牛國(guó)臣 朱 通
(中國(guó)民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院 天津 300300)
飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)作為航空器的核心部件,其工作正常與否直接影響飛機(jī)的安全。風(fēng)扇葉片承擔(dān)發(fā)動(dòng)機(jī)80%以上的推力,工作時(shí)暴露在大氣中,遭受外界環(huán)境的大氣直接侵蝕和外來(lái)物的撞擊,工作中與轉(zhuǎn)子鼓的磨損,極易發(fā)生各種損傷,引發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng),造成發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降。因此,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和檢查修理,防止其進(jìn)一步產(chǎn)生磨損現(xiàn)象,保證其性能可靠是重要的維護(hù)工作之一。
目前國(guó)內(nèi)外成熟且有效的自動(dòng)化飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片清洗方法較少,國(guó)內(nèi)大多數(shù)是以人工的方法進(jìn)行清洗。工人以異丙醇為清洗原料使用毛刷對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行反復(fù)刷洗,工作時(shí)間長(zhǎng),勞動(dòng)強(qiáng)度大且會(huì)損害工人身體健康。因此研究一種能夠代替人工并且快速、高效、環(huán)保、健康的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的清洗方式是十分有價(jià)值的。
工業(yè)清洗方式一般有人工清洗、化學(xué)清洗、干式清洗、高壓清洗和超聲波清洗[1]。超聲波清洗具有清洗成本低、清洗效果好等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)SPM手冊(cè)要求,超聲波清洗可以用于清洗飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片。
超聲波的清洗頻率、溫度、時(shí)間、距離、功率密度、清洗液能夠直接影響工件的清潔度[2]。超聲波清洗參數(shù)對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的清潔度影響十分重要,因此需要對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化才能保證最佳的清洗效果。目前在工業(yè)參數(shù)優(yōu)化方面,姜志宏等[3]采用正交實(shí)驗(yàn)與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法,對(duì)影響金屬板材在多點(diǎn)漸進(jìn)中壁厚相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,但是優(yōu)化結(jié)果只是試驗(yàn)所用水平的最優(yōu)組合,存在局部?jī)?yōu)化的弊端;Babets等[4]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,根據(jù)所獲得的高壓水除銹工藝的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),建立相關(guān)的工藝模型,最后利用遺傳算法對(duì)能量進(jìn)行優(yōu)化,但是會(huì)存在著收斂過(guò)早以至無(wú)法獲得全局最優(yōu)解的問(wèn)題;湯耿等[5]采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法結(jié)合的方式對(duì)罩蓋壓鑄工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,但是其訓(xùn)練樣本太少以及單一遺傳算法易魯棒性不佳的問(wèn)題容易導(dǎo)致輸出結(jié)果不能真正代表最優(yōu)參數(shù);高道明等[6]分析了路面清洗車相關(guān)參數(shù)對(duì)清洗效果的影響,并通過(guò)模糊數(shù)學(xué)方法建立了水射流清洗模型,最后基于遺傳算法對(duì)清洗參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化效果較好,但是存在著明顯的效率低的問(wèn)題。
基于上述分析,選擇超聲波清洗作為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的清洗方式可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化清洗的目的。在清洗的優(yōu)化方面,雖然有相關(guān)研究,但優(yōu)化參數(shù)的選擇并不全面,參數(shù)優(yōu)化時(shí)存在著收斂早、效率低等問(wèn)題。同時(shí),目前國(guó)內(nèi)外缺乏對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片壓力面清洗以及清洗參數(shù)優(yōu)化的相關(guān)研究。
介于目前葉片清洗技術(shù)及優(yōu)化方面還存在不足之處,本文提出一種將BP與SA-GA相結(jié)合的混合算法對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的清洗參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,獲得最佳清洗參數(shù);采取圖像檢測(cè)方式,提出一種清潔度計(jì)算算法,對(duì)清洗效果進(jìn)行分析。
為提高飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片清洗效果,須對(duì)清洗工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,從而獲得最佳清洗效果。由于超聲波清洗參數(shù)的不同會(huì)對(duì)清洗效果有著不同的影響。為提高飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的清洗效果,需選擇合適的超聲波清洗參數(shù)。經(jīng)過(guò)分析,影響飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片清洗因素主要有清洗頻率、功率密度、清洗時(shí)間、清洗溫度以及清洗距離。
(1) 超聲波清洗頻率[7]。超聲波空化閾值與頻率有關(guān):超聲波清洗頻率越高,空化閾值越高,產(chǎn)生空化越困難;頻率越低,空化閾值越低。因此,飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片清洗超聲波頻率一般在20 kHz左右,此時(shí)空化效果理想。
(2) 超聲波功率密度。通常,功率密度大則清洗效果好,但是過(guò)大的功率密度會(huì)使被清洗件表面受到損傷,因此需要對(duì)功率密度進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。
(3) 超聲波清洗時(shí)間。清洗時(shí)間過(guò)短,會(huì)導(dǎo)致清洗效果差;清洗時(shí)間長(zhǎng),影響清洗效率和造成不必要的資源浪費(fèi)等。
(4) 超聲波清洗溫度[8]。采用不同清洗劑對(duì)超聲波溫度會(huì)有不同要求,飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片通過(guò)采用異丙醇作為清洗劑的方式,因此選擇合適的清洗溫度能夠提高飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片清洗效果。
(5) 清洗距離。根據(jù)超聲波清洗空化原理,在清洗槽中,換能器上方充滿空化氣泡,這些氣泡距換能器的高度不同,空化氣泡的形成程度不同。因此清洗距離會(huì)對(duì)清洗效果產(chǎn)生影響。
通過(guò)對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片清洗影響因素分析,在MATLAB環(huán)境下構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),將設(shè)定的超聲波清洗頻率、功率密度、超聲波清洗時(shí)間、清洗溫度、清洗距離作為輸入,清潔度的最大值作為輸出。建立如下非線性數(shù)學(xué)模型:
(1)
式中:A、B、C、E、D分別為清洗頻率、功率密度、清洗時(shí)間、清洗溫度、清洗距離;Ff為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片清潔度輸出響應(yīng),選取Ff的最大值作為輸出。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)SPM手冊(cè)要求以及超聲波清洗技術(shù)的理論基礎(chǔ),A、B、C、E、D的取值范圍分別為[20,30]、[0.5,1.3]、[5,9]、[20,40]、[10,30]。
由于采用單一正交試驗(yàn)獲得的優(yōu)化參數(shù),具有指向性差、選取優(yōu)化組合范圍小等缺點(diǎn);采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容易陷入局部最值與收斂速率慢的缺陷。本文針對(duì)以上問(wèn)題通過(guò)正交試驗(yàn)獲得的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行極差與方差分析;建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入選擇超聲波清洗涉及的五個(gè)參數(shù),神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出選擇飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇清潔度S,建立關(guān)系模型;由正交試驗(yàn)獲取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試數(shù)據(jù),映射出工藝參數(shù)與質(zhì)量指標(biāo)的非線性關(guān)系;通過(guò)采用改進(jìn)采用模擬退火算法改進(jìn)的遺傳算法進(jìn)行全局尋優(yōu),得到飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的最優(yōu)清洗參數(shù)組合。其流程如圖1所示。
圖1 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程
2.1.1建 模
BP網(wǎng)絡(luò)采用非線性微分函數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,學(xué)習(xí)算法具有可塑性和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性特點(diǎn),在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[9]。
通過(guò)對(duì)超聲波方法清洗飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的方式,選取頻率、功率密度、溫度、距離、時(shí)間作為此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù),清潔度作為輸出參數(shù)。因此,此網(wǎng)絡(luò)的輸入層為5個(gè),輸出層為1個(gè)。分別采用logsig、trainlm函數(shù)作為此網(wǎng)絡(luò)各層之間的激活函數(shù)與訓(xùn)練函數(shù)。
BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)影響其預(yù)測(cè)精度,據(jù)式(2)得到隱層神經(jīng)元數(shù)為10。
(2)
式中:h、q、p分別為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)、輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)、輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù);v為[1,10]的整數(shù)[10]。
最終構(gòu)建了一個(gè)5-10-1的3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),所建模型如圖2所示。
圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型
2.1.2訓(xùn)練和測(cè)試
正交試驗(yàn)起源于基于概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)影響飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片因素分析,確定5個(gè)優(yōu)化工藝參數(shù),設(shè)計(jì)出如表1所示的5因素5水平正交試驗(yàn)表。
表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)
選取采用超聲波清洗設(shè)備實(shí)驗(yàn)獲取的100組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本,由于正交試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)具有代表性強(qiáng)的特點(diǎn),因此選擇正交實(shí)驗(yàn)獲得的25組數(shù)據(jù)作為測(cè)試樣本。該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的迭代次數(shù)設(shè)為500,目標(biāo)誤差為4×10-5,學(xué)習(xí)率為1×10-2。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片清洗參數(shù)優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練性能曲線如圖3所示??梢钥闯?,在63次學(xué)習(xí)訓(xùn)練后,訓(xùn)練曲線比較光滑,沒(méi)有較大的起伏波動(dòng),因此該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有最佳的訓(xùn)練性能。
圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練性能曲線
由圖4測(cè)試樣本的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的比較可知,誤差較小均在1%的范圍內(nèi);決定系數(shù)R2值為0.984 5,接近于1,表明此模型的性能較好[11]。因此通過(guò)上述方法BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能較好,可以構(gòu)建出良好的輸入與輸出關(guān)系。
圖4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試
單一的遺傳算法容易陷入局部最優(yōu)以及過(guò)早收斂等問(wèn)題[12-13]。為解決上述問(wèn)題,得到最優(yōu)清洗參數(shù),本文采用模擬退火算法與改進(jìn)遺傳算法相結(jié)合的混合算法。首先使用SA對(duì)初始種群進(jìn)行處理,然后采用GA進(jìn)行對(duì)種群進(jìn)行選擇、交叉與變異,接著采用兩種混合算法往復(fù)使用的方式進(jìn)行尋優(yōu),直至達(dá)到種群收斂條件,最后輸出飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片清潔度最大的清洗參數(shù)。
SA與GA相結(jié)合的混合算法利用模擬退火算法的高效性、魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn),能夠有效克服遺傳算法的早期收斂的缺點(diǎn);同時(shí),遺傳算法可以克服模擬退火算法的收斂速度慢等缺點(diǎn)[14-15]。該混合算法能有效地提高局部搜索能力,同時(shí)防止早熟溢出,保證求解精度和收斂速度的要求,在多次運(yùn)行迭代之后,求解出最優(yōu)化參數(shù)。因此該混合算法能夠成功獲取發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片清潔度的最大值。流程設(shè)計(jì)如圖5所示。
圖5 SA-GA混合算法流程圖
其基本操作流程為:
(1) 編碼。采用浮點(diǎn)數(shù)編碼的方式,將各個(gè)參數(shù)進(jìn)行編碼。
(2) 種群初始化。設(shè)置個(gè)體參數(shù),將遺傳代數(shù)進(jìn)行初始化為0,設(shè)置種群規(guī)模大小為20,迭代次數(shù)為100。
(3) 模擬退火過(guò)程。此過(guò)程中對(duì)產(chǎn)生的新個(gè)體采用Metropolis接受準(zhǔn)則來(lái)確定[16],最后生成一個(gè)新的種群。此接受準(zhǔn)則如下:
(3)
式中:df為新的染色體適應(yīng)度與父染色體適應(yīng)度之差;t為控制參數(shù)。
(4) 選擇規(guī)則。采用輪盤(pán)賭法進(jìn)行選擇個(gè)體。設(shè)N為所有個(gè)體數(shù),則根據(jù)式(4)可以得到個(gè)體被選擇的概率。
(4)
式中:fit(i)為每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度。
(5) 交叉與變異。采用自適應(yīng)方式的交叉操作和變異操作:
(5)
(6)
式中:afit與fit(i)分別表示染色體的平均值以及第i個(gè)染色體的適應(yīng)值[17];Pc與Pm分別為此算法的交叉概率與變異概率。
(6) 目標(biāo)函數(shù)與適應(yīng)度函數(shù)。通過(guò)將由改進(jìn)遺傳算法產(chǎn)生的個(gè)體代入到構(gòu)建好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中,因此,選擇神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出作為目標(biāo)函數(shù),如式(7)所示。由于本文優(yōu)化最大清潔度值,所以可將目標(biāo)函數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù),如式(8)所示。
T(x)=sim(net,x)
(7)
F(x)=T(x)
(8)
式中:net為通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立好的模型;x為網(wǎng)絡(luò)輸入;T(x)、F(x)分別為目標(biāo)函數(shù)與適應(yīng)度函數(shù)。
通過(guò)使用如圖6所示的超聲波清洗設(shè)備進(jìn)行飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片清洗,此設(shè)備可調(diào)功率、頻率,且可以設(shè)定時(shí)間、溫度。采用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片填隙塊原件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
圖6 超聲波清洗設(shè)備
發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片清洗效果檢測(cè)采用圖像檢測(cè)方式。通過(guò)對(duì)輸入圖像處理以及圖像分析方式獲得清潔度大小。對(duì)于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片清潔度計(jì)算如下:
(9)
式中:S為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片清潔度;w為工件清洗后的平均灰度值;h為工件本身平均灰度值;p為工件清洗前的平均灰度值。
經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)對(duì)比,采用式(9)能更準(zhǔn)確地反映出飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的清潔度,為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片清洗效果自動(dòng)檢測(cè)提供理論和方法支持。
通過(guò)正交試驗(yàn)方法,采用極差分析,得到表2所示結(jié)果。
表2 正交試驗(yàn)結(jié)果
通過(guò)方差分析能夠確定正交試驗(yàn)下的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片清洗參數(shù)的最優(yōu)組合,結(jié)果如表3所示。
表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析表
根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)分析,影響飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片清洗效果的因素是頻率、功率密度、時(shí)間、溫度和距離。由于目標(biāo)為清潔度,數(shù)據(jù)越大,清洗效果越好,通過(guò)結(jié)合表2需要選擇每個(gè)因素均值的最大值對(duì)應(yīng)的水平。對(duì)于清洗距離而言,對(duì)比組合A3B4C5D1E3與組合A3B4C5D1E4,發(fā)現(xiàn)距離為20 cm時(shí)清洗效果更好。因此,最優(yōu)組合為A3B4C5D1E3即:頻率25 kHz、功率密度1.1 W/cm2,時(shí)間9 min,溫度20 ℃,距離20 cm。
通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)科研獲得飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片清潔度與各個(gè)清洗參數(shù)的模型。由正交試驗(yàn)獲取的參數(shù)可知,清洗時(shí)間、清洗溫度、清洗距離影響較小,因此在預(yù)測(cè)時(shí),可將其分別設(shè)為最佳水平值。將清洗時(shí)間、清洗溫度、清洗距離進(jìn)行等量細(xì)分,與清洗頻率和功率密度進(jìn)行組合,能夠得到10 000組輸入變量,將獲得變量帶入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中,得到如圖7所示的預(yù)測(cè)結(jié)果。通過(guò)結(jié)果輸出,可以得到采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為優(yōu)化模型下最佳清潔度為85.6%,對(duì)應(yīng)工藝參數(shù)為:頻率26 kHz,功率密度1.16 W/cm2,時(shí)間9 min,溫度20 ℃,距離20 cm。
圖7 BP映射結(jié)果
通過(guò)本文算法,得到如圖8所示的迭代次數(shù)與適應(yīng)度的關(guān)系曲線,經(jīng)過(guò)100次迭代尋優(yōu),在55代左右達(dá)到清潔度最大值。得到的超聲波清洗最優(yōu)參數(shù)為:頻率21 kHz,功率密度1.2 W/cm2,時(shí)間7 min,溫度38 ℃,距離16 cm。
圖8 迭代次數(shù)與適應(yīng)度的關(guān)系
在優(yōu)化后的清洗參數(shù)下進(jìn)行飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片清洗實(shí)驗(yàn),得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示,本文算法的清洗效果優(yōu)于正交試驗(yàn)以及正交試驗(yàn)結(jié)合BP算法。為確保實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性,對(duì)清潔度進(jìn)行計(jì)算,優(yōu)化結(jié)果比較如表5所示,本文算法的清洗時(shí)間比已有算法縮短了2 min,避免了資源浪費(fèi),且優(yōu)化后的清潔度可以達(dá)到92%以上,提高了飛機(jī)飛行的安全系數(shù)。因此通過(guò)對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)采用該混合算法大大提升了清洗效果,有效提高了清洗效率。
表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)照
表5 優(yōu)化結(jié)果比較
本文對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片清洗方式進(jìn)行了研究,采用超聲波清洗方式代替人工清洗,并分析了影響其清洗效果的因素。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合SA與GA的混合算法對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片清洗參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,提出清潔度計(jì)算算法。通過(guò)分析以及實(shí)驗(yàn)得到如下結(jié)論:
(1) 影響飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片清洗效果主要因素為清洗頻率、清洗功率、清洗時(shí)間、清洗溫度、清洗距離。
(2) 對(duì)比采用正交試驗(yàn)以及BP-SA-GA方法得到的清洗參數(shù)可知,采用BP與SA-GA混合算法優(yōu)化能夠準(zhǔn)確得到全局最優(yōu)解,其優(yōu)化后的清洗工藝參數(shù)組合為:頻率21 kHz,功率密度1.2 W/cm2,時(shí)間7 min,溫度38 ℃,距離16 cm。
優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證了該方法能夠有效地進(jìn)行飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片清洗參數(shù)的優(yōu)化,提高工作效率,提升機(jī)務(wù)維修的智能化水平,對(duì)于機(jī)務(wù)人員清洗發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片有很重要的指導(dǎo)作用。