0 引　言

液压系统在船舶运输货物中发挥着重要作用，但是由于液压系统工作环境复杂，在高盐分、高湿度的复杂环境工作导致液压系统非常容易出现故障。液压马达是液压系统的关键组成部分，且有大约三成的液压系统故障都是由液压马达的故障引发，但是传统的液压马达测试系统无法满足当前液压马达型号众多、尺寸多样的要求，因而设计出一款通用型号液压马达测试系统具有非常重要的意义。

目前国内很多船舶的液压马达测试依然依靠半人工进行测试和维修，这种方案虽然在很大程度上已经摆脱了依靠现场维修人员经验，但在实际应用中仍然受到非常大的限制，不仅费时费力，且测试结果还容易出错。液压马达的测试近年来一直是研究热点，研究方向主要包括测试系统的研发、故障诊断模型，张翔等^[1]开发了一套多功能的液压马达测试系统，该系统具备对不同型号和规格的液压马达进行性能评估的能力，并设计了一个通用的液压马达测试平台，包括了连接支架、转速和扭矩测量设备的选择、负载系统的构建、油箱的设计以及油路的优化。通过对这些设计参数进行了详细的计算分析，并通过有限元方法进行验证，以确保测试系统的准确性和可靠性。李涛等^[2]提出使用液压马达的振动信号作为原始数据来判断故障来源，通过分析振动信号特征，使用深度卷积神经网络进行训练后，提高了故障判断准确率。高谦等^[3]提出一种基于T-S模糊神经网络的液压马达故障诊断方法，扩展了液压马达故障的诊断范围。本文在此基础上对船舶机械液压系统中液压马达测试的要求和特点进行分析，并在此基础上建立了基于深度神经网络的船舶通用液压马达测试系统，通过建立一定数量的液压马达故障训练集实现对系统的初始训练，最终实现对液压马达的准确测试。

1 液压马达测试系统的设计 1.1 液压马达结构

图1为液压马达结构，其工作过程如下：液压泵产生的液压油通过压力口进入液压马达，同时，液压马达的吸入口吸入低压油。进入液压马达的高压油作用于马达内部的活塞或其他工作元件，产生推动力。这个力推动活塞或其他工作元件在缸体内往复运动^[4]。

活塞或其他工作元件的往复运动通过连杆、驱动齿轮和驱动轴转换成旋转运动，从而驱动机械设备工作。完成工作后的液压油从液压马达的另一端流出，返回到液压系统的油箱中，形成一个闭合的循环。在整个过程中，密封件和外壳密封确保液压油不会泄漏，同时防止污染物进入马达内部。安装法兰和衬套为液压马达提供稳定的支撑和安装方式，确保马达可以安全、可靠地工作。

1.2 系统整体设计

船用机械液压系统中液压马达的全面测试包括容积效率、空载排量、总效率、密封性、超载性等内容。测试系统包括液压泵站、传感器及测试仪表、负载模拟装置、数据采集及分析、控制模块、安全保护装置等。通过这些组成部分的协同工作，液压马达测试系统能够全面评估液压马达的性能，为液压马达的设计、制造和维护提供科学依据^[5]。图2为设计的液压马达测试系统结构。液压马达测试系统包括数据采集与控制和测试装置。数据采集与控制包括测试仪表与传感器、数据采集与分析以及控制模块，测试装置包括液压泵、负载模拟装置以及安全保护装置。

液压马达测试系统各个模块的功能主要如下：

1）液压泵

液压泵作为测试系统的核心部分，其主要任务是将输入的机械能转换为液体的压力能，为液压马达提供必要的动力。这一环节的稳定性和调节能力直接关系到整个测试过程的准确性和可靠性。液压泵站必须确保提供充足的流量和恰当的压力，以便在多种工况下对液压马达进行全面测试。

2）测试仪表与传感器

测试仪表和传感器在液压马达测试系统中扮演着数据采集者的角色。它们负责精确测量液压系统的关键参数，如压力、流量、温度以及液压马达的性能参数（如转速和扭矩）。这些数据是评估液压马达性能的基础，能够帮助技术人员对液压马达的工作状态进行细致的分析和准确的判断。测试仪表与传感器是液压马达测试系统的关键组成部分，主要是通过在液压马达上设置不同类型的传感器，包括转速传感器、压力传感器、加速度传感器等，并将获取的数据进行A/D转换后传输到数据采集与分析模块，从而获取当前液压马达的健康程度^[6]。

3）负载模拟装置

负载模拟装置的作用是模拟液压马达在实际工作中可能遇到的各种负载条件。通过这种方式，可以对液压马达在不同负载下的性能进行测试，从而评估其在真实工作环境中的性能表现和可靠性。这一装置的应用使得测试环境更加贴近实际应用场景，为液压马达的实际应用提供了有力的性能支持，这一功能主要通过负载马达来实现。

4）数据采集与分析

数据采集与分析是液压马达测试系统中不可或缺的一部分。它们负责收集测试过程中产生的所有数据，并通过专用软件进行处理和分析，最终生成详尽的测试报告。这一过程将复杂的数据转换为易于理解的图表和报告，极大地方便了技术人员的分析工作和决策制定。

5）控制模块

控制模块在液压马达测试系统中起到指挥和协调的作用。它负责控制测试过程中的各个环节，包括启动和停止液压泵站、调节负载模拟装置的状态，以及管理数据采集的开始和结束。通过精确的控制，控制模块确保了测试过程的顺利进行，并有助于保证测试结果的准确性和一致性。

6）安全保护装置

安全保护装置在液压马达测试系统中提供了必要的安全保障。其作用是在测试过程中预防和处理各种潜在的危险情况，例如压力异常或温度过高等。这一装置对于保护测试人员和设备的安全至关重要，能够在出现异常情况时及时进行干预，防止事故发生。

2 系统详细设计及测试 2.1 负载模拟装置设计

对船舶机械液压系统中液压马达测试系统中的负载模拟装置进行详细设计，负载模拟装置是一种用于模拟实际工作中船舶机械液压设备所承受的负载条件的设备。在液压系统中，负载模拟装置尤为重要，因为它可以模拟液压马达或泵在实际操作中遇到的各种负载情况，从而评估和测试液压系统的性能。设计的负载模拟装置结构如图3所示，能够完成对各种类型负载模拟、力矩控制、动态响应模拟等测试。

1）各种类型负载模拟

负载模拟装置能够模拟不同类型的负载，如恒定负载、变化负载、冲击负载等。这些负载类型对应着实际应用中的多种工况，例如恒速运行、变速运行、启动和制动过程等。

2）力矩控制

在船舶液压马达测试系统中，负载模拟装置通常通过控制液压马达或泵的输出扭矩来模拟负载。这可以通过改变液压油的压力或流量来实现，从而调整马达或泵的负载。

3）动态响应模拟

负载模拟装置不仅能够模拟静态负载，还能够模拟动态负载变化。这意味着它可以在测试过程中快速改变负载，以评估液压系统对负载变化的响应能力。

现代负载模拟装置通常配备有反馈控制系统。这些系统可以实时监测液压系统的工作状态，如压力、流量、温度等，并根据预设的参数或实时的变化来调整负载，确保测试的准确性和可靠性。

同时本文设计的液压马达测试系统为了适应船舶不同型号液压马达的测试需求，负载模拟装置通常设计成可调的，且可调范围较大，用户可以根据测试目标调整负载的大小、类型和变化速率等参数。

2.2 基于深度神经网络的液压马达故障测试流程

船舶液压马达测试系统获取的数据都是孤立的传感器数据，包括转速、流量、扭矩、压力等，船舶维修人员并不能根据这些单一的数据来判断出液压马达的健康状况，而是要将这些数据进行汇总，根据经验进行判断，因而在实践中存在非常大的局限性。该模型能够准确地识别和预测系统故障，提高系统的可靠性和安全性。其基本流程如下：

步骤1　数据采集与初步处理

首先，需要从液压马达系统中收集大量的运行数据，这包括传感器数据、操作记录和性能度量等。随后，对这些数据进行初步处理，包括数据清洗、标准化、噪声消除和缺失值处理等，以便神经网络能够更有效地学习和识别数据中的模式。

步骤2　特征提取

在数据预处理的基础上，进行特征提取工作，即从数据中识别和选择那些对故障诊断具有关键意义的特征。这一步骤对于提高模型的准确性和效率至关重要，因为正确的数据特征能够更好地代表系统的状态和行为。

步骤3　构建深度神经网络

根据液压马达测试数据的特点，设计合适的神经网络结构。这包括确定网络的类型（例如卷积神经网络、循环神经网络或长短时记忆网络）、层数、激活函数和损失函数。同时，明确网络的输入数据和预期输出，例如故障分类或故障概率。

步骤4　训练过程

利用已有的标注数据集对神经网络进行训练。通过前向传播和反向传播算法调整网络权重，目标是最小化预测误差。为了防止过拟合，可以采用早停法、正则化等技术。

步骤5　模型评估与优化

在独立的验证集上评估模型性能，并使用准确率、召回率、F1分数等指标来衡量。根据评估结果，对网络结构或超参数进行调整，以增强模型的泛化能力。

步骤6　实时故障监测与分析

将训练完成的模型部署到实际的液压系统中，实时监控和分析系统数据。一旦模型发现异常模式，便能够及时发出故障预警，并提供诊断结果。此外，可以通过分析网络中间层的输出来辅助理解故障的原因。

步骤7　模型的持续更新与维护

深度学习模型的成功实现依赖于大量的高质量数据和充分的计算资源，随着时间的推移和系统条件的变化，定期使用最新数据对模型进行更新和再训练，确保模型的准确性和可靠性。同时持续监控模型的性能，保证其在实际运行中保持高效和有效。通过这种方式，可以确保故障诊断系统随着时间的推移而不断改进和适应新的运行条件。

2.3 系统测试

将需要测试的某型号液压马达安装在测试台上，并确保其固定牢固。连接液压马达到液压测试回路，包括油泵、阀门、流量计和压力传感器等。确保所有连接处无泄漏，并且液压油清洁无杂质，启动液压系统，使液压油循环并达到稳定状态。预热液压马达至工作温度，以消除温度对测试结果的影响。在每个测试点上，记录液压马达的输出流量、输入功率和液压油的压力和温度。使用数据采集系统自动记录测试数据，以提高数据的准确性和测试的效率。以容积效率为例，对船用机械液压系统的液压马达进行测试，得到的结果如图4所示，在不同压力下测试对应的流量以及容积效率，液压马达测试系统具有较高的准确度和可靠性。

3 结　语

建立一种快速、智能化的液压马达测试系统对于提升液压马达维修效率具有非常重要的意义。本文设计了一种基于深度神经网络的船舶液压马达测试系统，该系统能够实现不同类型液压马达的测试，且能够实现动态响应模拟，提出了基于深度神经网络的液压马达故障测试方法，在此基础上对某型号液压马达进行测试，得到压力/流量/容积效率变化曲线，结果表明系统测试具有较高准确性和稳定性，可以实现对液压马达的连续测试。