兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (6): 2003-2016.doi: 10.12382/bgxb.2023.0363
刘子昌1,2, 白永生1, 李思雨1, 张坤3, 刘敏4, 贾希胜1,*()
收稿日期:
2023-04-21
上线日期:
2023-06-27
通讯作者:
基金资助:
LIU Zichang1,2, BAI Yongsheng1, LI Siyu1, ZHANG Kun3, LIU Min4, JIA Xisheng1,*()
Received:
2023-04-21
Online:
2023-06-27
摘要:
柴油机在运行过程中气门间隙逐渐增大,其状态会随气门性能退化而发生改变。针对传统状态评估方法难以对其气门性能退化状态进行准确评估的问题,提出基于同步提取增强广义S变换(Synchro Extracting Enhanced Generalized S-Transform, SEEGST)的柴油机气门性能退化状态评估方法。通过传感器采集反映柴油机状态的振动信号;为解决传统信号时频分析方法存在时频分辨率低、能量聚集性弱等问题,基于同步提取算法与广义S变换提出SEEGST时频分析方法,将振动信号转换为二维时频图;利用MLP-Mixer模型提取时频图像特征进行训练,实现柴油机状态评估。通过柴油机状态监测实验台开展气门性能退化实验,将所提方法与SSGST-MLPMixer、GST-MLPMixer、SEEGST-ViT、SEEGST-2DCNN、FFT spectrum-1DCNN 5种传统方法对比。实验结果表明:所提方法的整体评估准确率达到98.96%,可有效应用于柴油机气门性能退化状态评估领域,为开展柴油机气门性能退化状态评估提供一种新的思路。
中图分类号:
刘子昌, 白永生, 李思雨, 张坤, 刘敏, 贾希胜. 基于同步提取增强广义S变换的柴油机气门性能退化状态评估[J]. 兵工学报, 2024, 45(6): 2003-2016.
LIU Zichang, BAI Yongsheng, LI Siyu, ZHANG Kun, LIU Min, JIA Xisheng. Assessment of Diesel Engine Valve Performance Degradation Status Based on Synchroextracting Enhanced Generalized S-transform[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(6): 2003-2016.
类别 | STFT | CWT | ST | GST | SSGST | SEEGST |
---|---|---|---|---|---|---|
Renyi熵 | 21.16 | 17.31 | 21.66 | 21.31 | 19.16 | 12.02 |
表1 实测信号的Renyi熵值
Table 1 Renyi entropy value of measured signal
类别 | STFT | CWT | ST | GST | SSGST | SEEGST |
---|---|---|---|---|---|---|
Renyi熵 | 21.16 | 17.31 | 21.66 | 21.31 | 19.16 | 12.02 |
状态序号 | 退化过程 | 气门间隙/mm | 健康状态 |
---|---|---|---|
1 | 正常 | 0.3 | 健康 |
2 | 气门间隙略微增大 | 0.4 | 注意 |
3 | 气门间隙增大 | 0.5 | 异常 |
4 | 气门间隙严重增大 | 0.7 | 恶化 |
表2 气门间隙预置情况
Table 2 Valve clearance pre-set condition
状态序号 | 退化过程 | 气门间隙/mm | 健康状态 |
---|---|---|---|
1 | 正常 | 0.3 | 健康 |
2 | 气门间隙略微增大 | 0.4 | 注意 |
3 | 气门间隙增大 | 0.5 | 异常 |
4 | 气门间隙严重增大 | 0.7 | 恶化 |
层 | 输出 |
---|---|
Rearrange-1 | [-1, 196, 768] |
Linear-2 | [-1, 196, 512] |
LayerNorm-3 | [-1, 196, 512] |
Conv1d-4 | [-1, 784, 512] |
GELU-5 | [-1, 784, 512] |
Dropout-6 | [-1, 784, 512] |
Conv1d-7 | [-1, 196, 512] |
Dropout-8 | [-1, 196, 512] |
PreNormResidual-9 | [-1, 196, 512] |
LayerNorm-10 | [-1, 196, 512] |
Linear-11 | [-1, 196, 2048] |
GELU-12 | [-1, 196, 2048] |
Dropout-13 | [-1, 196, 2048] |
Linear-14 | [-1, 196, 512] |
Dropout-15 | [-1, 196, 512] |
PreNormResidual-16 | [-1, 196, 512] |
︙ | ︙ |
LayerNorm-31 | [-1, 196, 512] |
Reduce-32 | [-1, 512] |
Linear-33 | [-1, 4] |
表3 MLP-Mixer模型结构
Table 3 MLP-Mixer model structure
层 | 输出 |
---|---|
Rearrange-1 | [-1, 196, 768] |
Linear-2 | [-1, 196, 512] |
LayerNorm-3 | [-1, 196, 512] |
Conv1d-4 | [-1, 784, 512] |
GELU-5 | [-1, 784, 512] |
Dropout-6 | [-1, 784, 512] |
Conv1d-7 | [-1, 196, 512] |
Dropout-8 | [-1, 196, 512] |
PreNormResidual-9 | [-1, 196, 512] |
LayerNorm-10 | [-1, 196, 512] |
Linear-11 | [-1, 196, 2048] |
GELU-12 | [-1, 196, 2048] |
Dropout-13 | [-1, 196, 2048] |
Linear-14 | [-1, 196, 512] |
Dropout-15 | [-1, 196, 512] |
PreNormResidual-16 | [-1, 196, 512] |
︙ | ︙ |
LayerNorm-31 | [-1, 196, 512] |
Reduce-32 | [-1, 512] |
Linear-33 | [-1, 4] |
模型 | 准确率/% | 损失值 | ||
---|---|---|---|---|
训练集 | 验证集 | 训练集 | 验证集 | |
SEEGST-MLPMixer | 100.00 | 99.75 | 1.08×10-4 | 1.43×10-2 |
SSGST-MLPMixer | 100.00 | 97.50 | 1.49×10-4 | 1.00×10-1 |
GST-MLPMixer | 100.00 | 97.25 | 3.60×10-4 | 9.27×10-2 |
SEEGST-ViT | 100.00 | 96.50 | 3.24×10-3 | 1.32×10-1 |
SEEGST-2DCNN | 94.73 | 94.75 | 2.44×10-1 | 2.37×10-1 |
FFT spectrum-1DCNN | 91.86 | 92.50 | 5.37×10-1 | 6.33×10-1 |
表4 各模型的准确率与损失值
Table 4 Accuracy and loss value of each model
模型 | 准确率/% | 损失值 | ||
---|---|---|---|---|
训练集 | 验证集 | 训练集 | 验证集 | |
SEEGST-MLPMixer | 100.00 | 99.75 | 1.08×10-4 | 1.43×10-2 |
SSGST-MLPMixer | 100.00 | 97.50 | 1.49×10-4 | 1.00×10-1 |
GST-MLPMixer | 100.00 | 97.25 | 3.60×10-4 | 9.27×10-2 |
SEEGST-ViT | 100.00 | 96.50 | 3.24×10-3 | 1.32×10-1 |
SEEGST-2DCNN | 94.73 | 94.75 | 2.44×10-1 | 2.37×10-1 |
FFT spectrum-1DCNN | 91.86 | 92.50 | 5.37×10-1 | 6.33×10-1 |
模型 | 精度/% |
---|---|
SEEGST-MLPMixer | 98.96 |
SSGST-MLPMixer | 97.40 |
GST-MLPMixer | 95.83 |
SEEGST-ViT | 95.50 |
SEEGST-2DCNN | 93.50 |
FFT spectrum-1DCNN | 89.00 |
表5 测试集下各模型的精度
Table 5 Accuracy of each model under the test set
模型 | 精度/% |
---|---|
SEEGST-MLPMixer | 98.96 |
SSGST-MLPMixer | 97.40 |
GST-MLPMixer | 95.83 |
SEEGST-ViT | 95.50 |
SEEGST-2DCNN | 93.50 |
FFT spectrum-1DCNN | 89.00 |
[1] |
李良钰, 苏铁熊, 马富康, 等. 基于集合经验模态分解-支持向量机的高压共轨系统故障诊断方法[J]. 兵工学报, 2022, 43(5): 992-1001.
doi: 10.12382/bgxb.2021.0155 |
doi: 10.12382/bgxb.2021.0155 |
|
[2] |
姬亚萌, 张卫正, 原彦鹏, 等. 高强化柴油机活塞加速热疲劳与等效寿命评估方法[J]. 兵工学报, 2022, 43(12): 3008-3019.
|
|
|
[3] |
毕晓博. 基于振动信号特征的柴油机状态智能识别方法研究[D]. 天津: 天津大学, 2020.
|
|
|
[4] |
|
[5] |
|
[6] |
|
[7] |
沈虹, 曾锐利, 杨万成, 等. 基于时频图像极坐标增强的柴油机故障诊断[J]. 振动.测试与诊断, 2018, 38(1): 27-33.
|
|
|
[8] |
牟伟杰, 石林锁, 蔡艳平, 等. 基于振动时频图像全局和局部特征融合的柴油机故障诊断[J]. 振动与冲击, 2018, 37(10): 14-19.
|
|
|
[9] |
|
[10] |
|
[11] |
|
[12] |
陈育成. 基于瞬时转速的船用中速柴油机健康状态评估方法研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2020.
|
|
|
[13] |
白雲杰, 贾希胜, 梁庆海, 等. 基于深度学习的柴油机气门健康状态评估[J]. 科学技术与工程, 2022, 22(10): 3941-3950.
|
|
|
[14] |
|
[15] |
刘敏, 陈健, 张岩, 等. 基于同步压缩广义S变换的发动机故障诊断[J]. 振动.测试与诊断, 2021, 41(5): 984-990.
|
|
|
[16] |
康佳星. 同步提取变换算法的改进研究及其在地震信号分析中的应用[D]. 成都: 成都理工大学, 2018.
|
|
|
[17] |
|
[18] |
征博文. 应用于阿尔兹海默病MRI辅助诊断的人工智能算法研究[D]. 深圳: 中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院), 2022.
|
|
|
[19] |
赖岳华. 变工况下柴油机故障在线监测与维修决策优化方法研究与应用[D]. 北京: 北京化工大学, 2018.
|
|
[1] | 解宝琦, 李英顺, 王德彪, 隋欢欢. 一种坦克炮长瞄准镜系统状态评估的方法[J]. 兵工学报, 2023, 44(8): 2414-2423. |
[2] | 李子铭, 刘振明, 刘景斌, 陈萍. 舰船柴油机微通道内燃油空化现象的模型对比[J]. 兵工学报, 2023, 44(10): 3091-3100. |
[3] | 黎一锴, 彭靖, 史中杰, 檀丽宏, 李耀宗. 具有环境适应性的柴油机最小压缩比设计方法[J]. 兵工学报, 2022, 43(8): 1744-1752. |
[4] | 刘月, 刘铁林, 姜相争, 韩月明. 基于径向基函数和自组织映射的导弹控制系统健康状态评估[J]. 兵工学报, 2022, 43(4): 931-939. |
[5] | 郭圣刚, 王建平, 赵忠诚, 程晶晶, 田新伟. 金属掺杂对高强化柴油机活塞销类金刚石薄膜涂层摩擦学性能的影响[J]. 兵工学报, 2021, 42(4): 715-722. |
[6] | 于飞, 刘波澜, 颜超, 韩耀辉, 王文泰. 柴油机电动可变气门正时机构特性[J]. 兵工学报, 2021, 42(3): 468-477. |
[7] | 顾程, 乔新勇, 韩立军. 不同燃油对某重型柴油机燃烧稳定性影响分析[J]. 兵工学报, 2020, 41(3): 426-433. |
[8] | 强永平, 李海鹰, 张晓琴, 蔡忠周, 朱伟青, 李玉峰, 龚永星. 柴油机回水温度对燃烧过程影响试验研究[J]. 兵工学报, 2020, 41(2): 222-230. |
[9] | 赵建华, 应宇辰, 郭成豹. 柴油机磁场的计算、试验与消磁优化[J]. 兵工学报, 2020, 41(2): 350-355. |
[10] | 李佳蔚, 崔涛, 刘宇航, 师帅楠, 孙强. 基于排气温度动态模型的在线观测器研究[J]. 兵工学报, 2019, 40(8): 1562-1571. |
[11] | 王子玉, 张岩, 王雷, 刘金龙, 白洪林, 李玉峰. 进气门晚关米勒循环对高强化柴油机燃烧和换气影响的研究[J]. 兵工学报, 2019, 40(1): 8-17. |
[12] | 蒋伟, 王挺, 盛文, 鲁力. 基于状态评估的相控阵雷达T/R组件维修策略研究[J]. 兵工学报, 2019, 40(1): 182-188. |
[13] | 王旭东, 熊春华, 鲁长波, 安高军, 王锋. 高原环境下柴油机燃用聚醚型含氧燃料热平衡试验研究[J]. 兵工学报, 2018, 39(8): 1473-1478. |
[14] | 刘永丰, 王龙飞, 刘胜, 尹玉婷, 杨震寰. 海拔高度对柴油机缸内热流分布影响规律研究[J]. 兵工学报, 2018, 39(6): 1049-1057. |
[15] | 刘宇航, 张付军, 高宏力, 王苏飞. 对置活塞二冲程柴油机新鲜充量短路研究[J]. 兵工学报, 2018, 39(6): 1058-1065. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||