（载运工具运用工程专业论文）基于摩擦学与动力学的摩擦学系统状态描述方法研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要。 “摩擦学”研究的范畴是“研究相对运动作用表面及其有关理论和实践的 一门科学技术”。摩擦学系统的摩擦磨损行为所表现出的对初始条件的敏感依赖 性、变化过程的不稳定、随机性以及时间和空间的不规则性，都表明摩擦学系 统是一个非常复杂的系统，其复杂性决定了表征其特征的多样性。因此对于摩 擦学系统这样的研究对象，要运用系统分析方法来研究和解决摩擦学系统描述 的问题。 本论文通过在试验机上进行摩擦学信息和动力学信息的采集处理和分析， 建立定量化的摩擦学系统描述模型，在对两大类信息进行特征耦合研究的基础 上，对实现摩擦学系统的描述方法进行了拓展。 本文具体的研究内容如下： 1 ) 利用销盘试验、滚动轴承试验对摩擦学和动力学特征同时采集与处理， 实现了对试验系统的信息的同步获取。在对摩擦学系统进行分析的基础上，建 立了摩擦学系统的摩擦学信息仿真模型和动力学信息仿真模型。 2 ) 从摩擦学系统的内涵出发，对摩擦学系统进行了系统特性和状态特性的 分解，并且指出，摩擦学系统的状态特性是由其系统特性所决定的，要想获得 状态辨识的准确结果，必须将状态特性与系统特性结合进行考察。在此基础上， 从信息论角度上探讨了摩擦学信息和动力学信息的相关性。 3 ) 鉴于摩擦学系统的状态描述的复杂性、不相容性及矛盾性等特点，应用 可拓理论，建立了摩擦学状态可拓评价方法来判别磨损状态。在建立摩擦学状 态评价物元的基础上，通过计算物元关联度，则关联度越大，越靠近某种磨损 状态。即越符合某种集合。这种方法，改变了传统的定性描述摩擦学系统状态 的状况，能够实现定量化、多特征的描述摩擦学系统状态。 4 ) 运用可拓评价方法，对滚动轴承故障进行了分类定量研究，发现将摩擦 学信息和动力学信息所建立的可拓故障诊断模型可以很快的进行故障类别的识 别，在实践中具有较强的可操作性。 5 ) 运用范例推理思想，在某些状态识别判断规则难于获取或者获取的主观 性较强的情况下，可以有效的结合工程实际以及经验案例来进行判断，与其他 规则获取相比，范例的获取快速、准确并与工程实际结合紧密，应成为摩擦学 系统知识库中重要的组成部分。通过影响因素之间的比较，建立了滚动轴承的 + 本论文的研究得到国家自然科学基金项目( 项目编号：5 0 2 7 5 1 1 1 ) 的资助 i 武汉理工大学博士学位论文 目标范例与源范例之间的模糊相似优先关系，并获得在不同的影响因素下滚动 轴承的目标范例与源范例之间的相似性序列，最终找出与目标范例最相似的滚 动轴承的源范例，实现了对滚动轴承的摩擦学状态评价。 6 ) 运用粗糙集理论，可以对摩擦学系统中信息的不确定性进行处理干预。 在应用范例推理进行研究时，由于范例的不断增多，将会引起范例之间的相互 冲突和不相容，利用粗糙集中不可分辩关系的概念对范例库中的知识进行分类 和约简，以消除冗余数据，提高推理精度，提取评价规则。 关键词：摩擦学行为； 动力学特征；可拓；范例推理；粗糙集 i i 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t t r i b o l o g yi sd e n n e da s “抽gs c i 册c 8d ，f m e r n 甜j 甥5 甜咖c e s 抽陀幼i v em d f i 硼” t h et r i b o l o g yb e h a v i o r sl l a p p e n e di nt m o s y s t e ms h o w ss o m ec h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha s t h es e i l s “i v i t yo n 也ei n m a lc o n d i t i o n ，i n s t a b i l 时蛐dr a n d o m i c i t yi nt l l em n n i n g p r o c e s s ，a b n o n n i t yi nt i m ea i l d i nt h es p a c e a no fm e s ef e a t l l r e ss u p p o r tt l l a t t 曲o s y s t e mi sav e r yc o m p l i c a t e ds y s t e m i 乜c o m p l c x i t yd e c i d e si t sd i v e r s 姆m “s d e s c r i p t i o n t h e r c f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt ol l s es y s t e m a i l a l y s i sm e t l l o di nt h es t u d yo f t r i b o s y s t e md e s c r i p t i o na l l di nt h es o l v i n gp m b l e m s t h ep u r p o s ei nm i st h e s i si st o 印p l ym es y s t e m _ a n a l y s i sm e t l l o dt o 仃i b o s y s t e m a tf i r s t ，t h e 砸b 0 1 0 9 yi n f o n i l a t i o na n dd y n a m i c si n f i o n i l a t i o nw e r ec o l l e c t e df m mt h e t r i a le q u i p m e n t sa n da n a l y s i s t h e naq u a n t i t a t i v ed e s c 邱t i o nm o d e lo ft r i b o s y s t e m w a se s t a b l i s h e d b a s e do nt h ec o m p a r i n go ft h ec h a m c t e r i s t i c sb e t w e e no ft r i b o l o g y i n f 0 珊a t i o na n dd y n 锄i c a li n f o 肌a t i o n ，t l l ed e s c r i p t i o ni n t e l l i g e n c eo ft r i b o s y s t e m w a sa v a i l a b l ei ns o m ed c g r e e 1 m em a i nc o n t e n ti nt l l i s 也e s i si sa sf 0 1 l o w i n g ： 1 ) i nm e 廿i a l ，t h et r i b 0 1 0 9 ya n dd y n a m i c a li n f 0 h n a t i o nw e r ec o l l e c t e d i n s y n c h r o n o u sa i l dp r o c e s s e d 丘o mp i n o n d i s kt e s t e r ( m m w 1 ) a n dr o l l i n gb e a r i n g t e s t e r ( r b t ) b a s e do nm ea l l a l y s i so ft 、v o 试b o s y s t e m ，t h et r i b o l o g ys i m u l a t i o n m o d e la i l dd ”a m i cm o d e lw e r ep r o p o s e d 2 ) f m mt h ec o r u l o t i o no ft r i b o s y s t e m ，i ti sp o i n t e do u tm a tt h es t l l d yo f t r i b o s y s t c ms h o u l db ed e p l o y e dm r o u g hi t ss y s t e mf c a t u r e sa n di t sc o n m t i o nf e a t u r e s t h ec o n d i t i o nf e a t u r e si sd e c i d e db y 也es y s t e mf e a t u r e s t bo b t a i ne x a c tc o n d i t i o n d i s c e m i n gr e s u l t ，t l l ec o n d i t i o nf e a h l r e ss h o u l db ee x a m i n e dw i ms y 对e mf e a t u r c f r o mi n f o h n a t i o na 1 1 9 l em ec o r r e l a t i o nb e t w e e n 仃i b o l o g ya n dd y n a m i ci 州白r n l a t i o n w a sd i s c u s s e d 3 ) b e c a u s eo fm ec o m p l e x i t y ，l h ei n c o f n p a t i b i l i t y a i l dt h ec o n i r a d i c t i o ni n 砸b o s y s t e m ，t h ee x t e n i c sp r i n c i p l ew a sa p p l i e dt 0d e s c r i b et r i b o s y s t e mc o n d i t i o n b a s e do nt h ee s t a b l i s h m e n to fm ee v a l u a t i o nm a t t c ro ff o u rt r i b o s y s t e mw e a r c o n d i t i o n s ( i n c l u d i n gs u c ha sn o r m a lw e a rc o n d i t i o nm a t t e re t c ) ，m er e l a t i o n s h i p t h e 也e s i si ss u p p o r t e db yt h ep r o j e c t “r e s e a r c ho ni 嘲l i g e mi n t e r p r e t a t i o nm e t h o do fc o n d i t i o n 诧a t u r ei nt r i b o s y s t e m ”( n o 5 0 2 7 5 1 1 1 ) 丘o m n a t i o n a ls c i e n c ef u n d a t i o no f c h i n a 武汉理工大学博士学位论文 v a l u e sb e t w e e nu n k n o w nc o n d i t i o na n de a c ho ff i o u rw e a rc o n d i t i o n s 、v e r ec a l c u l a t e d r e 印e c t i v e l yt h eb i g g e s tv a l u ci nf o l l rr e s u l t sm e a l l st h e 幽o w nc o n d i t i o ni sc l o s e r t ot h i sw c 盯c o n d i t i o nm a l lt oo m e r s n i se v a i u a t i o nm e t h o dc h a n g e dt h e 仃a d i t i o n a l q l l a l i t a t i v ed e s c r i p t i o nt ot l l eq u 跚t i 诅t i v e 锄dm u l t i - f e a t u r ed e s c r i p t i o n u s i n gs 锄e p r i n c i p l e ，t h ec l a s s i 6 c a t i o nq u 飘t t a t i v ef e s e a r c hw a su s e do nf h u l t y p e sd i a g n o s i si n r b tt h er e s u h ss h o wt h a tt h i sm e m o di sp f 鑫c t i c a l ， 4 ) c a s eb a s e dr e a s o n i n gc a nu t i l i z et t l ep r a c t i c a lc a s e st oh e l pt h ed i a g n o s i s w h e ns o m er u l e sa r ed i 丘i c u l tt oo b t a i no rt h em l e sh a v es t r o n gs u b j e c t i v e c a s e s s h o u l db et h em a i np a ni n 砸b o s y s t e l t il ； t l o w l e d g eb a s e i nc a s eb a s e 行o mt h et r i a l d a t a ，t 1 1 e 矗】z z ys i m i l a rp r i o r j t yr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h eo b j e c tc a s ea n do r i g i n a lc a s e w e r ee s t a b l i s h e dt h r o u g hc o m p 耐n gt h ef 沁t o r si nc a s e t h e nt h em o s ts i m i l a r o r i g i n a lc a s ew a sf o u i l do u tw i mt h eo b j e c tc 船ea 舟e rm es i m i l a ro r d e r 、v a so b t a i n e d 5 ) w i t hr o u g hs e tt h e o r y t h e 吼c e r t a i n t yo ft r i b o s y s t e mi n f o 珊a t i o n 啪s p r o c e s s e d ，u n d e rt h ec a s eb a s er e a s o n i n g ，t l l ej n c r c a s e0 fc a s ew i l li n d u c em e c o n t r a d i c t i o na m o n gc a s e sa i l di n c o i n p a t i b i l i t y i nt 1 1 i st h e s i st h ek n o w l e d g ei nc a s e b a s ew a sc l a s s e da n dr e d u c e dw n r o u g hs e tp r i n c i p l et od e c r e a s er e d u n d a l l c yd a t a ， e n h a n c et h er e a s o n i n ge x a c t k e yw o r d s ：t “b o l o g yb e b a v i o r s ；d y n 锄i c sf c a t u r e s ； e x t e n i c s ：c a s eb a s e d r e a s o n i n g ；r o u 曲s e t 独创性声明 y8 6 9 7 本人声明，所呈交的论文时我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或者撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或者其 他教育机构的学位或者证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已经在论文中做了明确的说明并表示谢意。 研究生( 签名) ：磁 日期：2 堕：! ) 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：建垂蠢缉导师( 签名) ： 武汉理工大学博士学位论文 1 1 国内外研究现状 第1 章绪论 “摩擦学”研究的范畴是“研究相对运动作用表面及其有关理论和实践的 一门科学技术”【l j 。在经历了快速发展的5 0 多年后，摩擦学的发展出现了几个 分支【2 1 ，如摩擦学设计、表面工程、磨损监测。近年来生物摩擦学、纳米摩擦 学、复合材料摩擦学研究也进入了高速发展期f 3 】。摩擦学系统的仿真智能描述 无疑是未来摩擦学发展的重要方向之一1 4 j ，但令人遗憾的是，其发展困难重重， 原因在于摩擦学系统的描述方法尚未建立，故而很难将复杂的摩擦学系统用计 算机的方式来准确表达。从摩擦学诞生的那天起，磨损机理的研究一直是摩擦 学研究的重点蟑j ， 6 j ，但是摩擦学系统具有显著的时交性和系统依赖性1 7 】。在以往 发表的关于摩擦或磨损过程的实验研究结果中，物理学家或者化学家的主要兴 趣是描述其研究中有关物理的或化学的内容，丽不是考虑其发现与工程应用可 能性的联系m j 。将摩擦磨损机理研究与摩擦学系统实际磨损状态相联系，将磨 损状态与摩擦学系统外部状态相联系，成为当前摩擦学研究必须予以突破的环 节。谢友柏认为摩擦学行为是多个学科行为间强耦合结果p j ，对摩擦学系统的 智能描述也不应仅仅局限于对不同磨损形式的描述。还应将研究范围扩展，将 摩擦学系统的摩擦学和动力学行为与具体的磨损状态耦合考察，才更符合系统 的观点，所得到的试验结果刁更有实际意义。 1 1 1 摩擦学系统的摩擦学特征研究 摩擦学系统的复杂性决定了表征其特征的多样性。研究摩擦学系统，不仅 要从正问题方向考察摩擦学系统固有特征的参数，如系统的机械特性、材料特 性、表面特性、接触特性、运动特性来预测摩擦学系统运行发展状态，也应按 照求解反问题的思路，从摩擦学系统繁多的摩擦学特征中，比如摩擦力、摩擦 力矩、摩擦系数、磨损量、润滑油状况、磨损颗粒、摩擦副的磨损表面形貌等 信息中来判断摩擦学系统的磨损状态。目前，已有大量研究工作是围绕这些摩 擦学特征中较重要的磨损量、表面形貌、油液分析( 包括磨粒分析) 等内容来 武汉理工大学博士学位论文 展开的。 磨损量在很大程度上涉及到对磨损机理的研究，为摩擦学研究的重要内容 之一。在以往4 0 年的文献中己发表了3 0 0 多个各种形式的磨损公式【4 j ，如2 0 世纪5 0 年代或更早的一些研究成果，建立了大量的磨粒磨损、粘着磨损的模型 f 9 】。 对摩擦磨损进行定量描述是摩擦学研究的重要基础。 j fa r c h a r d 【lo j 于 1 9 5 3 年提出了a r c h a r d 粘着磨损计算模型和r a b i n o w i c z 建立了磨粒磨损模型。 在此基础上，前苏联学者b b 格利布f 1 1 】较早地就建立了求解摩擦副磨损的 数值计算方法。m y s h k i n 等【12 】学者在研究非常光滑的摩擦表面形貌测试技术和 评价实体接触仿真方法基础上，就接触表面的摩擦机理、微观粗糙度和微观形 貌进行了模拟和分析，提出了新的a r c h a r d 模型改进版，并指出环境因素在仿 真实体接触问题上也应正确考虑。r o b b i i l s 【2 】教授指出，利用摩擦学仿真，可以 用理想化的试验来对几何参数、化学参数和滑动条件等进行全面控制，使得对 摩擦、润滑和磨损等每个变量的影响的控制成为可能；同时，运用表面吸附膜 和2 个表面间存在的“第三体”解释了a m o n t o n 摩擦定理及其它的摩擦学现 象等。同期，有限元方法被用来对实体真实接触面积、应力分布、接触温度以 及机械滑动磨损情况进行研究 1 3 】【1 7 】。 表面形貌是接触表面摩擦、磨损和润滑的结果【9 】| 【1 8 】，也直接影响接触表面 的摩擦、磨损和润滑状况，它直接反映着机械零件的磨损、疲劳和腐蚀行为， 不同磨损过程后的磨损表面形貌差别也很大；不同的摩擦表面状态也会严重影 响摩擦副的性能。张波u9 j 采用随机过程理论提出了描述两体磨损过程中摩擦副 表面形貌变化的磨损动态过程理论，在此理论基础上建立了软表面被硬表面微 切削磨损过程中软表面粗糙度及磨损量的预测模型，模型中假设参加磨损的硬 表面是绝对硬的刚体，它不会变形，也不会磨损。刘峰壁等【2 0 蟾! 立了一个两体 磨损过程中两磨损表面均发生磨损的表面粗糙度及磨损量的预测模型。在摩擦 副中，对粗糙表面三体接触也可进行理论分析，建立数学模型，用此模型对三 体接触中接触副两表面间距离、塑性变形量与第三体磨粒粒度分布、外载荷、 接触副表面微观几何参数及材料硬度间关系进行了分析【2 1 m 2 1 。g u 等口3 1 研究了 一种真实表面的仿真方法，通过测量沿不同方向上的轮廓特征，得出了一个具 有相似统计特征的仿真表面，通过建立表面模型，只要将真实表面不同方向的 轮廓参数输入计算机后即可获得模拟表面，建模仿真结果和实际工程仿真表明， 从统计学意义讲，仿真表面能非常好地与实际表面吻合。 武汉理工大学博士学位论文 油液监测技术是发展迅速、应用广泛的种监测与诊断手段，通过采集设 备的润滑油或工作介质的样品，利用光、电、磁学等手段，分析样品的理化指 标和携带的设备摩擦副的磨损和污染物颗粒，获得摩擦学系统的润滑和磨损状 态的信息，定性和定量地描述摩擦学系统的磨损状态( 包括部位、形式、程度) ， 找出诱发因素，评价工况和预测其故障，并确定故障原因、类型的技术1 2 4 l 瞄j 。 可分为润滑剂性能衰败分析与磨损微粒分析两类，前者是分析在用润滑剂的理 化指标等信息来检测摩擦学系统的润滑状态和诊断由润滑不良弓 起的故障；后 者是分析在用润滑剂中携带的磨损微粒特征信息，直接标志了摩擦学系统的磨 损状态，并以此诊断其磨损的型式、原因、程度和部位，并预测其发展趋势， 达到诊断故障的目的。 磨屑( 磨粒) 是摩擦磨损过程中的一个重要信息载体和磨损机理判据 口6 卜口0 1 。在磨粒分析方面，磨粒已从定性分析到二维图像的定量分析，磨粒的 智能识别也正逐步取代人工分析h 3 8 】。陈果等对航空发动机在用润滑油油样 中的8 种金属磨粒的分类参数，包括磨粒的形态、尺寸、表面纹理以及颜色等， 进行了详细的研究，获得了各类磨粒识别的最佳参数【3 9 j ，他们的工作使磨粒的 智能化描述大大向前推进。李艳军将灰色系统理论中的聚类分析计数用于磨损 磨粒的自动识别，在对磨粒图像的形态特征参数进行敏感性分析的基础上，确 定了各参数的灰类白化权函数，并结合以往的磨粒识别的试验研究，给出了磨 粒各特征参数的聚类权值，在此基础上，磨粒的识别正确率在9 0 以上i 删。袁 成清通过在球盘磨损试验机上模拟室温下的滑动磨损试验研究了磨损进程中磨 粒和摩擦副的表面粗糙度变化情况，发现对于可靠润滑和润滑不足的两种情况， 各个磨损阶段中磨粒表面粗糙度、磨损表面粗糙度具有相同的变化规律，二者 之间存在对应关系，具有较好的相关性1 4 1 1 。 1 1 2 摩擦学系统的动力学特征研究 人们很早就注意到摩擦会引起振动的现象。从上个世纪5 0 年代，将振动 引入摩擦学的研究大量开展起来。实际上，在更早的1 9 3 0 年j a c o b s e n i 删和d e n h a n o g1 4 3 j 试图建立微分方程来描述一自由度系统的粘滑运动。m a m n f 4 4 】将摩擦 引起的振动归纳为两类，即粘滑模式和准简谐模式，其发生的条件在于不同的 表面滑动速度。b l o k m j 证明将阻尼增加到足够大能有效减弱粘滑现象。提出发 生摩擦振荡的基本条件是减小摩擦力的同时，增大滑动速度。五、六十年代有 大量文献研究了摩擦引起振动的现象以及滑动摩擦的动力学特征【4 6 1 。f e e n v 对 武汉理工大学博士学位论文 3 0 0 多篇关于干摩擦和粘滑现象的文献进行了总结【4 ”。但是，对摩擦引起的振 动现象仍未完全弄清楚。许多文献试图从材料和表面特性的角度来解释摩擦引 起的振动4 8 】，【4 9 】。在对摩擦引起的振动研究中，讨论的较多的另一个话题是。静 摩擦和接触时间的问题。s i m k i l l s 【5 0 】指出在粘滑现象中的粘着阶段发生总体滑动 之前存在微滑。稍后一些，j o h a i l n e s 等人【5 l 】提出在稳定接触阶段，切向力会导 致微滑，并且切向力的实施速率导致了总滑动的开始。当两个摩擦副表面接触 时，粗糙表面会因为承受较大的压力而发生塑性变形，这样就形成局部连接需 要被破坏后才能发生滑动【5 “。t 0 l s t o i 第一个发现粘滑现象的振动垂直于接触表 面，其为锯齿状，是由相对滑动速度和摩擦系数的变化引起的【5 3 5 4 】。这些振动 只有当滑动速度足够低的时候才会发生。法向振动通常在法向载荷特别小，表 面随机不规则和波纹度的时候产生。当法向载荷和滑动速度很大的时候，就会 产生接近正弦波形的准简谐振荡。这种振荡就会使滑动表面产生疲劳失效并伴 随噪声”】。因而，静摩擦是所能获得的最大的局部摩擦值。马建敏等【5 6 】在对旋 转与非旋转体接触摩擦引起振动机理分析的基础上，建立了非旋转体在接触摩 擦力作用下的振动方程，并研究了其运动规律，发现非旋转体在滑动期的运动 是一种以非旋转体的低阶固有振动为主的周期性粘滑振动，它与一般接触面之 间由摩擦引起的粘滑振动不同，不论是粘着期还是滑动期，非旋转体都在振动， 振动幅值与周期的大小不仅与静、动摩擦系数有关，而且与非旋转体的几何形 状、物理参数、固定方式及旋转体的旋转速度有关。可以看到，将动力学分析 与摩擦行为耦合研究的方法和思路，使人们更深入认识摩擦引起振动的机理， 掌握减少动静摩擦的原理。摩擦除了可以引起振动外，还可以引发噪声。周仲 荣、陈光雄研究了摩擦引发的噪声的条件，解释了摩擦噪声的发生机理( 5 7 】。 振动方法已广泛应用于摩擦学系统的状态监测与故障诊断技术中【5 8 】，【6 0 】。如 可以诊断旋转机械的转子不平衡、轴系不对中、滑动轴承与轴颈偏心、零部件 松动、密封件摩擦、滑动轴承损坏、滑动轴承油膜涡动和油膜振荡等引起的振 动，也可以诊断滚动轴承疲劳剥落损伤、严重磨损和胶合，对齿轮的诊断包括 弯曲疲劳与断齿、齿面接触疲劳与点蚀、胶合等【6 1 【6 6 】。f k c h o v 对齿 轮传动系统的表面点蚀、磨损和齿面断裂等状态进行了振动信号的采集与分析， 并利用w i g n e r _ v i l l e 分布1 6 8 】【6 9 】进行振动信号时域分析以获得模式识别的目的。 要采用振动信号进行摩擦学系统的分析，必须进行两部分工作【7 0 1 。一方面 是进行信号分析方法的选择，它依赖于信号所具有的属性，因为任何分析方法 的使用，总是有一定条件和范围的。另一方面是对振动信号进行分析，近年来 4 武汉理工大学博士学位论文 _ - - _ _ _ 。_ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ 。_ _ 。_ _ _ _ _ 。_ - 。- - _ 。- - - 。_ _ _ 一1 。- - - _ 。1 。_ - 。1 。- - 。1 。_ _ - 一 这方面研究工作发展很快。对振动信号的处理以往比较常用的方法是快速傅立 叶变换( f f t ) 和基于删a 模型的时序分析方法 1 7 4 】。基于a r m a 模型的 时序分析默认信号是平稳的、分布是正态的口5 】，( 7 6 1 。客观的说，这两种方法得到 特征信息的质量并不一定都比时域中的统计特征量给出的要高，当然。它们在 对表面振动信号分析的适用性较好【7 7 】。频谱细化技术和功率倒频谱是振动信号 分析的两种重要辅助方法。采用细化处理，可以对信号频谱上感兴趣的一段频带 进行“局部放大”，从而提高频率分辨率；倒频谱可以识别信号中较弱的周期成分， 并对识别调制信号的边频具有特殊的效果1 7 ”。混沌理论分析方法也被用于振动 信息的分析中【7 卟【8 ”。振动信号的时历曲线具有分形行为，且其分维是多层次、 不均匀的，在2 0 世纪9 0 年代后期出现了大量将分形方法运用到振动信号分析 的文献【3 2 h 骺l 。吕志民等将分形维数用于刻划滚动轴承在不同故障状态下表现 的非线性行为，进而对轴承的运行状态进行判别，将分形维数作为识别滚动轴承 故障的特征量f 8 7 】。小波分析为各种信号处理如多分辩分析、时域分析提供统一 的分析框架啤凇l 。彭志科用尺度谱显示振动信号的时频特征，而且能够很好 的表现信号中一些能量相对较小的分量，利于提取早期故障特征【9 3 1 。除此之外， 人工神经网络也可被用于振动故障诊断中m j ，i 州。 w h i t e ( 9 7 l 最先提出对设备故障信号的仿真和分析方法。w a n gy f 【9 8 1 针对低速 轴承故障进行了建模研究。t s ep w 【9 9 l 等人采用小波分析和高频谐振方法对故障 信号的柔性和有效性进行了分析。z e k ik i r a l 【1 0 0 j 贝0 引入了有限元振动分析对轴 承故障情况进行仿真。孙洪军【1 叫基于a n s y s 环境对船舶推进轴系进行动力学 仿真，从模态分析和瞬态动力学两个方面入手，比较了不同轴系模型的动力学 分析差异。 1 1 3 摩擦学和动力学耦合研究 从上可以看出，对摩擦学系统的研究往往将摩擦学特征信息和动力学特征 信息割裂开来进行，这是由于当时的理论基础、研究手段、试验方法、测试条 件的局限所限。谢友柏认为摩擦学行为是多个学科行为间强耦合结果弘j ，对摩 擦学系统的研究也不应仅仅局限于对不同磨损形式的研究，还应将研究范围扩 展，将摩擦学系统的动力学行为与具体的磨损状态耦合考察，才更符合系统的 观点，所得到的试验结果才更有实际意义。对磨损过程不仅仅需要考察其摩擦 学信息的变化，而且也必须考察其动力学特征。磨损过程具有典型的动力过程 特征。按照非线性动力系统原则可以把磨损过程划分为3 个阶段，即自组织阶 武汉理工大学博士学位论文 段、混沌阶段和失稳阶段，分别与摩擦学表述的磨合磨损、正常磨损和急剧磨 损【1 0 2 13 个阶段相对应。将摩擦学系统的动力学和摩擦学特征进行耦合研究的工 作，在国内外尚属起步阶段。国内，戴旭东利用a d a m s 虚拟样机作了基于内 燃机润滑油膜与动力学耦合的仿真研究【l0 3 1 ，其研究工作是在进行内燃机动力学 分析的基础上，考察了引入油膜润滑条件下的动力学和摩擦学行为耦合。但是， 对于如何针对摩擦学复杂系统，对摩擦学系统的状态信息( 包括摩擦学信息和 动力学信息) 进行描述和表达，并未开展研究，而这部分工作会大大影响将这 两部分研究成果用于计算机的智能化表达中，故现在迫切需要开展这方面的研 究。在澳大利亚，p e n g 开始运用油液分析和振动监测的方法诊断齿轮箱的典型 故障状况【l 叫。同时，赵新泽等人对滚动轴承故障进行联合诊断时用到了油液信 息和振动信剧1 05 1 。运用摩擦学系统是时间依赖的系统，随着时间变化，其不仅 会有磨损量的变化，磨粒的产生，磨损表面的变化，其振动、噪声等信息也呈 现出变化，甚至磨损到出现故障时，这些信息会有显著的改变。但从查阅的文 献资料看，摩擦学系统的状态特性是如何演化的，即摩擦磨损发生同时，如何 引发振动，振动等又如何加剧磨损的发展这个过程及其规律并未定量研究。将 摩擦学系统的状态特性与磨损机理耦合研究后并进行数值仿真的工作开展的还 很少，针对摩擦学系统的状态特性如何建立计算机模型并实现智能化描述，在 国际尚刚刚起步，本论文希望能从该方面进行积极探索，有所发现和突破。 1 1 4智能化技术在摩擦学系统研究中的应用 计算机技术的发展为摩擦学系统研究工作的深入提供了可能。最初，摩擦 学系统与计算机结合比较注重摩擦学系统的知识处理，这是因为摩擦学知识大 量的隐含在试验数据、计算数据和设计经验中。许多研究人员研制开发了摩擦 学数据库，如谢友柏主持开发的基于知识表达、组织的摩擦学知识库f 1 0 6 】，桂长 林主持的摩擦学设计润滑油、脂数据库等。这些研究的目的都是将有关的零碎 知识用计算机技术组织、表达、储存起来成为电子化的设计知识手册。在工程 实际中，其仅能处理简单、直接的静态设计问题，不能满足设计人员在完成结 构设计后，希望能对其工作状态( 即进入摩擦磨损后) 进行数值模拟，以判断 结构、材料等设计因素是否满足摩擦学设计的要求。 在两大类信息的耦合过程中，需要使用到一些智能化技术。比如，已在摩 擦学故障诊断中的应用逐渐成为研究热点的信息融合【1 0 7 h 1 】。传感器技术、计 算机技术、数学工具的长足发展，为信息融合和处理工作提供了良好的条件。 武汉理工大学搏士学位论文 神经网络、小波变换、模糊技术等也被广泛应用于信息融合，为信息融合技术 注入了活力，提供了实用化手段【1 1 2 】【卯。同时，基于小波分析、神经网络、分 形等方法为发现振动特征向量提供可能，基于神经网络、灰色系统和模糊数学 的信息融合方法也已经在磨粒的识别、分类方面等方面显示出了卓越的分类和 非线性映射能力，因而用神经网络和模糊数学等方法来研究磨损状态和振动特 征向量相互关系的融合研究成为可能u 。 1 2 目的和意义 发生在摩擦学系统的摩擦磨损行为所表现出的对初始条件的敏感依赖性、 变化过程的不稳定、随机性、以及时间和空间的不规则性，都表明摩擦学系统 是一个非常复杂的系统。摩擦学系统的复杂特性具体表现为摩擦磨损行为或过 程的开放性、非线性、随机性和不可逆性。摩擦学系统是一个具有统计确定性 的随机系统，发生在摩擦学环境下的摩擦磨损行为属于摩擦学系统随机行为。 大量摩擦学研究表明：摩擦系数、摩擦温度、磨损率和表面形貌参数等输出量， 都表现出稳定的或非稳定的随机性。摩擦学系统所表现出的摩擦磨损性能的强 烈的系统依赖性和不可移植性以及过程的时变特征，导致摩擦学研究具有不同 于一般研究的复杂性和艰巨性。 通过对摩擦学系统的深入分析和描述研究，可以将摩擦学系统按照系统特 性信息和状态特性信息两类进行分解。系统特性是指摩擦学系统中所有参与摩 擦的多要素( 元素) 的总和，是摩擦学系统所固有的。系统特性应当包括摩擦 副材料的力学性能、材料特性、热特性、表面特性、表面接触特性、润滑特性 和工况特性等【8 】。状态特性是指摩擦过程中摩擦学系统所呈现的外部状态特性， 在摩擦磨损过程中可以直接或间接监测到的，并能在进行摩擦学系统数值模拟 时实现可视化。在系统特性和状态特性之间存在怎么样的关系，采用何种方式 有效的对摩擦学系统进行描述，是摩擦学研究的基础，其中能否在磨损状态与 摩擦学系统状态特性之间建立量化模型，是对摩擦学系统状态特性进行智能化 描述的关键。 通过对摩擦学系统状态特性进行智能化描述研究后，在下一步的工作中就 可以在摩擦学的系统特性和状态特性之间建立有效的映射研究，也就是说将摩 擦学系统的状态发展与系统本身固有的系统特性联系起来。摩擦学系统本身固 有的系统特性是在设计、制造阶段就决定了的，在目前对设计、制造后的摩擦 武汉理工大学博士学位论文 学系统的仿真往往只在其动力学仿真上，对其在运行阶段摩擦副磨损状态的仿 真则仍待开展研究。设计人员通过仿真软件，不仅能了解到系统能否正常工作， 还能预测系统的工作寿命，这应是面向设计的摩擦学系统仿真软件的最终目标。 而要实现这个目标，首要的任务就是要对复杂的摩擦学系统状态特性的描述方 法进行研究，这是摩擦学仿真的基础，具有重要的理论意义。 1 3 课题来源 本论文的研究工作来源于： 1 1 摩擦学系统状态特性的智能化描述方法的研究，国家自然科学基金资助 项目( 编号：5 0 2 7 5 1 1 ) 。 2 ) 基于监测信息的摩擦学和动力学的耦合关系研究，中澳合作项目( 国科 金外资助，第0 3 1 1 1 2 0 2 0 7 文) 。 1 4 研究的主要内容 本论文以滑动摩擦磨损销盘试验为基础，并结合滚动轴承试验台的试验而 展开。在磨损试验机的销和盘摩擦副边界润滑、干摩擦等不同试验条件下，分 别测量摩擦学和动力学特征信息，并在摩擦学和动力学计算机仿真分析的基础 上，再与试验信息对比分析，以实现摩擦学和动力学信息的特征融合研究。具 体的研究内容如下： 1 ) 设计一系列摩擦磨损试验，实现销盘试验的摩擦学和动力学特征的同 时采集与处理，关键是对试验系统的信息的同步获取工作。在对摩擦学系统进 行分析的基础上，进行摩擦学系统的摩擦学信息仿真模型和动力学信息仿真模 型的建立。 2 ) 分析两类信息的相关性，从理论上研究同一机械系统中相同信息源所 产生信息的描述。对摩擦学系统的动力学和摩擦学特征进行融合研究，运用两 类信息的特征分析，在此基础上，进行相关性分析和融合研究。 3 ) 鉴于摩擦学系统的状态描述中的复杂性、不相容性及矛盾性等特点， 应用可拓理论，建立摩擦学状态可拓评价方法。其基本思路是首先将摩擦学系 统的状态分为磨合期、正常磨损期、异常磨损和急剧磨损期，通过运用动力学 和摩擦学信息进行耦合描述，根据专家经验和实验具体的工况建立多因素、多 武汉理工大学博士学位论文 特征信息的磨损状态分类标准，通过计算物元关联度，关联度越大，则越靠近 某种磨损状态，即越符合某种集合。这种方法，改变了传统的定性描述摩擦学 系统状态的状况，能够实现定量化、多特征的描述摩擦学系统状态。运用同样 的方法，对滚动轴承故障进行了分类定量研究，发现其具有相当的可操作性。 4 ) 运用1 9 8 2 年s c h a i l l 【提出的范例推理思想，在某些判断规则难于获取或 者获取的主观性较强的情况下，可以有效的结合工程实际以及经验案例来进行 判断，与其他规则获取相比，范例的获取快速、准确并与工程实际结合紧密， 应成为摩擦学系统知识库中重要的组成部分。将范例推理思想运用于摩擦学系 统，试图将摩擦学系统的状态描述与磨损机理的研究结合起来。 5 ) 运用粗糙集理论，可以对摩擦学系统中信息的不确定性进行处理干预。 在应用范例推理进行研究时，由于范例的不断增多，将会引起范例之间的相互 冲突和不相容，利用粗糙集中不可分辩关系的概念对范例库中的知识进行分类 和约简，以消除冗余数据，提高推理精度，提取评价规则。 9 武汉理工大学博士学位论文 2 1 前言 第2 章试验设计及其结果 摩擦学系统是多样而且复杂的，对其的研究应该从简入繁。本论文先从摩 擦学系统信息入手，即通过在摩擦磨损试验机上进行摩擦学信息和动力学信息 采集处理和分析，建立定量化的摩擦学系统描述模型，同时对两类信息进行特 征耦合研究，从而为实现摩擦学系统的智能化描述提供可能。摩擦瘩损试验是 在销盘( 滑动) 试验机和滚动轴承模拟试验台上进行的。之所以这样进行的目 的是可以将过于复杂的摩擦学系统简单化，使之有利于摩擦学信息和动力学信 息的采集、特征提取和描述。如果直接利用工程实际中的机械设备系统，不仅 难于提取所需要的监测信息，而且也会因为系统的过分复杂性而使得研究工作 难于推进。下面着重介绍本论文中所用的试验设备和对进行分析所涉及的的主 要方法及分析程序。 2 2 试验设备 实验室条件下磨损模拟试验具有如下优点：( 1 ) 试验周期短；( 2 ) 不需要整机 试验：( 3 ) 影响试验的因素易于控制和选择，试验数据的重现性、可比性和规 律性强，有利于分析对比；( 4 ) 试验费用低；( 5 ) 可以进行大规模地重复性试验。 因此实验室条件下的磨损试验一直是摩擦学研究所使用的重点手段，摩擦学研 究的进展主要依赖于这些试验研究所取得的成果。本论文中主要采用的试验机 有如下两种。 2 2 1 m m m 1 立式万能摩擦磨损试验机 m m 、n l 立式万能摩擦磨损试验机可以模拟滚动、滑动或滑滚复合的摩擦 运动形式。可以模拟多种摩擦副接触形式，如销盘、球一盘、环块、四球磨损、 止推垫圈磨损等。试验机转速范围为0 30 0 0r m i n ；加载范围为1 0 10 0 0 n ： 对应的转矩范围为：0 25 0 0n m m 。润滑油盒加热器的工作范围为0 2 0 0 。 武汉理工大学博士学位论文 试验机有两个预留的c o m 接口，可与计算机c o m 接口相连，通过测试记录 软件，记录每时刻的摩擦力、转速、摩擦力矩、摩擦系数等试验参数。试验运 行时，下面的盘试样在油盒中处于静止状态，上面的销试样或球试样的支撑盘 在电机的驱动下转动，以带动销试样或球试样在盘试样上滑动。图2 1f a l 所示 是试验机的外观图。图2 - 1 ( b ) 所示是润滑状态下的销盘摩擦副运行时的情况。 肖试撵 餐自酶# ( a ) ( b ) 图2 1m m w 一1 立式万能摩擦磨损试验机：( a ) 外观；( b ) 销盘摩擦副 图2 2 是所设计的磨损试验过程，按照润滑条件整个试验分为三大部分， 即干摩擦、贫油润滑和浸油润滑。每种试验条件下从磨合开始进行各个不同磨 损状态下的摩擦学信息和动力学信息的采集，在此基础上，提取出有用的摩擦 学特征和动力学特征以建立基于摩擦学和动力学的摩擦学系统状态描述模型。 2 2 2滚动轴承模拟试验台 利用滚动轴承试验台模拟实际工况中的各类故障，提取各类损伤轴承的振 动信号和油液信息，再进一步采用相应的数学方法对两类方法获取的信息进行 分析，以获得不同模拟试验条件下，轴承不同损伤部位