一種面向多部件耦合的鏈傳動系統的張力監測方法、裝置與系統與流程

本發明涉及鏈傳動系統的張力監測技術，尤其是針對一種面向多部件耦合的鏈傳動系統的張力監測方法、裝置與系統，屬于機械工程與傳感器。

背景技術：

1、鏈傳動系統在高強度、復雜的工作環境中面臨著多種挑戰，包括載荷波動、沖擊負荷、鏈條磨損問題。這些問題不僅會導致鏈條張力的不穩定，還會引發鏈條斷裂、設備故障等安全隱患。因此，對鏈條張力的實時監測顯得尤為重要。鏈條張力的合理控制不僅能提高叉車運行的安全性和穩定性，還能延長設備使用壽命，減少維護成本。

2、目前，傳統的鏈條張力監測方法主要依賴于物理傳感器進行直接測量，常見的包括應變傳感器、壓力傳感器等。這些傳感器雖然能夠提供鏈條張力的測量數據，但存在著諸多局限性。例如，物理傳感器受安裝位置、環境溫度、濕度等因素的影響，容易出現測量誤差和故障。此外，傳感器的布置和維護需要額外的成本，并且在動態工況下的精度和可靠性較差。因此，現有的物理傳感器技術在實際應用中無法完全滿足高精度、實時性要求較高的鏈條張力監測需求。

3、綜上所述，現有的物理傳感器技術無法有效解決鏈條張力監測中的精度、實時性和成本問題。為了克服這些不足，嘗試采用虛擬傳感器技術，利用數學建模、仿真分析和狀態估計方法，通過推算和估計鏈條張力的實時變化，避免了物理傳感器的局限性。虛擬傳感器技術不僅減少設備的硬件需求，降低系統成本，還能提高監測的精度和實時性。因此，發展一種基于虛擬傳感器的鏈條張力監測系統，成為當前亟待解決的技術難題。

技術實現思路

1、為了解決現有技術存在的上述問題，本發明提供一種基于虛擬傳感器的鏈條張力監測方法、裝置與系統。

2、一種面向多部件耦合的鏈傳動系統的張力監測方法，包含以下步驟:

3、s1：對多部件耦合的鏈傳動系統鏈條進行張力分析與計算，同時對鏈傳動系統多邊形效應進行分析，為多部件耦合的鏈傳動系統動態特性分析提供理論依據；

4、s2：對多部件耦合的鏈傳動系統動力學進行建模與仿真分析，模擬不同工況，分析相應工況下鏈張力變化規律，得到鏈輪和鏈的動態載荷，為鏈傳動系統的有限元分析提供載荷依據；

5、s3：對多部件耦合的鏈傳動系統進行有限元分析，并設計虛擬鏈條張力傳感器，實現對不同位置處鏈張力分布的估算;

6、s4：搭建虛擬傳感器有效性的驗證平臺，驗證基于虛擬傳感器的鏈條張力監測方案的有效性。

7、進一步的，步驟s1具體包括：

8、s11:?獲取鏈傳動系統的基本參數，包括鏈條類型、鏈輪齒數、鏈節長度、材料屬性，并將整合為數據集p。基于數據集p，運用鏈條張力計算方法，精確計算鏈傳動系統在靜態條件下的預張力，作為后續動力學建模和仿真分析的初始條件。

9、s12:?基于鏈傳動系統的幾何結構和運動學原理，構建空載運行時的鏈條動力學模型，將鏈預張力作為輸入參數，利用模擬鏈條在空載狀態下的運動軌跡和張力分布。關鍵點選擇為鏈條與鏈輪接觸的點、鏈條中點、鏈條末端，詳細記錄各關鍵點張力數據，其中n表示關鍵點的數量。

10、s13:?在基礎上，根據系統設計的均布載荷要求，施加均勻分布的載荷，同時將鏈預張力作為初始參數。模擬鏈條在均布載荷下的運動，精確記錄各關鍵點張力數據。

11、s14：在基礎上，引入多邊形效應修正因子，結合空載和均布載荷時的張力數據和，構建修正后的動力學模型。利用，模擬鏈條在多邊形效應影響下的運動，詳細記錄張力波動數據。

12、多邊形效應修正因子定義為：

13、

14、其中，為修正因子的幅度，表示多邊形效應的強度，為鏈條和鏈輪接觸的周期性波動，為相位偏移。

15、進一步的，步驟s2具體包括：

16、s21:?利用三維實體模型軟件，根據鏈傳動系統的實際尺寸和結構，建立三維實體模型。從中提取幾何尺寸，包括鏈輪直徑、鏈條寬度、鏈節長度，記作數據集g。

17、s22:?基于數據集g和s1步驟中得到的修正模型，結合多體動力學理論，構建鏈傳動系統的動力學模型。根據系統特性和運行條件，設置模型參數，包括摩擦系數μ、阻尼系數j、剛度系數k、鏈條的質量m。

18、s23：設置不同的工況條件，包括速度v、載荷f和溫度ct，作為仿真輸入。利用仿真軟件，運行動力學模型，模擬不同工況下的鏈傳動系統動力學行為。輸出鏈輪和鏈的動態載荷數據，其中表示第i個動態載荷，以及鏈條張力變化數據，其中表示第i個鏈條張力變化數據，q表示不同工況的維度。

19、進一步地，所述步驟s3具體包括:

20、s31:?將s2步驟中得到的動力學模型或關鍵零部件的幾何數據導入有限元分析軟件。對關鍵零部件進行網格劃分，確保網格質量和計算精度。根據s2步驟中得到的動態載荷數據和鏈條張力變化數據，運行有限元分析，計算關鍵零部件的應力矩陣，其中表示第i個網格單元在第j個的應力值。應變矩陣。其中表示第i個網格單元在第j個的應變值。

21、s32:通過構建狀態觀測器，設計鏈條虛擬傳感器，實現對不同位置處鏈張力的估算。s32包括三個子步驟：

22、s321：定義狀態觀測器的狀態變量；

23、s322：構建狀態觀測器的狀態預測方程；

24、s323：構建狀態觀測器的狀態更新方程；s324：基于狀態觀測器設計虛擬傳感器；

25、步驟s321具體包括:

26、設計狀態變量：選擇鏈條上某一點的張力t作為狀態變量，分析這一點處的張力，張力隨時間t變化，所以記作為；

27、設計狀態觀測器的輸入變量：將有限元分析的應變結果作為輸入；

28、設計狀態觀測器的觀測變量：將有限元分析的應力結果作為觀測變量；

29、設置狀態觀測器的狀態變量初始值是預張力，協方差初始值為單位陣。

30、步驟s322具體包括:

31、構建狀態方程：

32、

33、其中，a為狀態轉移矩陣，表示鏈條張力的動態演化關系；b為狀態方程的輸入矩陣，表示應變對張力變化的影響；狀態轉移矩陣a:?表示張力和張力變化率之間的關系；鏈條的張力和其變化率之間的關系符合一個典型的二階振動系統模型，其中鏈條的質量m、阻尼系數j和剛度系數k影響著張力的變化；狀態轉移矩陣a可表示為：

34、

35、其中，矩陣的各個元素表示不同的含義：

36、，表示對本身的變化率沒有直接影響；

37、，表示對的直接影響；

38、，表示鏈條的剛度與質量比對張力變化的影響；

39、，表示阻尼系數對張力變化的影響；

40、輸入矩陣b：

41、表示應變對鏈條張力變化的影響；外部負載與應變成線性關系，且通過鏈條的剛度系數k轉化為負載：

42、

43、因此，應變直接影響張力的變化率，而對張力本身沒有直接影響；因此，輸入矩陣b設計為：

44、

45、其中，表示應變通過負載對張力變化率的影響；

46、步驟s323具體包括:

47、構建觀測方程：

48、

49、其中，c為觀測矩陣，表示鏈條張力?t(t)和應力?δ(t)之間的關系；d為觀測方程的輸入矩陣，表示應變與應力之間的關系；下面對觀測矩陣c和觀測方程的輸入矩陣d分別進行構建；

50、觀測矩陣c：

51、鏈條的應力通常是與鏈條張力呈正比的；假設鏈條的應力與張力之間的比例常數為，則可以表示為：

52、

53、其中是鏈條張力與應力之間的比例系數，通過有限元分析獲得；

54、輸入矩陣d：

55、應變直接影響鏈條的受力狀態，并進而影響鏈條的應力；應變與應力之間也具有線性關系，比例常數為，則可以表示為：

56、

57、其中，是應變與應力之間的比例系數，通過應變應力測試或材料的應力應變曲線進行測量；

58、步驟s324具體包括:

59、設計虛擬傳感器，具體包括預測步驟和更新步驟；

60、構建預測方程：

61、根據上一時刻的張力估計和輸入；預測當前時刻的鏈條張力：

62、

63、其中，a為步驟s322所述的狀態轉移矩陣；b為步驟s322所述的狀態方程的輸入矩陣；

64、構建更新方程：

65、基于觀測的應力數據，更新預測的張力數據：

66、

67、其中，c為步驟s323所述的觀測矩陣；卡爾曼增益矩陣的計算公式是：

68、

69、其中，是預測的誤差協方差矩陣，r是觀測噪聲的協方差，由系統動力學模型給定，初始設置為0.0001，c是觀測矩陣，是觀測矩陣c的轉置；

70、狀態協方差矩陣更新：

71、

72、通過虛擬傳感器的的實時更新，虛擬傳感器能夠準確地估算鏈條上各個位置的張力。

73、進一步地，所述步驟s4具體包括:

74、s41:?搭建虛擬傳感器有效性的驗證平臺，即鏈條張力監測實驗平臺，在鏈條的不同位置（鏈輪的接觸點、鏈條的中點和末端）安裝應變片和加速度傳感器，監測鏈條的實際應力和應變。

75、s42:?實時采集實際應變和應力數據，并作為虛擬傳感器估算結果的輸入數據。配置數據采集接口，確保從應變片和加速度傳感器實時獲取高頻數據，并傳輸到中央控制系統進行處理。

76、s43：基于卡爾曼濾波設計的虛擬傳感器，通過有限元分析的應力和應變數據，估算各點處的張力。通過對比實際測量值和虛擬傳感器估算值，計算誤差并調整卡爾曼濾波的參數，使得虛擬傳感器的估算值與實際值更接近。通過反復實驗校準傳感器與虛擬傳感器之間的差異，并逐步改進卡爾曼濾波器的性能。

77、s44:?通過實時監測和記錄鏈條不同位置的張力，驗證虛擬傳感器在不同負載和工況下的估算精度。通過模擬不同工況，驗證虛擬傳感器對鏈傳動系統動態響應的準確性。

78、s45：將虛擬傳感器與鏈傳動系統的其他監測與控制系統集成，形成完整的張力監測解決方案。

79、本發明的第二個方面涉及一種面向多部件耦合的鏈傳動系統的張力監測裝置，包括：

80、三維建模與仿真模塊，建立多部件耦合鏈傳動系統的三維模型，反映鏈條與鏈輪之間的嚙合關系；模擬鏈條在不同工況下的動態特性，獲取鏈條張力的變化規律；模擬不同工況，分析相應工況下鏈張力變化規律，得到鏈輪和鏈的動態載荷，為鏈傳動系統的有限元分析提供載荷依據；

81、數據采集與預處理模塊，在實驗環境中使用高精度張力傳感器記錄鏈條的實際張力值，應變片和加速度傳感器，監測鏈條的實際應力和應變。對采集到的數據進行清洗，去除噪聲和異常值；

82、張力計算與多邊形效應分析模塊，對多部件耦合的鏈傳動系統鏈條進行張力分析與計算，同時對鏈傳動系統多邊形效應進行分析，為多部件耦合的鏈傳動系統動態特性分析提供理論依據；

83、有限元分析與虛擬傳感器設計模塊，對鏈傳動系統的關鍵部件進行有限元分析，確定虛擬傳感器的安裝位置和參數；基于有限元分析結果，設計狀態觀測器，實時估算鏈條在不同位置的張力分布；

84、實驗驗證與數據存儲模塊，搭建虛擬傳感器驗證平臺，包括應變傳感器、數據采集系統和通信模塊，進行實驗驗證，確保系統能夠準確監測鏈條張力；將實驗數據和實時監測數據記錄到系統數據庫中，以便后續分析和監測；

85、決策規則與預警模塊，根據系統設計要求和安全標準，設定鏈條張力的上下限閾值；實時監測鏈條張力，當張力值超過預設的上限閾值時，系統自動觸發故障預警，并提示操作人員進行檢查和維護；

86、遠程訪問與管理接口模塊，提供遠程訪問接口，使管理人員通過瀏覽器隨時查看和管理記錄的數據；對傳輸和存儲的數據進行加密，設置多層身份驗證機制，確保數據安全。

87、本發明的第三個方面涉及一種基于虛擬傳感器的鏈條張力監測的系統，包括:

88、鏈傳動系統狀態數據采集設備，由多個傳感器組成，包括安裝在鏈條、齒輪、軸承上的溫度傳感器、振動傳感器、轉速傳感器和負載傳感器；所有傳感器均與中央控制單元連接，能夠實時采集并傳輸鏈傳動系統各部件的運行數據；

89、多部件耦合狀態數據處理分析設備，數據處理分析設備能夠實時監測各個部件的運行狀態，包括溫度、壓力、速度參數，設備能夠將來自不同部件的數據進行整合，形成統一的數據流；

90、三維建模與仿真設備，建立多部件耦合鏈傳動系統的三維模型，確保模型能夠準確反映鏈條與鏈輪之間的嚙合關系；模擬鏈條的動態特性；

91、虛擬傳感器的張力測試設備，設備包括有限元分析與虛擬傳感器設計模塊，對鏈傳動系統的關鍵部件進行有限元分析，確定虛擬傳感器的安裝位置和參數；基于有限元分析結果，設計狀態觀測器，實時估算鏈條在不同位置的張力分布；

92、實驗驗證與數據存儲設備，搭建虛擬傳感器驗證平臺，包括應變傳感器、數據采集系統和通信模塊，進行實驗驗證，確保系統能夠準確監測鏈條張力；將實驗數據和實時監測數據記錄到系統數據庫中，以便后續分析和監測；

93、預警設備，根據系統設計要求和安全標準，設定鏈條張力的上下限閾值；實時監測鏈條張力，當張力值超過預設的上限閾值時，系統自動觸發故障預警，并提示操作人員進行檢查和維護；

94、遠程訪問與管理設備，提供遠程訪問接口，使管理人員通過瀏覽器隨時查看和管理記錄的數據；對傳輸和存儲的數據進行加密，設置多層身份驗證機制，確保數據安全。

95、本發明的創新點是：

96、虛擬傳感器設計：利用數學建模和仿真分析替代傳統物理傳感器，降低成本并提高精度。

97、多部件耦合分析：通過動態仿真和有限元分析，提高了鏈傳動系統在復雜工況下的可靠性。

98、本發明的工作原理是：本發明通過構建多部件耦合鏈傳動系統的三維模型，借助動力學仿真軟件模擬實際運行環境，分析鏈條張力變化規律，形成一套系統的監測方法。通過虛擬傳感器替代傳統物理傳感器，利用有限元分析和狀態空間模型，實時估算鏈條在各個位置的張力分布，并通過實驗平臺驗證其有效性。該系統設計綜合了三維建模、動態仿真、有限元分析與數據處理多項技術，具備高精度、低成本、實時性和可靠性的顯著優點，適用于復雜工況下的鏈傳動系統監測，為工業設備的智能化管理和故障預測提供了強有力的技術支持。

99、本發明的優點是：通過虛擬傳感器實現了鏈條張力的實時監測，減少了硬件需求和系統成本，提高了監測精度和實時性。此外，這種方法可以為工業設備的智能管理和故障預測提供有力支持。