(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111637203.8 (22)申请日 2021.12.2 9 (71)申请人 徐州圣邦 机械有限公司 地址 221000 江苏省徐州市经济技 术开发 区荆马河支路8号 申请人 中国矿业大 学　圣邦集团有限公司 (72)发明人 姜伟　卢昊　吴艳　苗昀　王宏　 朱真才　曹奔　彭玉兴　薛雷雷　 (74)专利代理 机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 专利代理师 马严龙 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06T 17/00(2006.01) G01D 21/02(2006.01)G06F 111/10(2020.01) G06F 119/04(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种高压内啮合齿轮泵磨损监测方法 (57)摘要 本发明公开了一种高压内啮合齿轮泵磨损 监测方法， 具体步骤包括布置齿轮泵的磨损监测 系统用于测量和实时接收齿轮泵的工况参数并 上传工业计算机； 建立齿轮泵的数字孪生体； 建 立平面直角坐标系； 在坐标系中计算泵壳磨损的 中心位置和磨损量， 通过磨损量得到磨损区域范 围并修正； 设置数字孪生体参数更新条件， 及时 更新数字孪生体； 评估当前齿轮泵磨损状态， 预 测剩余使用寿命。 本发明通过建立内啮合齿轮泵 的磨损退化数学模型和基于物理知识的数字孪 生体， 在保证实时性的同时， 对磨损区域范围有 了更加直观准确的反映。 权利要求书3页 说明书8页 附图4页 CN 114491960 A 2022.05.13 CN 114491960 A 1.一种高压内啮合齿轮泵磨损监测方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1、 布置齿轮泵的磨损监测系统用于测量和实时接收齿轮泵的工况参数并上传工业计 算机， 工况参数包括工作压力P、 流 量Q、 转速n、 扭矩M； S2、 在工业计算机上建立齿轮泵的数字 孪生退化模型即数字 孪生体； S3、 在数字孪生体上， 以齿圈圆心 ‑出油方向为X轴正方向， 以齿圈圆心为原点， 建立平 面直角坐标系X ‑O‑Y； S4、 在坐标系X ‑O‑Y中， 计算泵壳磨损的中心位置和磨损量， 通过磨损量得到磨损区域 范围并修 正； S5、 设置数字 孪生体参数 更新条件， 及时更新数字 孪生体； S6、 评估当前齿轮泵磨损状态， 预测剩余使用寿命。 2.如权利要求1所述的一种高压 内啮合齿轮泵磨损监测方法， 其特征在于， 步骤S1中磨 损监测系统包括安装在液压管路上的流量传感器和压力传感器、 驱动电机自带的编 码器以 及安装在电机轴上的动态扭矩传感器； 驱动电机的电机轴通过 扭矩传感器、 联轴器连接内啮合齿轮泵输入轴； 流量传感器、 压力传感器、 编码器分别通过A/D转换器与工业计算器电性连接， 所述动 态扭矩传感器发射的信号 通过无线信号接收器输入工业计算机 。 3.如权利要求2所述的一种高压 内啮合齿轮泵磨损监测方法， 其特征在于， 步骤S2中建 立数字孪生体的步骤为： S21、 使用creo工业软件建立齿轮泵的参数化三维模型， 其中， 进行参数化设置的尺寸 包括齿圈最大半径和齿轮泵轴向间隙， 设置泵壳径向轮廓为样条曲线； S22、 将齿轮泵的参数化三维模型与ansys工业软件相关联， 并基于各组成部分的物理 特性， 包括齿轮泵 所用材料、 加工工艺、 油液粘度、 油液弹性模量； 建立基于流固耦合仿 真的 数字孪生体； 其中， 选择流场运动模 型为RNG k‑ε湍流模 型； 在数字孪生体中， 除考虑液压油 粘度外， 设置齿轮轴 、 齿圈和泵壳之间均为无摩擦接触； S23、 校正结构孪生体和流场运动模型； 在工作压力P<Pnw的条件下， 校正步骤S21中参 数化设置的尺寸， 使得数字孪生体的工况参数与磨损监测系统实测的工况参数的误差在允 许范围内； 其中， Pnw为齿轮泵长时间运行 未发生明显磨损的最大允许压力。 4.如权利要求1所述的一种高压内啮合齿轮泵磨损监测方法， 其特征在于， 步骤S21中， 所述齿轮泵 结构孪生体的泵壳结构包括进油口、 高压油口， 同时设有低压区支撑定位区域、 高压密封区域。 5.如权利要求1所述的一种高压内啮合齿轮泵磨损监测方法， 其特征在于， 步骤S4中， 泵壳磨损中心位置的计算方法为： 令P＝P0， Q＝Q0， n＝n0， 其中， P、 Q、 n分别为磨损 监测系统实测的工作压力P、 流量Q、 转 速n； P0、 Q0、 n0分别为数字 孪生体的输入量； 经过数字孪生体的计算， 得到齿圈对泵壳内壁的磨损正压力 无磨损转矩M0以及 啮合点位置， 其中， 权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114491960 A 2式中： Fr0为磨损正压力 的大小； β1为仿真磨损正压力 与X轴正方向的夹角； 在啮合齿形为渐开线齿形、 不考虑齿面接触摩擦的条件下， 齿圈所受径向啮合力 的方向为啮合 点—O点连线方向， 设径向啮合力方向与X轴正方向的夹角为β0； 发生磨损时， 实测转矩M与数字孪生体计算的转矩M0相差很大， 齿圈所受啮合力明显增 大； 令ΔM＝M‑M0， 由渐开线 齿形的传动特性， 得到啮合力径向增量 △Fnr如下： 式中： ΔM为磨损引起的转矩增量； Rn为啮合点半径， 初始值为节圆半径； △Fnt为啮合力 的周向增量； 可得实际磨损正压力 如下： 令 β2即为泵壳磨损中心位置在坐标系X ‑O‑Y中的角 度。 6.如权利要求5所述的一种高压内啮合齿轮泵磨损监测方法， 其特征在于， 步骤S4中， 磨损区域范围计算具体为： S41、 计算泵壳磨损量； 由于每周磨损量极小， 因此设齿轮泵转动m圈为一个磨损周期， 根据Archard理论模型， 可得第N个磨损周期的磨损增量 △VN如下： △VN＝KFr2 π Rm 式中： K为齿圈和泵壳所用材料对磨时， 泵壳的磨损系数； Fr为实际磨损正压力的大小； R 为齿圈的最大半径； m为每 个磨损周期包 含的圈数； S42、 计算磨损区域： 由于泵壳磨损方向不变， 可 得第N个磨损周期的最大磨损深度增量 △wN如下： 式中：△VN为泵壳第N个磨损周期的磨损增量； θN‑1为第N‑1个磨损周期后， 齿圈与泵壳磨 损区域的弧长在齿圈上对应角度的半角值， 以下简称磨损区域半角； SN‑1为第N‑1个磨损周 期后， 磨损区域的面积； 假设齿圈与泵壳为半径相差很小的两圆， 两者的磨损为两圆在实际磨损正压力 的 方向上发生干涉， 根据余弦定理， 可得第N个磨损周期后， 磨损区域半角 θN与磨损深度wN的关 系如下： 权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114491960 A 3