基于機(jī)器學(xué)習(xí)的液壓擺缸葉片密封性能預(yù)測模型

陳 華，陳 榮，鮑春波

(1.四川工業(yè)科技學(xué)院 電子信息與計算機(jī)工程學(xué)院，四川 德陽 618500；2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電力工程學(xué)院，成都 610000)

0 引言

液壓系統(tǒng)在不同工業(yè)領(lǐng)域均被廣泛使用，用于傳輸動力或完成設(shè)備自動化操縱控制。葉片式液壓擺缸可將液體壓力直接轉(zhuǎn)化為往復(fù)擺動并輸出扭矩，其具有輸出扭矩大、機(jī)械效率高等特點(diǎn)[1]。液壓擺缸在各種工業(yè)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，如航空、汽車、機(jī)械制造等。隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷發(fā)展，對機(jī)械設(shè)備的工作效率和使用壽命要求越來越高。而液壓擺缸作為機(jī)械設(shè)備中的關(guān)鍵元件，然而，設(shè)計和制造過程中仍然存在一些問題，如葉片密封性能預(yù)測不準(zhǔn)確、葉片泄漏等，其葉片密封性能的好壞直接影響到機(jī)械設(shè)備的工作效率和使用壽命。在液壓擺缸中，葉片密封性能指的是葉片與擺缸內(nèi)壁之間的密封程度。由于液壓擺缸工作時需要承受高壓和高溫的環(huán)境，如果葉片與擺缸內(nèi)壁之間的密封不夠好，就會導(dǎo)致液體泄漏、機(jī)械設(shè)備效率下降，甚至可能會危及機(jī)械設(shè)備的安全運(yùn)行。在實(shí)際操作中，擺缸的密封功能是由多個彈性體組成的復(fù)合密封，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，一旦出現(xiàn)操作故障將直接影響液壓擺缸的工作性能。葉片密封是擺缸的重要組成部分[2]，密封能力直接影響擺缸工作性能。液壓系統(tǒng)對密封件的核心需求包括密封性好、摩擦阻力小、摩擦因數(shù)穩(wěn)定性強(qiáng)且具備自主補(bǔ)償能力。因此，對液壓擺缸葉片密封性能預(yù)測方法的深入研究，可以有效地解決這些問題，提高液壓擺缸的設(shè)計和制造水平，為工業(yè)生產(chǎn)提供更加優(yōu)質(zhì)的機(jī)械設(shè)備。

針對機(jī)械密封性能預(yù)測問題，學(xué)者們給出不同見解：朱德[3]等人從密封圈密封機(jī)理出發(fā)，利用Fluent軟件建立流體膜模型，有限元分析靜密封和動密封狀態(tài)，獲得密封區(qū)域精確壓力分布，明確當(dāng)前密封性能詳細(xì)狀況。趙玉霞[4]等人利用重構(gòu)分形接觸模型展現(xiàn)端面形態(tài)，計算機(jī)械密封泄漏率和平均膜厚，探究不同參數(shù)密封性能的改變趨勢。

但上述方法沒有考慮定子、轉(zhuǎn)子和密封元件之間的油膜潤滑行為，對密封失效模式的研究不夠透徹，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果精度不高。為此，提出一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的液壓擺缸葉片密封性能預(yù)測模型。劃分密封性能指標(biāo)，收集密封性能實(shí)時數(shù)據(jù)，以泄漏率、密封環(huán)熱量作為輸入層單元的輸入值，將性能預(yù)測指標(biāo)作為輸出值，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建液壓擺缸葉片密封性能預(yù)測模型。通過與不同方法的對比分析，證明所建模型密封性能預(yù)測精度高，能幫助機(jī)械領(lǐng)域工作人員提升器件維修效率，提升機(jī)械制造智能化水平。

1 密封性能指標(biāo)分析

預(yù)測液壓擺缸葉片密封性能時，需先分析密封性能指標(biāo)。密封性能指標(biāo)是評價液壓擺缸葉片密封性能的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不同的應(yīng)用場景和需求，可以制定不同的評價標(biāo)準(zhǔn)。通過分析密封性能指標(biāo)，可以確立評價標(biāo)準(zhǔn)，了解液壓擺缸葉片密封性能的關(guān)鍵因素，改善葉片的密封性能，為后續(xù)的預(yù)測和測試提供依據(jù)。因此下文先明確性能指標(biāo)類型。從敏感性與疲勞性兩方面入手分析性能指標(biāo)，為液壓擺缸葉片密封性能預(yù)測工作建立基礎(chǔ)。

1.1 敏感性指標(biāo)

影響液壓擺缸葉片密封性能退化的元素較多，涵蓋內(nèi)外載荷、運(yùn)行時長等[5-7]，將影響因素轉(zhuǎn)化為自變量，計算量大且容易產(chǎn)生較大偏差，因此，需明確影響密封性能的重要參數(shù)。敏感度分析即自變量改變對因變量影響程度的高低，采用敏感性指標(biāo)挑選影響密封失效的關(guān)鍵要素。液壓擺缸葉片的敏感性指標(biāo)是指在不同工作條件下，葉片與擺缸內(nèi)壁之間的間隙大小對液壓擺缸性能的影響程度。敏感性指標(biāo)的好壞直接影響到液壓擺缸的穩(wěn)定性和可靠性。通過分析敏感性指標(biāo)，可以了解液壓擺缸葉片與擺缸內(nèi)壁之間的間隙變化規(guī)律，為提高液壓擺缸葉片密封性能提供依據(jù)。

采用Morris方法計算敏感性指標(biāo)，在明確其他元素狀態(tài)下，能夠獨(dú)自更改某個元素，推算此元素對響應(yīng)量的影響水平。Morris方法是一種用于評估模型參數(shù)對模型輸出結(jié)果影響的全局敏感性分析方法。該方法通過改變參數(shù)值，計算不同參數(shù)值下模型輸出結(jié)果的變化，以此來評估不同參數(shù)對模型輸出結(jié)果的影響大小。在計算液壓擺缸葉片的敏感性指標(biāo)中，可以使用Morris方法來評估不同參數(shù)對密封性能的影響。首先，需要確定需要評估的參數(shù)。然后，根據(jù)Morris方法的步驟，對每個參數(shù)進(jìn)行多次隨機(jī)抽樣，并記錄相應(yīng)的模型輸出結(jié)果。最后，通過對比不同參數(shù)的輸出結(jié)果，計算出每個參數(shù)對模型輸出結(jié)果的貢獻(xiàn)度和重要程度，從而評估其敏感性。Morris方法的應(yīng)用可以幫助識別模型中哪些參數(shù)對輸出結(jié)果具有較大的影響，從而優(yōu)化模型設(shè)計和參數(shù)選擇，提高模型的預(yù)測精度和可靠性?？傊琈orris方法是一種簡單、有效的全局敏感性分析方法，在液壓擺缸葉片密封性能測試等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。通過評估不同參數(shù)對模型輸出結(jié)果的影響，可以幫助研究人員和決策者更好地理解和優(yōu)化模型，提高決策的可靠性和效果。假設(shè)a0是原始輸出響應(yīng)量，b1，b2，…，bn是影響響應(yīng)量a0的變量因子，則變量因子與對應(yīng)響應(yīng)量的關(guān)系式為：

ai=a0(b1，b2，…，bn)

(1)

其中：ai為計算第i次后變量和因子相對的響應(yīng)量。

倘若其余因子是固定值，計算多個敏感度均值，獲得變量因子對響應(yīng)量a的影響水平，敏感性指標(biāo)判斷因子表達(dá)式為：

(2)

其中：C為敏感性判斷因子；n為Morris方法的計算數(shù)量；ci為計算第i次變量因子的值和變量因子原始值的變化率。

將敏感性判斷因子依照敏感等級進(jìn)行劃分，方便挑選敏感性參數(shù)。將敏感性判斷因子依照敏感等級進(jìn)行劃分是為了更加準(zhǔn)確地評估液壓擺缸葉片密封性能，根據(jù)不同因素對系統(tǒng)性能影響程度的大小，將因子劃分為極度敏感、敏感、一般敏感和不敏感等級，劃分結(jié)果如表1所示。

表1 敏感性指標(biāo)等級劃分

劃分之后，可以通過以下方法來判斷液壓擺缸葉片密封性能。首先，對于敏感等級較高的因子，需要進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注和優(yōu)化。這些因子對液壓擺缸葉片密封性能的影響最為顯著，需要采取有效措施加以改善。例如，如果摩擦系數(shù)被劃分為敏感等級，可以優(yōu)化葉片表面處理方式，降低摩擦系數(shù)，提高密封性能。其次，對于敏感等級較低的因子，可以采取適當(dāng)措施進(jìn)行改善。這些因子對液壓擺缸葉片密封性能的影響相對較小，但仍需要考慮和優(yōu)化。例如，如果葉片材料硬度被劃分為較敏感等級，可以考慮選擇硬度更高的材料，提高葉片的密封性能。最后，對于不敏感等級的因子，可以不予考慮或優(yōu)化。這些因子對液壓擺缸葉片密封性能的影響可以忽略不計，不需要采取特殊措施進(jìn)行改善。例如，如果葉片的長度被劃分為不敏感等級，可以不予考慮或按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行制造。

因此，將敏感性判斷因子依照敏感等級進(jìn)行劃分后，可以更加精確地評估液壓擺缸葉片密封性能。根據(jù)敏感等級的不同，可以采取不同的措施進(jìn)行優(yōu)化和改善，從而提高液壓系統(tǒng)的性能和壽命。

1.2 疲勞性指標(biāo)

液壓擺缸葉片的疲勞性指標(biāo)是指在長期工作過程中，葉片與擺缸內(nèi)壁之間的間隙大小對液壓擺缸性能的影響程度。疲勞性指標(biāo)的好壞直接影響到液壓擺缸的使用壽命和維護(hù)成本。通過分析疲勞性指標(biāo)，可以了解液壓擺缸葉片在長期工作過程中的變化規(guī)律。

液壓擺缸密封元件通常使用聚氨酯、丁腈橡膠等材料制成。橡膠制品會受到循環(huán)應(yīng)力影響，引起內(nèi)部和表面發(fā)生微小結(jié)構(gòu)變化[8-9]?；跀嗔蚜W(xué)角度，采用能量釋放模式分析橡膠密封材料疲勞破壞過程。在循環(huán)應(yīng)力作用下，密封件裂紋逐步擴(kuò)大，裂紋擴(kuò)大速度計算式為：

(3)

其中：e為裂紋長度；A為應(yīng)力循環(huán)周期；T為應(yīng)變能釋放率；G為橡膠材料常數(shù)；β為裂紋擴(kuò)大系數(shù)。

基于能量守恒定律，若裂紋開始擴(kuò)大，外力作用的功即密封圈內(nèi)部勢能Ue與裂紋擴(kuò)大時釋放的彈性應(yīng)變能總和[10-11]。應(yīng)變能釋放率T表達(dá)式為：

(4)

其中：?為應(yīng)變能釋放速率；ω為應(yīng)變能密度；k(φ)為能量釋放函數(shù)。

若密封元件從原始裂紋長度e0擴(kuò)展到裂紋長度e，應(yīng)力循環(huán)總周期為A，對式(3)采取積分運(yùn)算，得到密封疲勞性指標(biāo)計算。

(5)

計算出密封疲勞性指標(biāo)后，可以通過以下方法來實(shí)現(xiàn)液壓擺缸葉片密封性能的優(yōu)化。

1)優(yōu)化葉片材料：選擇合適的葉片材料可以提高其耐久性和密封性能。例如，選擇高強(qiáng)度、高韌性、高耐蝕性的材料，如不銹鋼、高強(qiáng)度鋼等，可以提高葉片的耐久性和密封性能。

2)優(yōu)化葉片表面處理方式：采用適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚矸绞娇梢蕴岣呷~片的密封性能。例如，采用電鍍、噴涂、氣體滲碳等表面處理方式，可以改善葉片表面的硬度、摩擦系數(shù)和耐蝕性，提高其密封性能。

3)優(yōu)化葉片幾何形狀：葉片的幾何形狀對其密封性能也有很大影響。可以通過優(yōu)化葉片的幾何形狀，如改變?nèi)~片的角度、長度、寬度、厚度等參數(shù)，來提高其密封性能。

4)優(yōu)化液壓系統(tǒng)工作條件：液壓系統(tǒng)的工作條件也會影響葉片的密封性能。可以通過調(diào)整液壓系統(tǒng)的工作壓力、工作溫度等參數(shù)，來優(yōu)化葉片的工作條件，提高其密封性能。

綜上所述，通過優(yōu)化葉片材料、表面處理方式、幾何形狀和液壓系統(tǒng)工作條件等方面，可以實(shí)現(xiàn)液壓擺缸葉片密封性能的優(yōu)化。

2 預(yù)測模型構(gòu)建

2.1 樣本數(shù)據(jù)的確立

采用密封壽命試驗(yàn)來獲得數(shù)據(jù)，明確葉片壽命特征與失效規(guī)律[12-14]。通過加速試驗(yàn)得到多個樣本值，為確保失效定理相同狀態(tài)，更改試驗(yàn)條件讓葉片密封提前失效，減少試驗(yàn)周期。動環(huán)、靜環(huán)是密封重要零件，失效模式為滑動磨損?；谠鰪?qiáng)磨損載荷，密封磨損失效極限損傷τf表達(dá)式為：

(6)

密封面磨損率ζ解析式為：

(7)

其中：Kw為磨損系數(shù)；L為布氏硬度；oc為端面比壓力；v為磨損速率。

將試驗(yàn)值與比例系數(shù)表示相同工況下的采集時間[15-17]。密封泄露率r計算過程為：

(8)

其中：ψ為徑向總收斂錐度；Rn為接觸面半徑均值；u1、u2為密封面內(nèi)外側(cè)壓力；s1、s2為密封面內(nèi)外邊緣膜厚度。

密封液膜最大厚度與最小厚度分別為：

(9)

hmin=ψ(R2-R1)Mg

(10)

其中：we為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；θ為接觸壓力的最大位置；qc為介質(zhì)油壓；R1、R2為密封面內(nèi)外半徑；Mg為載荷系數(shù)。

接觸隙膜厚為：

hc=3κ

(11)

其中：κ為高峰粗糙度標(biāo)準(zhǔn)差。

基于流體動力潤滑定理，利用雷諾方程獲得油膜厚度和密封間隙油膜壓力之間的關(guān)聯(lián)，設(shè)定前提條件：端面密封區(qū)潤滑油膜厚度軸向不產(chǎn)生改變、壓力在油膜厚度方向無改變和介質(zhì)黏度沿膜厚方向不變[18]?；谝陨希瑒?chuàng)建密封油膜分布三維坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)子、定子、端面密封共同軸為y軸，圓周方向?yàn)閤軸，半徑方向是z軸。油膜厚度和密封間隙油膜壓力的耦合關(guān)系表達(dá)式為：

(12)

其中：γ為油膜寬度；m為油膜厚度；η為介質(zhì)油液黏度；p為介質(zhì)油液壓力；W0為密封面對應(yīng)速率；ρ為介質(zhì)油液密度；η為介質(zhì)油液黏度。

將液壓擺缸葉片密封的動環(huán)、靜環(huán)看作一個量筒體[19-20]，長度是Lz，截面積是D，外圓周長是Q，由此單個密封環(huán)的熱量Vi表達(dá)式為：

Vi=μLzjiDΔT/Lz

(13)

其中：ji為散熱指數(shù)；μLz為密封環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)；ΔT為端面溫度和介質(zhì)溫度的差。

2.2 基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的液壓擺缸葉片密封性能預(yù)測

分析密封性能指標(biāo)后，為及時發(fā)現(xiàn)液壓擺缸葉片密封漏洞，提升機(jī)械使用壽命，設(shè)計一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的液壓擺缸葉片密封性能預(yù)測模型。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型，它通過多層神經(jīng)元之間的相互連接和信息傳遞，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)、分類和預(yù)測。

在預(yù)測液壓擺缸葉片密封漏洞中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以通過學(xué)習(xí)歷史數(shù)據(jù)和特征，建立預(yù)測模型，并對新的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測和分類。這樣可以有效地提高預(yù)測精度和效率，為液壓擺缸葉片密封性能測試和優(yōu)化提供重要的參考依據(jù)。同時，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還可以通過增加輸入?yún)?shù)、優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)等方式來進(jìn)一步提高預(yù)測精度和魯棒性，具有很大的應(yīng)用潛力和意義。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過簡單的神經(jīng)元互連構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，呈非線性動力特征。構(gòu)建三層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，能完成不同類型的函數(shù)映射。誤差反向傳播前饋多層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，即反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(back propagation，BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

創(chuàng)建模型前，采集和時間有關(guān)的泄漏率與密封環(huán)熱量。將泄漏率、密封環(huán)熱量作為輸入層單元的輸入值，將性能預(yù)測指標(biāo)作為輸出值。液壓擺缸葉片密封性能中的泄漏率和密封環(huán)熱量是兩個重要的參數(shù)，對系統(tǒng)性能和壽命有著直接的影響。泄漏率是指液壓系統(tǒng)中液體從密封處流失的速率。在液壓擺缸中，泄漏率通常與密封環(huán)的設(shè)計、材料和加工精度等因素有關(guān)。高泄漏率會導(dǎo)致系統(tǒng)效率低下、能源浪費(fèi)和油液污染等問題。因此，為了保證系統(tǒng)的有效性和可靠性，需要采取措施減小泄漏率，如改善密封環(huán)材料、加強(qiáng)密封面加工精度和優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)等。密封環(huán)熱量是指密封環(huán)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量。在液壓擺缸中，密封環(huán)熱量主要是由于摩擦產(chǎn)生的，會導(dǎo)致密封環(huán)變形、老化、裂紋等問題，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的壽命和可靠性。因此，需要采取措施減少密封環(huán)熱量，如改善密封環(huán)材料、減少摩擦系數(shù)、增加潤滑劑等。綜上所述，泄漏率和密封環(huán)熱量是液壓擺缸葉片密封性能中兩個重要的參數(shù)，對系統(tǒng)性能和壽命有著直接的影響。為了保證系統(tǒng)的有效性和可靠性，需要采取措施減小泄漏率、減少密封環(huán)熱量，從而提高液壓系統(tǒng)的效率和壽命。

根據(jù)2.1確立樣本數(shù)據(jù)后，利用圖1的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練。將泄漏率、密封環(huán)熱量作為輸入層單元的輸入值[21]，將性能預(yù)測指標(biāo)作為輸出值。

假設(shè)反向傳播模型中包括多個輸入，設(shè)置泄漏率、密封環(huán)熱量的輸入數(shù)據(jù)統(tǒng)一為x1，x2，…，xn，w1，w2，…，wm為各輸入相應(yīng)的權(quán)值，該權(quán)重可衡量液壓擺缸泄漏率和密封環(huán)熱量集數(shù)據(jù)對密封性能影響程度的大??；N為輸入數(shù)據(jù)的總和；θ代表液壓擺缸泄漏率和密封環(huán)熱量集的閾值。液壓擺缸性能預(yù)測模型為R：

R=f(N)

(14)

(15)

利用雙曲正切函數(shù)可獲取任意輸入的權(quán)值與閾值的具體值。

針對預(yù)測模型中的任意一組樣本數(shù)據(jù)，推算每個單元的預(yù)測輸出值為：

(16)

其中：rij為第i個輸入單元和第j個中間層單元的泄漏率；gi為第i個輸入單元的輸入系數(shù)；θj為中間層第j個單元的臨界值。

設(shè)定每層的臨界值的初始值均為1，以修正指標(biāo)輸出誤差。待所有樣本訓(xùn)練結(jié)束后，推導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)全局誤差值。如果低于設(shè)定的極小值，即完成網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，輸出密封性能預(yù)測結(jié)果；反之再次把全部樣本引入網(wǎng)絡(luò)實(shí)施訓(xùn)練。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證研究方法的應(yīng)用有效性，實(shí)驗(yàn)采用YX-1000A型液壓擺缸作為測試對象，其油液壓力為17 MPa，擺角速度位15 rpm，液壓擺缸運(yùn)行溫度是26℃。具體實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 YX-1000A型液壓擺缸

液壓擺缸葉片密封參數(shù)如表2所示。

表2 葉片式液壓擺缸密封參數(shù)

為驗(yàn)證液壓擺缸葉片的密封性能，泄漏量是其關(guān)鍵測試指標(biāo)。葉片頂部與兩側(cè)直角位置矩形圈位置的密封均有O形圈參數(shù)作用，O形圈的預(yù)壓縮量與大小對密封性能有較大影響。實(shí)驗(yàn)探究處于不同O形圈尺寸，獲取所提方法葉片密封壓力下泄漏量與輸出矩陣情況。因此，先利用FLUKE 700G31型液壓泄漏檢測儀定量檢測液壓擺缸的泄漏量，液壓泄漏檢測儀是一種專門用于檢測液壓系統(tǒng)泄漏的設(shè)備。利用該設(shè)備檢測的泄露量數(shù)據(jù)。針對液壓擺缸密封壓力變化下的輸出扭矩，在液壓擺缸的輸出軸上安裝HBM T20WN扭矩傳感器，通過測量輸出軸上扭矩的大小得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。泄露量和輸出扭矩實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 密封性能預(yù)測結(jié)果

由圖3可知，O形圈截面直徑是3.0 mm時，泄露量為線性分布趨勢，密封壓力低于9 MPa時，輸出矩陣為線性增長分布態(tài)勢，高于9 MPa時，輸出扭矩慢慢減少；O形圈截面直徑是3.75 mm，密封壓力低于12 MPa時，泄漏量較少，若密封壓力高于12 MPa，密封泄露量急速升高，相對輸出扭矩減少，密封徹底失效。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)場景下液壓擺缸葉片密封失效規(guī)律完全相符，展現(xiàn)了所提方法密封性能預(yù)測準(zhǔn)確性。

為進(jìn)一步證明所提方法優(yōu)越性，將文獻(xiàn)[3]Fluent方法與文獻(xiàn)[4]分形接觸法作為對比方法。以FLUKE 700G31型液壓泄漏檢測儀檢測的泄漏量數(shù)據(jù)作為真實(shí)值，應(yīng)用文獻(xiàn)[3]方法、文獻(xiàn)[4]方法以及研究方法分別預(yù)測液壓擺缸的泄漏量，對比其余真實(shí)值的互相關(guān)系數(shù)，以此判斷該方法的應(yīng)用效果?；ハ嚓P(guān)系數(shù)指標(biāo)是用于衡量兩個變量之間線性關(guān)系強(qiáng)度的統(tǒng)計量。它通常表示為r，其取值范圍在-1到1之間，0表示沒有線性關(guān)系，正數(shù)表示正相關(guān)，負(fù)數(shù)表示負(fù)相關(guān)。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 密封泄露預(yù)測結(jié)果對比

如圖4所示，三種方法密封性能預(yù)測結(jié)果。從中看出，所提方法預(yù)測精度最高，能夠有效分析左右擺缸壓力互相關(guān)系數(shù)的變化走向，精準(zhǔn)預(yù)測葉片密封泄露何時超出預(yù)警線，給液壓擺缸密封失效故障的修復(fù)奠定基礎(chǔ)。

在此基礎(chǔ)上，為了驗(yàn)證不同方法應(yīng)用的效率，以密封性能預(yù)測的耗時為指標(biāo)，測試不同方法完成80次實(shí)驗(yàn)的累計耗時，圖5為相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下密封性能預(yù)測時間對比。

圖5 密封性能預(yù)測時間對比

從圖5可知，在80次實(shí)驗(yàn)迭代過程中，文獻(xiàn)[3]Fluent方法與文獻(xiàn)[4]分形接觸法的耗時始終高于2 s，且分形接觸法的預(yù)測耗時最高為7 s，說明這2種方法的應(yīng)用效率較差。所提方法在整個實(shí)驗(yàn)過程中耗時低于2 s，能夠消耗較少的時間完成密封性能預(yù)測任務(wù)，在保證預(yù)測結(jié)果精度的同時降低計算時間復(fù)雜度，具備更好的實(shí)用性。

4 結(jié)束語

為防止產(chǎn)生液壓擺缸葉片密封泄露現(xiàn)象，提升液壓擺缸應(yīng)用效率與使用壽命，設(shè)計一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的液壓擺缸葉片密封性能預(yù)測模型。所建模型計算簡單、操作性強(qiáng)，在明確密封性能指標(biāo)前提下，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法中的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，精準(zhǔn)預(yù)測葉片密封的變化趨勢。實(shí)驗(yàn)證明，研究方法的密封性能預(yù)測具有可靠性與魯棒性，給機(jī)械領(lǐng)域工作人員提供對應(yīng)數(shù)值參考。

液壓擺缸葉片密封性能預(yù)測模型是液壓擺缸設(shè)計和制造中的重要技術(shù)手段，雖然本文已經(jīng)得到了較好的研究成果，但是仍然存在一些問題：

1)模型精度不夠高。本次研究只考慮了葉片與固定環(huán)之間的密封性能，而忽略了葉片與轉(zhuǎn)動環(huán)之間的相互作用。這種簡化假設(shè)會導(dǎo)致模型精度不夠理想。

2)模型參數(shù)的確定仍具有一定難度。液壓擺缸葉片密封性能受到多種因素的影響，如葉片材料、葉片形狀、工作介質(zhì)等。這些參數(shù)的測量和確定比較困難，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和測試方法。

3)本文模型適用范圍有限。研究構(gòu)建的預(yù)測模型是基于特定條件下的理論推導(dǎo)或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)建立的，其適用范圍有限。對于工作條件變化較大或結(jié)構(gòu)不同的液壓擺缸，模型可能無法準(zhǔn)確預(yù)測其密封性能。