效的故障數據收集機制和成熟有效的質量監測管理技術手段,難以實現這類大型機電液系統的實時監測和性能退化預測。因此其狀態監測與故障診斷一直是學術界關注的問題[2]。傳統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,進而對設備的性能狀態進行模式識別。該方法較依賴物理實體故障注入、數據樣本的收集和技術人員的工程經驗,實施成本高,受條件約束多。

近幾年,隨著大數據分析、云計算、人工智能等技術發展,數字孿生技術的出現,提供了一種集成物理空間和虛擬空間的獨特方法和技術手段[3]。根據2012年NASA宇航局基于新一代信息化技術的概念定義,數字孿生(digital twin)是充分利用物理模型、傳感信息、歷史趨勢等數據,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體產品鏡像,數字孿生模型刻畫并反映了物理實體產品的全生命周期[4]。隨著物聯網技術的發展,數字孿生憑借其數據驅動的特性與處理非線性動態和不確定性的能力,被應用于復雜系統遠程監測、診斷、預測及健康管理。例如,陶飛等利用數字孿生技術實現了電廠發電機組機械設備內部的實時狀態監測[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運行狀態[6]。楊文斌等對盾構機主驅動減速機提出了一種仿真數字孿生建模方法,實現了太陽輪的常見故障診斷[7]。

因此,針對擺桿系統的狀態監測與故障診斷需求,擬采用數字孿生技術,利用圖紙資料和實測數據,建立和完善擺桿機構的數字孿生體模型,研究基于數字孿生的擺桿機械結構故障診斷方法。通過典型故障案例,驗證該方法應用于機電液復雜系統故障診斷的可行性。

1 擺桿機構數字孿生架構體系

數字孿生概念最早是由美國密歇根大學的Michael Grieves提出的,該技術是以數字化為手段創建與物理實體等價的數字模型,仿真和刻畫物理實體在真實環境的屬性、行為、規則等[4]。因此,數字孿生模型的建立,是數字孿生技術應用的核心任務。根據陶飛教授等[5]提出的“五維模型”,將擺桿機械結構孿生系統定義為“物理層、數據層、模型層、服務層、連接層”等5部分,如圖1所示。物理層通過連接層的互聯互通與模型層進行數據傳輸,在虛擬孿生體中進行仿真試驗,并將仿真數據存儲于數據層中,并以可視化形式展示,便于用戶在服務層監測設備當前狀態以及未來可能出現的故障預測,提前采取相應對策。

圖1 擺桿數字孿生架構體系

1.1 物理層

物理層由驅動機構、傳動機構、終端機構等部分組成,包括擺桿懸臂、齒輪齒條、立柱等物理實體部件,通過機械傳動配合,完成發射前啟停開合動作。另外,物理層還包括傳感器等硬件,用于實時感知擺桿系統物理設備的運行數據,實現對擺桿系統的實時監測。

1.2 模型層

模型層是指數字虛擬模型,其中參數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;機理模型通常是指表征質量、動量和能量等變化過程的數學模型;可視化交互界面主要是提供人機信息交互的界面。擺桿機構的參數化虛擬模型應當是擺桿機構物理實體的鏡像映射,能夠反映零部件之間的裝配約束、仿真運動等功能;擺桿機理模型主要能夠反映擺桿機構工作原理、動力學特性等。模型層是綜合幾何、物理、行為、規則等模型的集合體,它通過調用UG建模軟件和有限元分析軟件,進行動力學分析,將實時采集數據與仿真數據對比,改進模型,實現實時映射物理實體的運行狀態。

1.3 數據層

數據層是孿生系統的關鍵,通常包含數據傳輸、處理和數據中心3部分。該層包含物理層、模型層在運行時產生的數據,以及各學科領域知識在內,推理規則、時空關聯等融合數據,并可隨著迭代數據的產生被不斷更新與優化,以分析并描述數據間關聯關系,生成融合信息與知識,為數字孿生體提供高價值數據和信息資源支撐[7]。

1.4 服務層

服務層主要是在數字孿生系統運行過程中,將需要的模型、數據、算法和仿真結果待進行封裝,提供系統的功能性服務和對用戶的業務性服務。功能性服務是指以工具組件、模塊引擎的形式支撐數字孿生內部功能實現,而業務性服務是指以VR或AR的軟件方式將仿真結果反饋給用戶,以滿足用戶的需求。文中主要是對擺桿系統狀態監測和故障診斷服務。

1.5 連接層

連接層通常是指基于TCP/IP通信協議,通過有線或無線形式,進行現場設備、服務端設備和服務應用端的遠程數據傳輸和信息管理,完成孿生系統架構中各層間的信息數據傳輸。

2 擺桿數字孿生模型的建立

根據數字孿生模型理論,通過數字孿生技術對擺桿系統進行運動仿真建模,利用傳感器實測數據與仿真數據對比,修正相關參數,完善數字孿生體的準確性,實現虛擬模型對物理空間的擺桿系機構實時交互映射,并對擺桿運行數據進行算法計算分析,對擺桿孿生系統開展運維服務,最后實現擺桿機構的狀態檢測和故障診斷,工作流程如圖2所示。

圖2 孿生模型故障診斷流程

2.1 擺桿機構物理實體

電纜擺桿系統的式樣為齒輪齒條驅動雙轉軸式,系統結構組成見圖3。液壓系統通過液壓缸提供動力,液壓缸活塞桿推動齒條,進而通過齒輪裝置帶動立軸轉動,立軸與水平擺桿固連一體,同步轉動完成開合動作。以其工作原理和運行特點為依據,進行測試傳感器的選型和安裝布局,制定試驗方案,與數據采集硬件構成信息數據采集系統。此處,選取活塞桿到水平擺桿之間的機械部分和信息數據采集傳感器一并構成了物理實體。

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

根據擺桿工作原理,綜合考慮擺桿系統的空間布局、測點選擇、傳感器參數等因素,制定電纜擺桿測試方案,傳感器布置和數據采集項目如圖4、圖5所示。試驗過程中,該測試系統重點采集擺桿系統開合過程傳動鏈上各部件的運動信息,以提供給數據層分析、優化和融合用。

圖4 擺桿測試系統組成

圖5 傳感器安裝位置

2.2 虛擬仿真模型

如前所述,虛擬擺桿系統是對實體擺桿系統的數字化表達,對物理實體從尺寸結構、裝配關系、材料屬性、模態特征等方面進行全方位、多尺度刻畫描述。就擺桿系統而言,該虛擬模型要側重能夠反映運行規律、物理特性和行為規則等信息。為了保證虛擬模型與擺桿物理實體的全息映射,特別是對于我們關注的擺桿動力學特性方面,必須在建模過程中結合孿生數據和實測數據進行對比改進,優化虛擬模型。

首先,我們根據設計圖紙提供的尺寸和材料參數,利用UG軟件,構建虛擬模型,如圖6所示。并利用其MCD組件,對其進行運動學驗證,確保尺寸參數合格。

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

圖6 擺桿系統虛擬模型

圖7 擺桿部分拓撲結構圖

根據擺桿特點,適當簡化,作以下近似假設:

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轉動慣量的影響;

4) 阻力矩在轉動過程中保持不變;

5) 關于各構件彈性變形和系統結構阻尼等對豎軸轉動的影響,通過齒輪和轉軸之間的彈性阻尼鉸進行等效考慮;

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

基于上述假設,根據準靜態法原理,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動和由彈性鉸的彈性變形引起的彈性振動的疊加[8]。根據文獻[8],可知擺桿系統的工作過程中轉軸末端角速度變化為二階系統階躍響應,動力學方程表達如下[6]

(1)

式(1)中:J為機械結構總轉動慣量;ω為轉軸末端的實際角速度;C為系統總阻尼系數;等于彈性阻尼鉸的等效阻尼系數和阻尼鉸等效阻尼系數之和;K為等效剛度系數;θ為將擺桿當作剛體的整體角位移。將上式進行變換,可得

(2)

(3)

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

圖8 擺桿系統動力學模型

由圖9可知,當液壓缸活塞推力作用時間較短時,塔架擺桿轉軸水平桿末端角速度變化呈二階系統階躍響應,擺桿開合過程中轉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K和系統總轉動慣量J影響擺桿開合過程中的轉動速度情況。

圖9 二階系統階躍響應曲線 Fig.9 Step response curve of second-order system

塔架擺桿系統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,根據發射場技術資料的具體材料參數和尺寸參數,根據此前動力學模型,將擺桿模型視為多剛體虛擬模型,利用ADAMS進行仿真分析,以驗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動和載荷數據。我們選取豎軸轉速作為系統仿真的輸出結果,將其與試驗數據進行對比,作為改進數字模型的依據。

圖10是擺桿豎軸角速度實測曲線與仿真曲線的對比,從圖10中可以看出,實測曲線與仿真曲線在總體變化規律上吻合較好,試驗曲線基頻為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結果相差較大。

圖10 多剛體模型豎軸角速度對比

為進一步優化模型仿真結果的匹配度,在原有的多剛體模型基礎上,將擺桿模型中的水平擺桿及豎軸設置為柔性體,將擺桿模型視為剛柔耦合模型,再次仿真得到擺桿豎軸轉速曲線對比圖(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,與試驗數據的0.47 Hz更加接近。而且速度波動變化趨勢更加符合實測結果,說明剛柔耦合模型對于物理實體的匹配度要優于多剛體虛擬模型。

圖11 剛柔耦合模型豎軸角速度對比

由此,根據物理實體實測數據和虛擬模型仿真數據間的信息交互對比,可得到一個改進優化后匹配度較好的虛擬模型。

2.3 孿生數據

孿生數據是指數字孿生體系各模塊連接完成后,該體系中的所有數據,通常包括實測數據、仿真數據和服務數據[7]。就擺桿系統而言,該系統的實體數據應該包括擺桿機構外形尺寸、運行動作數據以及傳感器實時采集的數據等。虛擬仿真數據包括物理模型、動力學模型在模擬和預測仿真產生的數據。服務系統數據包括擺桿系統的運行記錄、儀器設備監視數據等擺桿系統的運維、歷史數據。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。這些數據能夠反映物理實體工作情況,輔助擺桿物理實體真實故障診斷[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 實驗驗證

數字孿生技術在故障診斷方面先進性主要體現為:一是成熟孿生體模型能夠通過修改模型參數,完成故障類型注入,準確真實模擬物理實體故障現象和故障特征,以實現故障診斷;二是以更低成本提供故障排除和系統改進方案的驗證。為進一步驗證數字孿生體在故障診斷方面應用的有效性,選取了擺桿系統典型故障—喘行問題進行虛擬仿真驗證。

擺桿喘行故障原因是活塞桿與齒條間銷連接為間隙配合,導致傳動過程液壓缸阻尼力無法起作用,液壓阻尼效應失效[14-15]。通過修改虛擬模型中活塞桿與齒條連接銷尺寸,將配合間隙設置為1.2 mm,完成數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測曲線對比如圖14所示。對圖11速度曲線進行傅立葉頻譜分析,得到其基頻為0.48 Hz,該仿真結果的幅值與頻率與試驗值0.46 Hz接近,相對誤差為4%。為進一步驗證虛擬模型的有效性,在齒條運動方向,設置了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,提高系統阻尼,能夠有效縮小豎軸角速度的波動幅值和穩定時間。以上進一步證實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測曲線

圖15 不同阻尼水平下豎軸角速度

4 結論

以擺桿機械系統為典型對象,構建了復雜機電液系統數字孿生體,研究了數字孿生技術在機電液復雜系統狀態監測與故障診斷的應用,并利用典型故障實測信號進行了驗證。主要結論如下:

1) 根據數字孿生“五維模型”,利用UG和ADAMS軟件建立幾何三維模型和動力學模型,并通過ANSYS有限元仿真,結合試驗系統測試數據,完成了擺桿機械系統數字孿生體的構建,解決了復雜機液系統在計及柔性的情況下的數字孿生體構造問題。

2) 結合擺桿喘行典型故障,利用實測數據檢驗了擺桿數字孿生系統的有效性,其故障模擬精度達96%,實現了大型機電液復雜系統可視化故障診斷工程應用。