CN112525523A - 一种涡轮蜗杆安全检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮蜗杆安全检测方法及系统，所述方法包括：S1、基于预先获取的机构的软失效的阈值[Z]、第i次冲击力W_i、冲击转化比例系数γ_h、t时刻前机构所受到的冲击数N(t)、磨损量H(t)、硬失效阈值[W]、初始硬失效阈值W₀、退化转化比例系数γ_W，获取矿井提升机构的可靠度；S2、将所述矿井提升机构的可靠度与预设阈值进行比较获取比较结果，根据比较结果发出报警信号。

Description

一种涡轮蜗杆安全检测方法及系统

技术领域

本发明涉及涡轮蜗杆安全检测技术领域，尤其涉及一种涡轮蜗杆安全检测方法及系统。

背景技术

蜗轮蜗杆传动机构是一种特殊类型的齿轮传动机构，具有传功比大，传动平稳，具有自锁性等特点。因此被广泛应用于冶金、矿山、起重等机械设备的减速机构之中。由于蜗轮材料一般采用锡青铜，所以蜗轮蜗杆传动机构经常发生蜗轮的磨损失效。蜗轮材料的过度磨损会降低传动精度和工作效率，还会导致噪声和振动的产生。蜗轮蜗杆在工作中受到冲击载荷的作用，蜗轮表面产生金属颗粒，金属颗粒进入润滑油加速蜗轮齿的滑动磨损。同时当冲击载荷的大小超过一定阈值时，机构发生自锁失效。因此，蜗轮蜗杆传动机构经历了两个相互竞争的故障过程：受到蜗轮磨损和由于外部冲击产生的碎屑共同作用的退化过程，将性能退化视为软失效过程，将冲击载荷过大导致的失效视为硬失效。在实际工程中，蜗轮蜗杆可靠度的计算具有重要的经济和安全价值。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种涡轮蜗杆安全检测方法及系统。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

第一方面，本发明实施例提供一种涡轮蜗杆安全检测方法，包括：

S1、基于预先获取的机构的软失效的阈值[Z]、第i次冲击力W_i、冲击转化比例系数γ_h、t时刻前机构所受到的冲击数N(t)、磨损量H(t)、硬失效阈值[W]、初始硬失效阈值W₀、退化转化比例系数γ_W，获取矿井提升机构的可靠度；

S2、将所述矿井提升机构的可靠度与预设阈值进行比较获取比较结果，根据比较结果发出报警信号。

优选的，所述W_i的值遵循相同的正态分布W_i～N(μ_w,σ_w)；

其中μ_w是冲击大小的平均值；

其中σ_w是冲击大小的标准差。

优选的，所述步骤S1之前还包括：

S0、根据预先获取的滑动速度v(t)、接触应力p(t)，采用公式(A)获取磨损量H(t)；

所述接触应力p(t)的值遵循正态分布p_t～N(μ_p,σ_p ²)；

其中，μ_p为接触应力均值；σ_p为接触应力标准差；σ_s为材料系数；k为磨损率。

优选的，步骤S1包括：

S11、基于所述机构的软失效的阈值[Z]、第i次冲击力W_i、冲击转化比例系数γ_h、t时刻前机构所受到的冲击数N(t)、磨损量H(t)，获取机构的磨损退化可靠度；

S12、基于所述机构的硬失效阈值[W]、初始硬失效阈值W₀、退化转化比例系数γ_W，获取机构的冲击可靠度；

S13、基于所述机构的磨损退化可靠度和机构的冲击可靠度，获取获取矿井提升机构的可靠度。

优选的，所述步骤S11包括：

基于所述软失效的阈值[Z]、第i次冲击力W_i、冲击转化比例系数γ_h、t时刻前机构所受到的冲击数N(t)、磨损量H(t)，采用公式(B)获取机构的磨损退化可靠度；

公式(B)：

其中，Z(t)＝H(t)+γ_h∑W；∑W为累积冲击载荷大小；

冲击是通过恒定速率为λ的均匀泊松过程到达的；

为从第1次到第i次冲击的和。

优选的，所述步骤S12包括：

基于所述机构硬失效阈值[W]、初始硬失效阈值W₀、退化转化比例系数γ_W，采用公式(C)获取机构的磨损退化可靠度；

公式(C)：

P(W_i＜[W]|N(t)＝i)P(N(t)＝i)

＝P(W_i＜W₀+γ_wZ(t)|N(t)＝i)P(N(t)＝i)；

其中，[W]＝W₀+γ_WZ(t)。

优选的，所述步骤S13包括：

基于所述机构的磨损退化可靠度和机构的冲击可靠度，采用公式(D)获取机构的可靠度；

公式(D)：

优选的，所述步骤S2还包括：

S21、将所述矿井提升机构的可靠度与预设阈值进行比较获取比较结果；

S22、若比较结果为可靠度大于或等于所述预设阈值时，则发出报警信号。

第二方面，本发明实施例提供一种涡轮蜗杆安全检测系统，包括：

至少一个处理器；以及

与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如上述任一的一种涡轮蜗杆安全检测方法。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明的一种涡轮蜗杆安全检测方法及系统，由于基于预先获取的机构的软失效的阈值[Z]、第i次冲击力W_i、冲击转化比例系数γ_h、t时刻前机构所受到的冲击数N(t)、磨损量H(t)、硬失效阈值[W]、初始硬失效阈值W₀、退化转化比例系数γ_W，获取矿井提升机构的可靠度；然后将所述矿井提升机构的可靠度与预设阈值进行比较获取比较结果，根据比较结果发出报警信号。提高了在实际生活中涡轮蜗杆在使用的安全性。

附图说明

图1为本发明的一种涡轮蜗杆安全检测方法流程图；

图2为本发明实施例中的竞争失效模型示意图；

图3为本发明实施例中可靠度计算流程图；

图4为本发明实施例二中一次二阶矩方法与蒙特卡洛计算结果对比图；

图5为本发明实施例二中失效率对比图；

图6为本发明实施例二中蜗杆副可靠度曲线；

图7为本发明实施例二中冲击可靠度曲线；

图8为本发明实施例二中磨损可靠度曲线。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

系统的失效是由于软失效和硬失效共同作用的结果，如图2所示。当系统总体退化性能首次超过临界阈值水平时，会发生软失效，外部随机冲击会使退化性能急剧增加。外界随机冲击服从泊松分布，根据极端冲击模型，当一次随机冲击超过阈值时为硬失效。这两种失效机制都会导致系统的失效，且两个过程相互依赖，随机冲击作用会导致退化量的突然增大，硬故障阈值受到退化总量的影响。软失效是退化和随机冲击共同作用产生的累积损伤超过阈值[Z]的结果。

本实施例中将广义表面磨损模型与相互依赖竞争失效模型(DCFPs)相结合，将磨损退化看做软失效，将随机冲击看做硬失效，同时二者相互依赖，随机冲击加速磨损进程，同时系统不断地经历磨损退化进程降低了系统抵抗外界有害冲击的能力。

本实施例中将磨损进程视为一个连续的退化过程，根据Archard磨损模型可推导出磨损量H(t)。冲击是通过恒定速率为λ的均匀泊松过程到达的。N(t)表示t时刻前到达的冲击数。

实施例一

参见图1，本实施例提供一种涡轮蜗杆安全检测方法，包括：

S1、基于预先获取的机构的软失效的阈值[Z]、第i次冲击力W_i、冲击转化比例系数γ_h、t时刻前机构所受到的冲击数N(t)、磨损量H(t)、硬失效阈值[W]、初始硬失效阈值W₀、退化转化比例系数γ_W，获取矿井提升机构的可靠度。

S2、将所述矿井提升机构的可靠度与预设阈值进行比较获取比较结果，根据比较结果发出报警信号。

本实施例中优选的，所述W_i的值遵循相同的正态分布W_i～N(μ_w,σ_w)；

其中μ_w是冲击大小的平均值；

其中σ_w是冲击大小的标准差。

本实施例中优选的，所述步骤S1之前还包括：

S0、根据预先获取的滑动速度v(t)、接触应力p(t)，采用公式(A)获取磨损量H(t)；

所述接触应力p(t)的值遵循正态分布p_t～N(μ_p,σ_p ²)。

其中，μ_p为接触应力均值；σ_p为接触应力标准差；σ_s为材料系数；k为磨损率。

本实施例中优选的，步骤S1包括：

S11、基于所述机构的软失效的阈值[Z]、第i次冲击力W_i、冲击转化比例系数γ_h、t时刻前机构所受到的冲击数N(t)、磨损量H(t)，获取机构的磨损退化可靠度。

S12、基于所述机构的硬失效阈值[W]、初始硬失效阈值W₀、退化转化比例系数γ_W，获取机构的冲击可靠度。

S13、基于所述机构的磨损退化可靠度和机构的冲击可靠度，获取获取矿井提升机构的可靠度。

本实施例中优选的，所述步骤S11包括：

基于所述软失效的阈值[Z]、第i次冲击力W_i、冲击转化比例系数γ_h、t时刻前机构所受到的冲击数N(t)、磨损量H(t)，采用公式(B)获取机构的磨损退化可靠度；

公式(B)：

其中，Z(t)＝H(t)+γ_h∑W；∑W为累积冲击载荷大小；

冲击是通过恒定速率为λ的均匀泊松过程到达的；

为从第1次到第i次冲击的和。

本实施例中优选的，所述步骤S12包括：

基于所述机构硬失效阈值[W]、初始硬失效阈值W₀、退化转化比例系数γ_W，采用公式(C)获取机构的磨损退化可靠度；

公式(C)：

P(W_i＜[W]|N(t)＝i)P(N(t)＝i)

＝P(W_i＜W₀+γ_wZ(t)|N(t)＝i)P(N(t)＝i)；

其中，[W]＝W₀+γ_WZ(t)。

本实施例中优选的，所述步骤S13包括：

基于所述机构的磨损退化可靠度和机构的冲击可靠度，采用公式(D)获取机构的可靠度，其计算过程如图3所示；

公式(D)：

本实施例中优选的，所述步骤S2还包括：

S21、将所述矿井提升机构的可靠度与预设阈值进行比较获取比较结果。

S22、若比较结果为可靠度大于或等于所述预设阈值时，则发出报警信号。

本实施例中的一种涡轮蜗杆安全检测方法，由于基于预先获取的机构的软失效的阈值[Z]、第i次冲击力W_i、冲击转化比例系数γ_h、t时刻前机构所受到的冲击数N(t)、磨损量H(t)、硬失效阈值[W]、初始硬失效阈值W₀、退化转化比例系数γ_W，获取矿井提升机构的可靠度；然后将所述矿井提升机构的可靠度与预设阈值进行比较获取比较结果，根据比较结果发出报警信号。提高了在实际生活中涡轮蜗杆在使用的安全性。

实施例二

本文选择矿井提升机构中的蜗轮蜗杆机构作为研究对象。

首先，矿井提升机构在工作中需要频繁启停来实现工作目标，所以必须考虑运转机构的滑动磨损模型在启停阶段的磨损进程是非线性的问题，且在矿井提升过程中，终端负荷提升周期由加速、恒速和减速三个阶段组成，则其蜗杆的转速v_worm分为三个阶段，磨损进程需要考虑滑动速度的影响。

其次，矿井提升机构在不同的工况下，由于工作载荷的不确定性，蜗轮蜗杆机构的接触应力是不确定的。当蜗轮蜗杆正常工作时，其接触应力p_i为正态随机变量，且单次提升时接触应力p_i为定值，而当提升机空车下降时，由于空车负载不变，故空车下降时，其蜗轮蜗杆的接触应力为定值p₀，而第i次提升时其接触应力为正态随机变量p_i。

当矿井提升机构处于第一次下降阶段，此时工作条件是空车下降，接触应力p为一个不变的常量，大小与矿车的空车质量相关，可推导出磨损量H(t)。

a.当在t时刻发生了i次冲击时，退化可靠度为：

b.当在t时刻发生了i次冲击时，第i次冲击的冲击可靠度为：

P(W_i＜[W]|N(t)＝i)P(N(t)＝i)

＝P(W_i＜W₀+γ_wZ(t)|N(t)＝i)P(N(t)＝i) (2)

则在t时刻的总可靠度为：

当矿井提升机构处于第一次上升阶段，此时表面接触应力p_i为服从正态分布的随机变量，p～N(μ_p,σ_p)。根据公式h₁、h₂、h₃为在单独周期T内启动、匀速、制动阶段的磨损量。在此工况下，可靠度公式如下：

a.当在t时刻发生了i次冲击时，退化可靠度为：

b.当在t时刻发生了i次冲击时，第i次冲击的冲击可靠度为

则在t时刻的可靠度为：

在计算第N+1次下降阶段磨损退化总量时，除了考虑在第N+1下降阶段所产生的的磨损退化量h(t-NT),还需要考虑前N次下降磨损量和前N次上升磨损量迭代总和。其中前N次上升磨损量之和与前N次上升阶段的接触应力相关。在此工作阶段磨损总量H(t)为：

在此工况条件下，上述公式，并需考虑磨损退化进程对于冲击阈值的影响。

a.当在t时刻发生了i次冲击时，退化可靠度为

b.当在t时刻发生了i次冲击时，第i次冲击的冲击可靠度为

则在t时刻的总可靠度

在计算第N+1次上升阶段磨损退化总量时，需要考虑前N+1次下降磨损量和前N次上升磨损量迭代总和，以及第N+1次上升阶段磨损量。计算此工作阶段上午磨损总量H(t)与计算第N+1次下降阶段磨损量计算方法基本相同，且需要考虑到第N+1次上升时接触应力PN+1对于磨损退化量计算的影响，此阶段磨损量H(t)为：

a.当在t时刻发生了i次冲击时，退化可靠度为：

b.当在t时刻发生了i次冲击时，第i次冲击的冲击可靠度为：

则在t时刻的总可靠度

由上述计算过程，通过一次二阶矩和蒙特卡洛法计算，其结果如图4所示。两种计算过程的失效率对比如图5所示。图6、图7和图8分别为蜗轮蜗杆的总可靠度、冲击可靠度和磨损可靠度。

最后，将所述矿井提升机构的可靠度与预设阈值进行比较获取比较结果；若比较结果为可靠度大于或等于所述预设阈值时，则发出报警信号。

本实施例中的一种涡轮蜗杆安全检测方法，由于基于预先获取的机构的软失效的阈值[Z]、第i次冲击力W_i、冲击转化比例系数γ_h、t时刻前机构所受到的冲击数N(t)、磨损量H(t)、硬失效阈值[W]、初始硬失效阈值W₀、退化转化比例系数γ_W，获取矿井提升机构的可靠度；然后将所述矿井提升机构的可靠度与预设阈值进行比较获取比较结果，根据比较结果发出报警信号。提高了在实际生活中涡轮蜗杆在使用的安全性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种涡轮蜗杆安全检测方法，其特征在于，包括：

S1、基于预先获取的机构的软失效的阈值[Z]、第i次冲击力W_i、冲击转化比例系数γ_h、t时刻前机构所受到的冲击数N(t)、磨损量H(t)、硬失效阈值[W]、初始硬失效阈值W₀、退化转化比例系数γ_W，获取矿井提升机构的可靠度；

S2、将所述矿井提升机构的可靠度与预设阈值进行比较获取比较结果，根据比较结果发出报警信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述W_i的值遵循相同的正态分布W_i～N(μ_w,σ_w)；

其中μ_w是冲击大小的平均值；

其中σ_w是冲击大小的标准差。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括：

S0、根据预先获取的滑动速度v(t)、接触应力p(t)，采用公式(A)获取磨损量H(t)；

所述接触应力p(t)的值遵循正态分布p_t～N(μ_p,σ_p ²)；

其中，μ_p为接触应力均值；σ_p为接触应力标准差；σ_s为材料系数；k为磨损率。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S1包括：

S11、基于所述机构的软失效的阈值[Z]、第i次冲击力W_i、冲击转化比例系数γ_h、t时刻前机构所受到的冲击数N(t)、磨损量H(t)，获取机构的磨损退化可靠度；

S12、基于所述机构的硬失效阈值[W]、初始硬失效阈值W₀、退化转化比例系数γ_W，获取机构的冲击可靠度；

S13、基于所述机构的磨损退化可靠度和机构的冲击可靠度，获取获取矿井提升机构的可靠度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S11包括：

基于所述软失效的阈值[Z]、第i次冲击力W_i、冲击转化比例系数γ_h、t时刻前机构所受到的冲击数N(t)、磨损量H(t)，采用公式(B)获取机构的磨损退化可靠度；

公式(B)：

其中，Z(t)＝H(t)+γ_h∑W；∑W为累积冲击载荷大小；

冲击是通过恒定速率为λ的均匀泊松过程到达的；

为从第1次到第i次冲击的和。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S12包括：

基于所述机构硬失效阈值[W]、初始硬失效阈值W₀、退化转化比例系数γ_W，采用公式(C)获取机构的磨损退化可靠度；

公式(C)：

P(W_i＜[W]|N(t)＝i)P(N(t)＝i)

＝P(W_i＜W₀+γ_wZ(t)|N(t)＝i)P(N(t)＝i)；

其中，[W]＝W₀+γ_WZ(t)。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S13包括：

基于所述机构的磨损退化可靠度和机构的冲击可靠度，采用公式(D)获取机构的可靠度；

公式(D)：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：

S21、将所述矿井提升机构的可靠度与预设阈值进行比较获取比较结果；

S22、若比较结果为可靠度大于或等于所述预设阈值时，则发出报警信号。

9.一种涡轮蜗杆安全检测系统，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及

与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1至8任一所述的一种涡轮蜗杆安全检测方法。

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