论文中文题名: | 采煤机摇臂部传动系统虚拟监测与寿命预测技术研究 |
姓名: | |
学号: | 19205016010 |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 080202 |
学科名称: | 工学 - 机械工程 - 机械电子工程 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工学硕士 |
学位年度: | 2022 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 智能检测与控制 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
论文提交日期: | 2023-01-09 |
论文答辩日期: | 2022-12-09 |
论文外文题名: | Virtual Monitoring and Life Prediction Technology for Ro-cker Arm Transmission System of Shearer |
论文中文关键词: | |
论文外文关键词: | Shearer rocker arm ; Digital twin ; Deep learning ; Virtual monitoring ; Feature extraction ; Residual lifetime prediction |
论文中文摘要: |
随着煤矿的智能化技术发展,井下设备运行保障成为煤矿安全生产的重中之重。电牵引采煤机作为煤矿井下开采的重要机电装备,由于运行工况复杂、负载大、维护不到位导致故障频发,直接影响了煤矿生产安全和生产效率。为了保障煤矿井下生产安全,提高生产效率,对采煤机进行有效的健康管理势在必行。摇臂作为采煤机的关键执行机构,采煤过程承受截割载荷,悬臂式窄长壳体应变直接影响内部齿轮传动系统的运行状态,其故障诊断与寿命预测研究需求迫切,对保障采煤机高效安全生产意义重大。 论文提出结合数字孪生和深度学习技术的采煤机摇臂部传动系统虚拟监测与剩余寿命预测方法,通过采煤机摇臂部传动系统常见故障机理及振动特性分析,确定采煤机摇臂部传动系统剩余寿命预测技术方案,深入研究摇臂部传动系统的虚拟监测、故障特征提取与剩余寿命预测方法等内容,为采煤机摇臂部传动系统虚拟监测与寿命预测提供一定的理论支撑。 针对采煤机运行状态监测困难、实时动态分析不足等问题,建立采煤机数字孪生体模型实现虚拟信号监测。以采煤机摇臂部传动系统作为监测对象,结合有限元分析与多体动力学仿真技术建立传动系统联合仿真模型,借助虚拟空间与物理空间之间的数据交互,通过余弦相似度度量虚拟和物理两个信息实体之间的相似性并修正虚拟模型,最终获得正确的虚拟振动信号,实现采煤机摇臂部传动系统在虚拟端的信号监测,为实现虚拟运行状态识别提供数据来源。 针对采煤机摇臂部传动系统运行时,振动信号故障特征提取困难的问题,研究基于一维卷积神经网络的故障特征提取方法,使用实测信号对模型进行训练,并通过网格搜索法获取最优的超参数组合,得到优化后的故障特征提取模型。结合实测信号与虚拟信号进行模型验证,实现虚拟信号的运行状态识别,为采煤机摇臂部传动系统的剩余寿命预测奠定基础。 针对采煤机摇臂部传动系统剩余寿命预测过程中对时间依赖性强的问题,研究基于一维卷积神经网络与双向门控循环单元神经网络相结合的采煤机摇臂部传动系统剩余寿命预测方法,将一维卷积神经网络表征学习获得的特征输入双向门控循环单元神经网络中进行长期依赖关系学习,进而预测设备的剩余寿命。本文使用齿轮退化实验数据验证了该方法的有效性,减少对人工经验和专家知识的依赖,提高剩余寿命预测的准确性。 最后,基于上述的数字孪生体模型与剩余寿命预测网络模型,通过虚实数据交互,完成了基于数字孪生技术与深度学习技术的采煤机虚拟监测与寿命预测系统设计,实现系统的实时状态监测与剩余寿命预测等功能,并结合数字孪生体运行状态与剩余寿命预测值,获取实时、准确的剩余寿命预测结果。实验验证了本文理论研究的正确性,为采煤机摇臂部传动系统剩余寿命系统设计提供了理论支撑。 |
论文外文摘要: |
With the development of intelligent technology in coal mine, underground equipment operation security has become the top priority of coal mine safety production. As an important electromechanical equipment in underground coal mining, electric traction shearer has frequent failures due to complex operating conditions, large load and inadequate maintenance, which directly affects the safety and efficiency of coal mine production. In order to ensure the safety of coal mine production and improve production efficiency, it is imperative to carry out effective health management of shearer. As the key actuator of shearer, the rocker arm bears the cutting load in the process of coal mining. The strain of cantilever narrow shell directly affects the operation state of internal gear transmission system. The research on fault diagnosis and life prediction is urgent, which is of great significance to ensure the efficient and safe production of shearer. This paper proposes a virtual monitoring and residual life prediction method for the rocker arm transmission system of shearer based on digital twin and deep learning technology. Through the analysis of the common fault mechanism and vibration characteristics of the rocker arm transmission system of shearer, the technical scheme of residual life prediction for the rocker arm transmission system of shearer is determined. The virtual monitoring, fault feature extraction and residual life prediction methods of the rocker arm transmission system are deeply studied, which provides some theoretical support for the virtual monitoring and life prediction of the rocker arm transmission system of shearer. Aiming at the problems of difficult monitoring of shearer operation status and insufficient real-time dynamic analysis, a digital twin model of shearer is established to realize virtual signal monitoring. Taking the transmission system of shearer rocker arm as the monitoring object, the joint simulation model of transmission system is established by combining finite element analysis and multi-body dynamics simulation technology. With the help of data interaction between virtual space and physical space, the similarity between virtual and physical information entities is measured by cosine similarity and the virtual model is corrected. Finally, the correct virtual vibration signal is obtained, and the signal monitoring of the transmission system of shearer rocker arm at the virtual end is realized, which provides data source for realizing virtual operation state recognition. Aiming at the problem that it is difficult to extract the fault feature of the vibration signal when the transmission system of the rocker arm of the shearer is running, the fault feature extraction method based on one-dimensional convolutional neural network is studied. The measured signal is used to train the model, and the optimal hyperparameter combination is obtained by the grid search method to obtain the optimized fault feature extraction model. Combined with the measured signal and the virtual signal, the model verification is carried out to realize the operation state recognition of the virtual signal, which lays a foundation for the remaining life prediction of the shearer rocker arm transmission system. Aiming at the problem of strong time dependence in the residual life prediction process of the shearer rocker arm transmission system, the residual life prediction method of the shearer rocker arm transmission system based on the combination of one-dimensional convolutional neural network and bidirectional gated recurrent unit neural network is studied. The features obtained by the characterization learning of one-dimensional convolutional neural network are input into the bidirectional gated recurrent unit neural network for long-term dependency learning, and then the residual life of the equipment is predicted. In this paper, the effectiveness of the method is verified by the experimental data of gear degradation, which reduces the dependence on artificial experience and expert knowledge and improves the accuracy of residual life prediction. Finally, based on the above-mentioned digital twin model and residual life prediction network model, through the interaction of virtual and real data, the design of shearer virtual monitoring and life prediction system based on digital twin technology and deep learning technology is completed, and the real-time condition monitoring and residual life prediction of the system are realized. Combined with the running state of digital twin and the predicted value of residual life, the real-time and accurate residual life prediction results are obtained. The experiment verifies the correctness of the theoretical research in this paper and provides theoretical support for the design of residual life system of shearer rocker arm transmission system. |
参考文献: |
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中图分类号: | TH17 |
开放日期: | 2023-01-09 |