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        穩(wěn)恒磁場(chǎng)作用下摩擦制動(dòng)尖叫發(fā)生率及其預(yù)測(cè)分析*

        2023-07-29 10:59:18鮑久圣曹靖雨董慧麗
        潤(rùn)滑與密封 2023年7期
        關(guān)鍵詞:磁場(chǎng)模型

        劉 程 鮑久圣 陰 妍 曹靖雨 董慧麗

        (中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 江蘇徐州 221116)

        制動(dòng)噪聲不僅是困擾世界各大車企的難題,而且也是一個(gè)學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和重要技術(shù)難點(diǎn)[1-4]。眾多學(xué)者對(duì)制動(dòng)噪聲的產(chǎn)生與抑制進(jìn)行了大量的研究,如王安宇等[5]研究了不同粗糙度下的摩擦噪聲特性;董慧麗等[6]發(fā)現(xiàn)制動(dòng)尖叫聲壓與摩擦副表面的溝壑與黏著程度呈正相關(guān)關(guān)系。近年來(lái)磁場(chǎng)摩擦學(xué)研究表明,磁場(chǎng)可改善摩擦表面特性,具有穩(wěn)定摩擦因數(shù)、調(diào)節(jié)表面粗糙度、降低表面磨損狀態(tài)等作用[7-10]。AMIRAT等[11]、HIRATSUKA[12]認(rèn)為穩(wěn)恒磁場(chǎng)能夠促進(jìn)磨屑的氧化,使材料表面的嚴(yán)重磨損變?yōu)檩p微磨損;鮑久圣等[13]發(fā)現(xiàn)在交變磁場(chǎng)中,低頻磁場(chǎng)抑制噪聲,高頻磁場(chǎng)卻促進(jìn)制動(dòng)噪聲的產(chǎn)生;徐敬業(yè)[14]認(rèn)為磁場(chǎng)能夠主動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦界面噪聲的抑制;BAO等[15]發(fā)現(xiàn)摩擦副的摩擦因數(shù)及穩(wěn)定系數(shù)會(huì)隨著穩(wěn)恒磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大。由上可知,磁場(chǎng)不僅對(duì)摩擦磨損行為具有重要影響,而且也會(huì)影響制動(dòng)噪聲的產(chǎn)生,然而目前對(duì)磁場(chǎng)與制動(dòng)尖叫關(guān)系的研究尚較少涉及。因此,研究磁場(chǎng)環(huán)境下制動(dòng)尖叫的特性及作用機(jī)制,對(duì)于探索發(fā)展基于磁場(chǎng)的制動(dòng)器減振降噪技術(shù)具有重要的理論意義。

        本文作者選用摩擦制動(dòng)器聲-振試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行制動(dòng)試驗(yàn),根據(jù)得到的制動(dòng)尖叫與磁場(chǎng)參數(shù)之間的試驗(yàn)結(jié)果,建立磁場(chǎng)與制動(dòng)尖叫發(fā)生率之間的非線性映射模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)尖叫發(fā)生率的有效預(yù)測(cè);同時(shí)進(jìn)一步研究磁場(chǎng)對(duì)制動(dòng)尖叫的影響趨勢(shì),并將預(yù)測(cè)模型應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中,為今后基于磁場(chǎng)的制動(dòng)器制動(dòng)尖叫智能調(diào)控奠定重要的理論基礎(chǔ)。

        1 試驗(yàn)部分

        為了得到磁場(chǎng)對(duì)制動(dòng)尖叫行為的影響規(guī)律,以汽車實(shí)際使用最為廣泛的盤式制動(dòng)器為研究對(duì)象,采用臺(tái)架試驗(yàn)法,利用盤式制動(dòng)器摩擦聲-振試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行模擬制動(dòng)試驗(yàn),研究穩(wěn)恒磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化與制動(dòng)尖叫發(fā)生率之間的映射關(guān)系。

        1.1 試驗(yàn)裝置

        盤式制動(dòng)器摩擦聲-振試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、慣量載荷系統(tǒng)、液壓制動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、摩-磁復(fù)合制動(dòng)器和臺(tái)架等六大部分組成。制動(dòng)初速度的大小由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)和變頻器進(jìn)行控制,汽車的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量通過(guò)慣量載荷系統(tǒng)中的飛輪進(jìn)行模擬,液壓系統(tǒng)通過(guò)液壓站提供制動(dòng)時(shí)需要的壓力,測(cè)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)制動(dòng)壓力、摩擦轉(zhuǎn)矩、主軸轉(zhuǎn)速以及聲振信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)GB-DTS扭矩傳感器對(duì)摩擦轉(zhuǎn)矩進(jìn)行監(jiān)測(cè),且摩擦因數(shù)可以通過(guò)計(jì)算得出;采用AWA-14421型聲學(xué)傳感器和CT1010L ICP/IEPE加速度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)聲振信號(hào)的監(jiān)測(cè),并通過(guò)恒流適配器對(duì)聲振信號(hào)進(jìn)行放大和濾波,通過(guò)型號(hào)為NIMCC1608G的數(shù)據(jù)采集卡采集、顯示和記錄數(shù)據(jù);摩-磁復(fù)合制動(dòng)器中的摩擦片為根據(jù)文獻(xiàn)[16]的汽車磁性剎車片配方,按照汽車剎車片實(shí)際形狀尺寸,經(jīng)混料、熱壓成型和熱處理制備得到。制備的導(dǎo)磁有機(jī)摩擦片如圖2所示,其組成成分與含量列于表1中。制動(dòng)盤材料選擇HT250,其直徑為300 mm,厚度為20 mm。為了保證制動(dòng)過(guò)程中剎車片與制動(dòng)盤充分的接觸,在試驗(yàn)前對(duì)制備的導(dǎo)磁有機(jī)摩擦片進(jìn)行了初磨,無(wú)其他特殊處理。

        表1 導(dǎo)磁有機(jī)摩擦片的組成成分及含量

        圖1 摩擦制動(dòng)器聲-振試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)原理

        圖2 導(dǎo)磁有機(jī)摩擦片

        為滿足研究在磁場(chǎng)干預(yù)下制動(dòng)尖叫發(fā)生率試驗(yàn)的需求,需要對(duì)常用的摩擦制動(dòng)器進(jìn)行改造。如圖3所示,改造后的摩擦制動(dòng)器具有磁場(chǎng)加載系統(tǒng),能夠保證摩擦片與摩擦盤的工作區(qū)處于可控的磁場(chǎng)環(huán)境中。為保證制動(dòng)器的穩(wěn)定性與可靠性,將繞有勵(lì)磁線圈的骨架固定在一根鐵芯上,兩鐵芯的兩端各連接一個(gè)背板,將它們構(gòu)成的整體對(duì)稱地安裝在制動(dòng)盤的兩側(cè),線圈通入電流后,可實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的精確調(diào)節(jié)。圖4為磁場(chǎng)施加方向的示意圖。

        圖3 摩擦制動(dòng)器磁場(chǎng)加載系統(tǒng)

        1.2 試驗(yàn)方案

        制動(dòng)尖叫受到很多因素的影響,其是一個(gè)十分復(fù)雜的現(xiàn)象并且涉及的學(xué)科也很廣泛[16],并非制動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)尖叫。制動(dòng)尖叫為在人耳可以聽到范圍內(nèi)的高頻噪聲(1~16 kHz)[17],制動(dòng)尖叫的產(chǎn)生與制動(dòng)壓力、制動(dòng)初速度以及制動(dòng)時(shí)間存在一定的映射關(guān)系。除此之外,磁場(chǎng)環(huán)境其獨(dú)有的磁屬性會(huì)對(duì)制動(dòng)尖叫造成不同程度的影響。文中利用制動(dòng)尖叫發(fā)生率來(lái)反映噪聲整體的強(qiáng)度與特征。制動(dòng)尖叫發(fā)生率為制動(dòng)過(guò)程中尖叫發(fā)生的頻率[18]。文中制動(dòng)尖叫發(fā)生率是同樣工況下多次連續(xù)制動(dòng)產(chǎn)生制動(dòng)尖叫的次數(shù),其計(jì)算公式如下:

        式中:Na為連續(xù)制動(dòng)的制動(dòng)次數(shù);Nsq為制動(dòng)尖叫在試驗(yàn)中出現(xiàn)的次數(shù);Occ為制動(dòng)尖叫發(fā)生率。

        1.2.1 制動(dòng)工況參數(shù)

        針對(duì)目前的試驗(yàn)臺(tái)架,根據(jù)美國(guó)機(jī)車工程協(xié)會(huì)噪聲測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)SAE-J2521和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 5763—2008《汽車制動(dòng)器襯片》等有關(guān)規(guī)定,摩擦性能試驗(yàn)中制動(dòng)壓力為0.98 MPa,且結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)液壓泵站提供的制動(dòng)壓力取值范圍,取其值為0.5、0.75、1.0、1.25、1.5、1.75、2 MPa。文中選取制動(dòng)初速度范圍為3~55 km/h,按式(2)計(jì)算其相對(duì)應(yīng)制動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速,具體數(shù)值如表2所示。

        式中:n為轉(zhuǎn)速,r/min;v為制動(dòng)初速度,km/h;R為制動(dòng)盤半徑,R=150 mm。

        為排除溫度、濕度等環(huán)境因素的影響,將制動(dòng)試驗(yàn)前制動(dòng)盤的試驗(yàn)溫度設(shè)定為T≈26 ℃,其相對(duì)濕度設(shè)定為(60±10)%。

        根據(jù)選取的制動(dòng)工況,采用交叉法進(jìn)行組合,在沒(méi)有施加磁場(chǎng)的條件下共進(jìn)行了42組試驗(yàn)。在制動(dòng)初速度較低以及制動(dòng)壓力較大時(shí)更容易發(fā)生制動(dòng)尖叫,且制動(dòng)噪聲的聲壓級(jí)也高[19]。故選取表3中所示的6種典型制動(dòng)工況,對(duì)其進(jìn)行磁場(chǎng)作用下的試驗(yàn)研究。為提高噪聲測(cè)量結(jié)果的精度,每組試驗(yàn)都制動(dòng)20次,且制動(dòng)的時(shí)間間隔為30 s,每種制動(dòng)工況都進(jìn)行5組試驗(yàn),最后取其平均值。

        表3 典型制動(dòng)工況

        1.2.2 磁場(chǎng)參數(shù)

        試驗(yàn)選擇通過(guò)直流電源產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場(chǎng),研究直流穩(wěn)恒磁場(chǎng)對(duì)制動(dòng)尖叫的影響規(guī)律,并與無(wú)磁場(chǎng)下的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)改變磁場(chǎng)加載裝置通入電流的大小,可準(zhǔn)確調(diào)節(jié)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小,研究磁感應(yīng)強(qiáng)度變化對(duì)制動(dòng)尖叫發(fā)生率的影響。通過(guò)對(duì)磁場(chǎng)加載裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析,得到磁感應(yīng)強(qiáng)度可分為5個(gè)等級(jí),如表4所示。

        表4 磁感應(yīng)強(qiáng)度試驗(yàn)參數(shù)

        1.3 試驗(yàn)結(jié)果

        圖5是6種典型制動(dòng)工況在不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下進(jìn)行試驗(yàn)所獲得的制動(dòng)尖叫發(fā)生率??梢钥闯觯捍艌?chǎng)對(duì)制動(dòng)尖叫發(fā)生率有明顯的抑制作用,當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度小于等于0.24 T時(shí),不同制動(dòng)工況下的制動(dòng)尖叫發(fā)生率都會(huì)隨著施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加而降低。磁場(chǎng)對(duì)制動(dòng)尖叫發(fā)生率的抑制效果與磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小有關(guān),在磁感應(yīng)強(qiáng)度較低時(shí)抑制效果不明顯,從圖中可以看出,當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度小于0.06 T時(shí),所有制動(dòng)工況的制動(dòng)尖叫發(fā)生率均只有小幅度的變化,尤其是制動(dòng)工況1在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.06 T時(shí)制動(dòng)尖叫發(fā)生率基本沒(méi)有變化。但是隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增強(qiáng),制動(dòng)尖叫發(fā)生率最大可降低17%左右。造成這種趨勢(shì)的主要原因是磁場(chǎng)對(duì)磨屑有一定的吸引作用[14],當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度小于一定的閾值時(shí),磁場(chǎng)對(duì)磨屑的吸引力較小,幾乎沒(méi)有影響,摩擦材料的表面并不能得到明顯的改善,因此,磁場(chǎng)對(duì)制動(dòng)尖叫發(fā)生率的抑制效果不明顯。但是隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的不斷增大,摩擦材料的表面會(huì)吸附更多的磨屑,磨屑被細(xì)化成更小的顆粒,且磁場(chǎng)會(huì)促進(jìn)磨屑的氧化[20],使磨屑均勻地分布在摩擦材料的表面,此時(shí)的磨屑充當(dāng)固體潤(rùn)滑劑,使摩擦表面特性得到改善從而抑制了制動(dòng)尖叫的發(fā)生率。

        圖5 制動(dòng)尖叫發(fā)生率隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化曲線

        2 磁場(chǎng)作用下制動(dòng)尖叫發(fā)生率預(yù)測(cè)分析

        由上述試驗(yàn)結(jié)果可知,磁場(chǎng)對(duì)制動(dòng)尖叫發(fā)生率具有抑制效果。所以磁場(chǎng)與制動(dòng)尖叫發(fā)生率之間存在著一定的映射關(guān)系。為了進(jìn)一步探究磁場(chǎng)與制動(dòng)尖叫發(fā)生率之間的映射關(guān)系,利用深度學(xué)習(xí)算法來(lái)建立制動(dòng)尖叫發(fā)生率的預(yù)測(cè)模型,并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行驗(yàn)證與優(yōu)化,進(jìn)而保證預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

        2.1 預(yù)測(cè)模型的建立

        選用的深度學(xué)習(xí)模型是具備良好記憶能力的長(zhǎng)短時(shí)記憶(Long-Short Term Memory,LSTM)網(wǎng)絡(luò)。LSTM可根據(jù)時(shí)間尺度對(duì)自循環(huán)中數(shù)據(jù)的比重進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,適用于解決制動(dòng)尖叫發(fā)生率非線性參數(shù)的預(yù)測(cè)問(wèn)題。圖6所示為長(zhǎng)短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。

        圖6 LSTM結(jié)構(gòu)示意

        LSTM與傳統(tǒng)的RNN模型相比,增加了3個(gè)門控機(jī)制,分別為遺忘門、輸入門、輸出門。通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制3個(gè)門的開啟和關(guān)閉,增加重要信息的權(quán)重,過(guò)濾掉過(guò)時(shí)的信息,解決梯度爆炸和消失的問(wèn)題。

        各個(gè)門結(jié)構(gòu)的計(jì)算公式為

        遺忘門

        ft=σ(Wf[ht-1,xt]+bf)

        (3)

        輸入門

        it=σ(Wi[ht-1,xt]+bi)

        (4)

        狀態(tài)更新

        輸出門

        ot=σ(Wo[ht-1,xt]+bo)

        (8)

        ht=ottanh(ct)

        (9)

        制動(dòng)尖叫發(fā)生率的預(yù)測(cè)模型構(gòu)建流程主要有數(shù)據(jù)集的選擇、數(shù)據(jù)集預(yù)處理、LSTM模型的參數(shù)設(shè)置、LSTM模型的訓(xùn)練及預(yù)測(cè)、預(yù)測(cè)結(jié)果的檢驗(yàn)等。預(yù)測(cè)模型流程如圖7所示。

        圖7 預(yù)測(cè)模型流程

        2.1.1 數(shù)據(jù)集的選擇

        將不同制動(dòng)初速度(10、20 km/h)、不同制動(dòng)壓力(1.25、1.5、1.75 MPa)和不同磁感應(yīng)強(qiáng)度(0、0.06、0.12、0.18、0.24 T)采用交叉法進(jìn)行組合可得30種制動(dòng)工況下的制動(dòng)尖叫試驗(yàn)。每種工況采用上述相同的試驗(yàn)方案,重復(fù)進(jìn)行80次,以其中27種工況的2 160個(gè)數(shù)據(jù)為訓(xùn)練樣本,其余3種工況(v0=10 km/h、p=1.25 MPa、B=0.18 T,v0=10 km/h、p=1.25 MPa、B=0.24 T,v0=20 km/h、p=1.25 MPa、B=0.24 T)的240個(gè)數(shù)據(jù)為檢驗(yàn)樣本。制動(dòng)尖叫預(yù)測(cè)模型的輸入樣本為制動(dòng)初速度、制動(dòng)壓力以及磁感應(yīng)強(qiáng)度,輸入層的節(jié)點(diǎn)數(shù)為3;輸出樣本為制動(dòng)尖叫發(fā)生率,輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù)為1。

        2.1.2 數(shù)據(jù)集預(yù)處理

        在訓(xùn)練模型之前,需要先對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行整理。因?yàn)檩斎霕颖局杏兄苿?dòng)壓力、制動(dòng)初速度與磁感應(yīng)強(qiáng)度3個(gè)不同的物理量,而且樣本數(shù)據(jù)之間也有很大的不同,對(duì)模型的可靠性及收斂速度有很大的影響,故將輸入數(shù)據(jù)集中的每個(gè)元素按照公式(10),進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,也叫做去中心化加方差縮放,通過(guò)把一組數(shù)據(jù)的均值變成0,方差變?yōu)?,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的縮放。標(biāo)準(zhǔn)化處理的數(shù)學(xué)公式如下:

        式中:μ為數(shù)據(jù)的均值;δ為數(shù)據(jù)的方差。

        2.1.3 LSTM模型參數(shù)的確定

        LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的精度受隱藏層數(shù)的影響,隱藏層數(shù)越多模型的精度就越高,但層數(shù)過(guò)多會(huì)增加計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間。隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)也影響模型的精度,節(jié)點(diǎn)數(shù)過(guò)少會(huì)使數(shù)據(jù)特征學(xué)習(xí)不足,過(guò)多則會(huì)導(dǎo)致“過(guò)擬合”。通過(guò)多次試驗(yàn)選定隱藏層數(shù)為2,節(jié)點(diǎn)數(shù)為50。學(xué)習(xí)速率決定了模型的運(yùn)算速度,學(xué)習(xí)速率過(guò)小會(huì)延長(zhǎng)訓(xùn)練時(shí)間,降低收斂速度,過(guò)大會(huì)在最優(yōu)解處出現(xiàn)震蕩但不收斂。文中試驗(yàn)先選用較大的學(xué)習(xí)速率進(jìn)行試驗(yàn),然后再降低學(xué)習(xí)速率,最終找到最優(yōu)的學(xué)習(xí)速率為0.001。

        文中選擇的優(yōu)化算法為Adam,在訓(xùn)練的過(guò)程中Adam會(huì)隨著數(shù)據(jù)的改變而不斷地更新權(quán)重[21-22]。損失函數(shù)MSE是回歸損失函數(shù)中最常用的誤差。結(jié)合以上試驗(yàn)確定的各個(gè)參數(shù),各層對(duì)應(yīng)的具體參數(shù)如表5所示。

        表5 LSTM網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)

        2.2 預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證

        為了確保預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性,通過(guò)檢驗(yàn)樣本對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行驗(yàn)證。由于檢驗(yàn)樣本的數(shù)據(jù)具有局限性,為了從驗(yàn)證的全面性角度出發(fā),結(jié)合實(shí)際制動(dòng)工況,擴(kuò)大試驗(yàn)的工況樣本范圍,再通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行驗(yàn)證及優(yōu)化。

        2.2.1 樣本檢驗(yàn)

        圖8所示為通過(guò)檢驗(yàn)樣本對(duì)制動(dòng)尖叫發(fā)生率預(yù)測(cè)模型檢驗(yàn)得到的結(jié)果??芍?,在檢驗(yàn)得到的結(jié)果中,預(yù)測(cè)值都在制動(dòng)尖叫發(fā)生率實(shí)際值的最大與最小值之間,且與試驗(yàn)平均值相差不大,達(dá)到了較為理想的區(qū)間范圍。圖8(a)中的制動(dòng)尖叫發(fā)生率預(yù)測(cè)值(23.06%)高于圖8(b)中的預(yù)測(cè)值(20.61%),符合制動(dòng)尖叫發(fā)生率隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大而降低的規(guī)律;圖8(b)中的制動(dòng)尖叫發(fā)生率預(yù)測(cè)值(20.61%)高于圖8(c)的制動(dòng)尖叫發(fā)生率預(yù)測(cè)值(19.34%),也符合制動(dòng)初速度越低制動(dòng)尖叫發(fā)生率就越高的規(guī)律。由此可見,該模型對(duì)制動(dòng)尖叫發(fā)生率的預(yù)測(cè)是比較準(zhǔn)確的。

        圖8 檢驗(yàn)樣本的制動(dòng)尖叫發(fā)生率

        Fig.8 The incidence of brake squeal of the test samples:(a)10 km/h,1.25 MPa,0.18 T;

        (b)10 km/h,1.25 MPa,0.24 T;(c)20 km/h,1.25 MPa,0.24 T

        2.2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

        檢驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)遠(yuǎn)不足以涵蓋實(shí)際制動(dòng)過(guò)程中的制動(dòng)工況。為了保證模型的準(zhǔn)確性,通過(guò)試驗(yàn)對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)一步驗(yàn)證,故擴(kuò)大工況樣本范圍對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證,從而深入探究不同制動(dòng)工況下磁場(chǎng)對(duì)制動(dòng)尖叫發(fā)生率的影響趨勢(shì)。

        利用上述的預(yù)測(cè)模型開展試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。結(jié)合真實(shí)制動(dòng)過(guò)程,選取的試驗(yàn)參數(shù)是制動(dòng)初速度為5 km/h,制動(dòng)壓力分別為1.5和1.75 MPa,共為2種制動(dòng)工況。為進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)其磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)制動(dòng)尖叫發(fā)生率影響的規(guī)律,找到可完全抑制噪聲的磁場(chǎng)參數(shù),可進(jìn)一步增大磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè),故選取0、0.12、0.24、0.48、0.6、0.72 T進(jìn)行試驗(yàn)。

        為降低其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾,每組開展20次制動(dòng)試驗(yàn),且每組試驗(yàn)重復(fù)5次,取其平均值。將試驗(yàn)產(chǎn)生的制動(dòng)尖叫發(fā)生率的實(shí)際值與其預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,進(jìn)一步驗(yàn)證了所建立的預(yù)測(cè)模型的效果,試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

        表6 LSTM制動(dòng)尖叫預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與偏差

        由表6可知,當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度大于等于0.6 T時(shí)模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的偏差比較大,當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度小于0.6 T時(shí)模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的偏差率都不超過(guò)10%,并且施加磁場(chǎng)時(shí)的制動(dòng)尖叫發(fā)生率都比沒(méi)有施加磁場(chǎng)時(shí)的低。由此可初步推測(cè),當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度大于等于0.6 T時(shí),磁場(chǎng)對(duì)制動(dòng)尖叫發(fā)生率的影響規(guī)律發(fā)生了一些變化。但是,目前的預(yù)測(cè)模型沒(méi)有包含這些變化,即模型在訓(xùn)練集之外的泛化能力較差,導(dǎo)致誤差較大。因此,為進(jìn)一步提高模型的準(zhǔn)確率,將表6中磁感應(yīng)強(qiáng)度大于等于0.6 T的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)添加進(jìn)模型的訓(xùn)練樣本,重新對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練。然后重新預(yù)測(cè)制動(dòng)初速度為5 km/h、制動(dòng)壓力分別為1.5和1.75 MPa時(shí)的制動(dòng)尖叫發(fā)生率的輸出值,結(jié)果如圖9所示。

        圖9 新訓(xùn)練模型預(yù)測(cè)的制動(dòng)尖叫發(fā)生率

        從圖9可知,重新訓(xùn)練后的模型,在磁感應(yīng)強(qiáng)度大于等于0.6 T時(shí),預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合??傮w來(lái)說(shuō),建立的基于磁場(chǎng)的制動(dòng)尖叫發(fā)生率的預(yù)測(cè)模型,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同磁場(chǎng)下制動(dòng)尖叫發(fā)生率的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

        在磁感應(yīng)強(qiáng)度大于0.5 T之后,制動(dòng)尖叫發(fā)生率基本穩(wěn)定在5%,推測(cè)其原因?yàn)椋捍艌?chǎng)提供的磁吸力對(duì)磨屑的影響達(dá)到極限,其磁場(chǎng)對(duì)摩擦制動(dòng)器的能量饋入趨于穩(wěn)定,進(jìn)而使得制動(dòng)尖叫不再具有明顯下降趨勢(shì)。為進(jìn)一步驗(yàn)證其原因,新的摩擦片,再次開展制動(dòng)初速度為5 km/h、制動(dòng)壓力為1.5 MPa、磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為0.24、0.48、0.6、0.72 T條件下的連續(xù)制動(dòng)試驗(yàn),用掃描電子顯微鏡(SEM)記錄摩擦表面微觀形貌的照片,其結(jié)果如圖10所示。

        圖10 v0=5 km/h,p=1.5 MPa時(shí)不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下的SEM照片

        從圖10可知,當(dāng)B=0.24 T時(shí)摩擦表面的磨損程度明顯比其他3個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度下的嚴(yán)重,并且當(dāng)B=0.48 T、B=0.60 T和B=0.72 T時(shí)摩擦表面的磨損狀態(tài)基本一致。該現(xiàn)象間接表明了磁感應(yīng)強(qiáng)度增加到一定閾值后,對(duì)摩擦磨損特性影響程度接近飽和,磁場(chǎng)對(duì)摩擦制動(dòng)器的能量饋入趨于穩(wěn)定,使制動(dòng)尖叫發(fā)生率不再顯著降低。

        2.3 預(yù)測(cè)模型的應(yīng)用

        利用優(yōu)化后的預(yù)測(cè)模型對(duì)其他制動(dòng)工況下磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)制動(dòng)尖叫發(fā)生率影響趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。為了滿足實(shí)際應(yīng)用,磁感應(yīng)強(qiáng)度的選擇不再受限于試驗(yàn)條件,同時(shí)選取任意制動(dòng)初速度與制動(dòng)壓力進(jìn)行預(yù)測(cè)。其中以初始制動(dòng)速度為45 km/h,制動(dòng)壓力為1.5、1.75 MPa為例,采用制動(dòng)尖叫發(fā)生率的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了預(yù)測(cè),試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

        圖11 磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)制動(dòng)尖叫發(fā)生率的影響趨勢(shì)

        從圖11可以看出,2種工況下,制動(dòng)尖叫發(fā)生率隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加先下降后逐漸變得平穩(wěn),基本穩(wěn)定在8%左右。磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)制動(dòng)尖叫發(fā)生率的影響趨勢(shì)與5 km/h基本一致。除此之外,制動(dòng)尖叫發(fā)生率趨于穩(wěn)定的磁感應(yīng)強(qiáng)度閾值與制動(dòng)初速度為5 km/h相比略微有所增加。由上可得,該預(yù)測(cè)模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同制動(dòng)工況下制動(dòng)尖叫發(fā)生率的精確預(yù)測(cè),為以后研究在磁場(chǎng)作用下制動(dòng)器制動(dòng)尖叫的智能調(diào)控奠定了重要的理論基礎(chǔ)。

        3 結(jié)論

        (1)在試驗(yàn)參數(shù)的范圍內(nèi),穩(wěn)恒磁場(chǎng)對(duì)制動(dòng)尖叫有明顯的抑制作用,且磁感應(yīng)強(qiáng)度越大對(duì)制動(dòng)尖叫發(fā)生率的抑制效果越明顯,但是當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到一定閾值后,制動(dòng)尖叫發(fā)生率趨于穩(wěn)定,不再顯著降低。

        (2)利用LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的制動(dòng)尖叫發(fā)生率預(yù)測(cè)模型得到的預(yù)測(cè)值,與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,表明建立的基于磁場(chǎng)的制動(dòng)尖叫發(fā)生率的預(yù)測(cè)模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)尖叫發(fā)生率的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

        (3)利用預(yù)測(cè)模型進(jìn)一步分析了在更寬范圍內(nèi)穩(wěn)恒磁場(chǎng)對(duì)制動(dòng)尖叫發(fā)生率的影響規(guī)律,預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致,即制動(dòng)尖叫發(fā)生率隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)而降低,并逐漸趨于穩(wěn)定,但不同制動(dòng)工況下制動(dòng)尖叫發(fā)生率達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的磁感應(yīng)強(qiáng)度不同。

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