（安全技术及工程专业论文）基于SVM的磨粒图像分析识别系统的研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h em a c h i n ef a u l t d i a g n o s i s i san e wt e c h n o l o g ya b o u tt h em a c h i n e s t a n n i n g a n d m a i n t e n a n c e ，m e r g i n g w i t hv i b r a t i o n d y n a m i c s ，t r i b o l o g y , e q u i p m e n tm a n a g i n g ，m a i n t e n a n c ee n g i n e e r i n g ，r e l i a b i l i t ye n g i n e e r i n g ，s a f e t y s y s t e me n g i n e e r i n g ，g r a p h i c sa n di m a g es c i e n c e ，a n ds oo n n o wi t i s r a p i d l y d e v e l o p e d a n dw i d e l yu s e di na l lk i n d so ff i e l d s t h et e c h n o l o g yo fo i l m o n i t o r i n g a n dd i a g n o s i s ，m a i n l yr e a l i z e d b yd e t e c t i n g a n d a n a l y z i n gt h e l u b r i c a n ti nl u b r i c a n t i n gs y s t e ma n dt h ed e b r i si nt h el u b r i c a n t ，i sa ni m p o r t a n t b r a n c ho f t h em a c h i n ef a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g y d u et or e l a t i v em o t i o no ft w ot r i b o l o g i c a ls u r f a c e s ，i nt h ec o u r s eo f o p e r a t i o nm e c h a n i c a le q u i p m e n tp r o d u c ep l e n t yo fw e a l p a r t i c l e s t h a th a v e d i v e r s ef e a t u r e sb e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c eo f w e a l m e c h a n i s m f e r r o g r a p h y h a s w e a r p a r t i c l ea si t sr e s e a r c ho b j e c t s ，a n dt h r o u g ha n a l y s i so f t y p ea n dq u a n t i t y o f w e a rp a r t i c l ei nt h em a c h i n ef e r r o g r a p h yc a nd oc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l t d i a g n o s eo f m a c h i n e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c e , i ti s i m p o r t a n td i r e c t i o nt o i n t e g r a t ef e r r o g r a p h yw i t hi m a g ep r o c e s s i n g ，p a r e mr e c o g n i t i o na n da r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e t om a k ef e r r o g r a p h yk e e pu p w i t ht h en e e do f m o d e md e t e c t i o no f m e c h a n i c a ls t a t e ，w em u s tr e s e a r c ha n dd e v e l o pi n t e l l i g e n ts y s t e mo fc o n d i t i o n m o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s eb a s e do na u t or e c o g n i t i o no fi m a g ef o r w e a r p a r t i c l e b a s e do nt h er e v i e wo fa c h i e v e m e n ti nt h ef i e l do ff e r r o g r a p h y , e s p e c i a l l y i nt h ea p p l i c a t i o no fi m a g ep r o c e s s i n gt of e r r o g r a p h ya n a l y s i s ，t h ep a p e rh a v e 北京交通大学硕士学位论文英文摘要 f i n i s h e dal o to fw o r k f i r s t l y , t h es u i t a b l ep r e p r o c e s s i n gm e t h o d sf o rw e a r p a r t i c l ei m a m s a r ec h o s e ；a i m i n ga tt h et y p i c a lw e a r p a r t i c l ei m a g e s ，t h ep a p e r h a sf i n i s h e dt h et a s ko fw e a r p a r t i c l ei m a g es e g m e n t a t i o na n df e a t u r e so fw e a r p a r t i c l ee x t r a c t i o n s e c o n d l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e s am e t h o dt o f e r r o g r a p h y a n a l y s i sb a s e do nt h es u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) a n dr e a l i z e st h es o f t w a r eo f a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nf o rw e a r p a r t i c l e s l a s t l y , t h es v m i st r a i n e db a s e do n t h es a m p l ew e a rp a r t i c l ei m a g e so fn a n c h a n gl o c o m o t i v es e r v i c eu n i ta n dt h e i d e n t i f i c a t i o np r e c i s i o ni sd e c i d e d k e yw o r d s ：f e r r o g r a p h y , i m a g ep r o c e s s i n g ，f e a t u r e e x t r a c t i o n ，p a r t i c l e r e c o g n i t i o n ，s u p p o r t v e c t o rm a c h i n e ，s v m 1 i i 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 机械设备故障诊断技术 1 1 1 机械设备故障诊断的意义 大型机械设备在国防和国民经济各部门的广泛应用，是工业现代化的 重要标志之一。机械系统的安全运行，对提高产品质量、降低成本和环境 保护等方面起着重要的作用。然而，机械设备只要运行，就必然伴随着发 生故障的可能性。随着设备日趋大型化、复杂化，其连续工作时间不断增 进，尽管可以依据可靠性理论，在设计、制造阶段将设备的缺陷降为最少， 并在使用阶段采取严格的管理措施，但设备缺陷往往在所难免，而且在使 用中必然要发生摩擦磨损、疲劳、变形、腐蚀、老化等问题，这些问题都 会导致机械设备使用性能的劣化。据统计表明，在机械系统的维修过程中， 故障的诊断占全部工作量的6 0 、9 0 口】。而将故障诊断技术与维修技术相结 合，则可以提高设备的利用率，产生巨大的效益。监测和预防故障的发生， 以减少停工损失和维修费用，是对机械系统进行科学管理的关键手段之一。 柴油机是内燃机车的动力心脏，它结构复杂、运行工况多变，而且不允许 经常进行解体检查，所以管理难度更大。为此，研究先进的技术手段，以 适应对其故障的检测、诊断和维修的需要，已成为当务之急。 1 1 2 机械设备故障诊断的现状及发展 机械设备故障诊断技术是现代化生产发展的产物。早在6 0 年代末，美 国国家宇航局( n a s a ) 就创立美国机械故障预防小组m f p 6 ( m a c h i n e r yf a u l t l 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 p r e v e n t i o ng r o u p ) ，英国成立了机械保健中心( u k ，m e c h a n i c a lh e a l t h m o n i t o r i n gc e n t e r ) 。由于诊断技术所产生的巨大经济效益，从而得到迅 速发展。在过去的几十年里，随着很多相关前沿科学技术成果的产生、发 展与渗透，该技术从方法到手段都有了很大的发展。尤其是计算机技术的 突飞猛进，更使机械设备故障诊断技术具有前所未有的应用价值和可推广 性。 故障诊断技术如今已成为一门独立的跨学科的综合信息处理技术。在 对设备工况状态进行“运行检测及故障诊断”这一目标和前提下，当今的 设备诊断从手段上讲主要包括以下几种诊断技术。 振动监测技术 油液分析技术 噪声监测技术 温度监测技术 无损监测技术 其中油液分析技术是最为常用和经实践验证最有效的诊断手段之一， 这是因为：( 1 ) 润滑是保证机械设备正常工作的必要条件；( 2 ) 磨损在机 械设备内部的普遍存在；( 3 ) 油液分析与设备内部运行的摩擦副材料的磨 损机理和摩擦、磨损、润滑状态演变过程有直接关系。 1 2 铁谱分析技术 铁谱技术是2 0 世纪7 0 年代末从国外引进我国的，近十多年来已经发 展成为一种新的磨损分析技术。自从铁谱技术发明以来，为机械磨损状态 监测诊断和磨损机理的研究开辟了一个以磨损微粒为分析对象的研究和应 用新领域。实践证明：铁谱技术是机械设备磨损工况监测与故障诊断最为有 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 效的方法之一，在设备日常管理、预测性维修、可靠性分析和寿命预测方 面起到了重要的作用。我国铁谱技术的研究和应用工作自1 9 8 3 年北京铁路 局北京科研所首先在国内研制成功铁谱仪以来，已经有二十年的历史了。 据不完全统计，迄今国内应用铁谱技术的单位己逾三百多家【2 3 ，遍及机械、 航天、石油、铁路、交通、化工、冶金、军工及医学等部门的科研院所、 大专学校和厂矿企业。它在经济建设、科学研究中所起到的独特作用越来 越受到人们的重视，所取得的社会效益和经济效益得到了普遍的承认。根 据对9 8 个单位的统计结果，截止到1 9 9 2 年，因应用铁谱技术增加产值3 千万元，节约费用8 千万元【3 1 。我国铁路系统是应用该项技术的大户，到目 前为止，全路装备了大约6 0 多套铁谱仪。大连机车厂采用铁谱技术合理地 制定了我国铁路东风4 型内燃机车l 6 v 2 4 0 型柴油机出厂磨合规范，由于节 省燃料和工时而且提高了台位利用率，每年可增收节支1 0 5 8 万元【4 】。柳 州铁路局柳州、金城江两机务段在对运用中的东风型和东风。型内燃机车柴 油机进行工况监测中，推广应用铁谱技术。在1 9 8 9 年至1 9 9 1 年间成功预 报柴油机故障，防止机破事故，直接经济效益4 8 万元【9 。绝大多数的内燃 机务段和部分电力机务段都已经把铁谱监测纳入日常的机车运用或检修程 序，成为保障机车安全运行的重要手段。 1 2 1 铁谱技术原理及在实际应用中存在的问题 铁谱技术的基本原理是通过磁场作用，将机器润滑油样中的磨损颗粒 分离出来，并分析微粒的形态、尺寸、数量、成分、粒度分布等情况，从 而得到磨损过程的有关信息，以此为基础分析判断机器可能存在的故障。 尽管铁谱技术作为一种有效的机械设备状态监测与诊断手段，正在诸 多领域发挥着日益重要的作用，但由于技术本身的一些不足，使得其应用 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 的现状远未达到人们所期望的目标，在实际应用中还存在三个主要问题。 首先，铁谱信息的管理没有系统化。在铁谱监测过程中会产生大量的 信息，包括铁谱片、磨粒图像、磨粒识别结果、机器状态监测的历史信息 以及故障诊断的经验积累等等。如何将这些信息组织在一个有机的统一整 体中是建立基于铁谱分析的机械设备故障诊断系统的基本问题。 其次，磨损颗粒的识别没有自动化。润滑油中的磨损颗粒的特征是与 其产生的磨损机理密切相关的，如何从磨粒特征推断磨损类型，现在还主 要依赖分析人员的知识水平和经验，主观性比较强，而且费时费力。磨粒 识别的自动化涉及到图像的分割、特征的溯量和选择以及模式识别等基本 问题，其中图像分割是难点所在，因为如何将图像自身的信息与人类所具 有的先验知识结合起来是计算机视觉领域尚未解决的难题。 最后，基于铁谱分析的机器状态监测与故障诊断还没有形成系统的知 识体系。故障诊断要求将从客观世界获得的信息与人类已有的经验结合起 来，并上升到知识的高度，进而以这种知识指导实践。现在，将人工智能 领域的相关理论应用到铁谱分析中是解决这一问题的研究热点。 1 2 2 铁谱技术信息化发展趋势 本课题主要研究怎样将信息处理技术融合到传统的铁谱技术中，以克 服传统的铁谱人工定性分析存在的缺点：如对分析人员专业化程度要求高、 难于确定、定量化信息少、精度低以及分析数据和谱片管理困难等。从而 更广泛地挖掘铁谱技术的潜力，使铁谱技术向高智能化的自动识别与诊断 方向发展，计算机信息处理运用于铁谱磨粒分析后，主要有三个方面的内 容： ( 1 ) 提取磨粒统计特征和单个磨粒的数字形态特征： 4 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 基于人工智能的磨粒自动识别和铁谱技术的智能诊断； ( 3 ) 利用数据库存储和管理以往的知识和数据。 1 2 2 1 磨粒数字形态特征参数的提取 铁谱技术问世不久，一些铁谱技术的研究开发人员就尝试将计算机图 像处理技术引入其中。1 9 7 6 年，s o d i o w e i t l lo 】等首次将计算机图像分析引 入铁谱技术，用q u a n t i m e n t 7 2 0 图像系统作为一种定量工具，结合扫描电 镜测定了特定范围尺寸内磨粒的个数。此后，b j r m l u e c e 等人进一步用 q u a n t i m e n t 7 2 0 对磨粒作了定量分析 1 1 , 1 2 i 。1 9 8 3 年，b j r o y a n c e 等对谱 片上的磨粒作了更深入的研究 1 3 , 1 4 。研究结果表明铁谱片上的磨粒的粒度 服从w e i b u l l 分布，其特征参数变化反映磨损形式的转变。1 9 8 0 年， j k b e d d o w 等【l5 】用图像分析系统对磨粒图谱( 第一卷) 中的几个典型磨粒 进行傅立叶分析，研究了磨粒的外形特征。1 9 9 4 年b j r o y l a n c e 等【i 哪开发 了磨粒形态定量方法一计算机辅助视觉工程( c a v e ) 。该系统提取了磨粒的 傅立叶因子( 长短轴比) 、圆度因子( 面积和周长比) 和边缘细节特征，这 些特征反映了不同类型的典型磨粒。b j r o y l a n c e 和s r a a d n u i 给出了一 些典型磨粒和特定工况下产生的磨粒量化形状参数分布 1 7 , 1 8 】。t b k i r k 等 1 9 】应用分形几何提取了磨粒的边缘分形维数和磨粒表面线维数，边缘分形 维数可反映磨粒的边缘细节，磨粒表面线维数可表征磨粒的粗糙度。 在磨粒特征参数提取方面，国内学者也做了不少工作。1 9 8 7 年金元生 等1 2 0 】对内燃机车柴油机的磨合期研究表明铁谱片上的磨粒的粒度服从 w e i b u l l 分布，分布函数的尺寸参数和形状参数可以作为说明柴油机磨合过 程的特征值。1 9 9 0 年，金占明等【2 l 】提取了磨料磨损磨粒的面积、形状因子 和最大长度。凌玲等【2 2 】提取了磨粒的傅立叶分析的七个边缘形状特征和七 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 个不变矩特征，选取对摩擦系数较为敏感的分布参数建立时间序列模型， 预测磨损过程的发展趋势。樊建春等【2 3 】提取了切削、球形和严重滑动磨损 磨粒的分形谐函数。冼亮等p 4 提取了磨粒的傅立叶形状和颜色特征。王延 平等忙刘将小波分析应用于磨粒分析，探讨了小波分解提取磨粒特征的可能 性。李忠等1 2 6 】将磨粒的轮廓边界展成二维波形，用边界波形表示磨粒的边 界特征。潘建军等【2 7 1 提取了磨粒表面的二维分形纹理特征，表明磨粒的纹 理特征可区分几种典型磨粒。汪家道等【2 8 提出一种磨粒轮廓特征变换的方 法，该方法解决了磨粒图像的平移、旋转和大小不变性，同时该变换所得 的结果能较为全面地反映磨粒的轮廓特征，这使磨粒识别具有较高的准确 率成为可能。褚秀萍等【2 9 】将灰色理论中的关联度分析方法引入铁谱定量技 术，改进和完善了定量技术。 1 2 2 2 智能化磨粒识别与诊断 8 0 年代中期随着人工智能的发展和普及，铁谱磨粒进入智能识别与诊 断阶段。由于磨损现象的复杂性和磨粒分析的困难性，铁谱智能化的发展 一直比较缓慢。1 9 9 1 年c a r b o r u n d u m 公司推出的f a s tp l u s 系统，是对该 公司1 9 8 9 年推出的f a s t 系统的改进型p o ，3 1 1 。利用f a s tp l u s 系统可以以 人机对话的方式对谱片上的磨粒进行分析决策。该系统主要由操作者将待 识别的磨粒与存储在系统光盘中的磨粒图谱图像进行比较而得出结论， 赦具有一定的局限性。1 9 9 2 年b j r o y l a n c e 等1 3 2 】开发出一种微粒分析的 c a s p a 专家系统。该系统首先是利用人对沉积在谱片上的磨粒进行观察分 析，然后根据事先确定的一些规则把观察分析的结果以某些参量值表示出 来，并输入到c a s p a 系统软件中去，然后再由计算机系统把输入的数据与 计算机中的专家知识库相比较，最后得出磨粒识别的结论。而后，改进的 6 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 c a v e 系统一改以往只能以灰度图像作为分析对象，把对图像的纹理和形状 因子的处理也加入到新系统中去，从而使磨粒的识别途径更多元化，可靠 性更高。 国内，周文登等【3 3 1 应用模糊决策法基于磨粒特征参数的隶属度基础， 碜 究了磨粒的模糊识别法，并研究了基于分析铁谱实验结果的磨损状态模 糊综合评判方法。潘汉玉等 3 4 】采用线性判别函数，利用磨粒的傅立叶因子 设计了磨粒分类器，能有效区分几种典型磨粒。冯和坊等 3 5 1 实现了对主要 磨粒和杂质进行自动识别分类，初步论证了利用计算机区分磨粒的可行性。 萧汉粱等3 6 1 设计了磨粒计算机辅助识别专家系统，根据用户输入的特征， 由推理机完成对磨粒的识别与磨损状态的判断。崔虼等 ”1 提出了基于黑板 的铁谱图像解释系统。该系统根据形态学滤波和视觉组织理论研究了切削 磨粒和球形磨粒的识别方法。樊建春等【2 3 1 研究了以磨粒非数值特征的磨损 颗粒识别的模糊决策树方法。李忠等以一维波形为边缘特征，用几种神 经网络分别识别磨粒的形状。汪家道等【3 观利用磨粒的边缘和颜色特征探索 了以模糊神经网络为分类器的谱片上的磨粒识别和利用磨粒识别结果进行 磨损状态诊断。战仁军等f 4 。利用自组织特征映射神经网络对齿轮整个磨损 过程的铁谱数据进行分类。 1 2 2 3 铁谱分析信息管理系统 在铁谱技术的应用中，分析人员日积月累，长期跟踪监测制作了大量 的谱片，得到了分析数据和结论。其中不少资料包含着不同工况下机械设 备磨损变换趋势的丰富信息，有着重要的保存价值，可以作为以后监测的 依据。由于进行铁谱分析得到的大量定性和定量数据及诊断分析结果不容 易检索和对比，因此铁谱分析信息管理系统的开发是铁谱分析走向智能化、 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 实用化、高效率的必经之路。 将计算机数据库技术应用于铁谱技术大约始于8 0 年代后期。1 9 8 9 年 美国的c a r b o r u n d u m 公司推出了f e r r o t r e n d 系统，f e r r o t r e n d 系统是针对 直读铁谱仪的定量数据的分析软件，它利用计算机与直读铁谱仪相配，进 行数据处理与分析。上述的f a s tp l u s 系统磨粒图谱照片的存储采用 了数据库技术。 国内许多铁谱工作研究人员针对不同的要求开发了很多数据库管理系 统，这些系统辅助铁谱分析人员的工作，提高了故障诊断的准确性和管理 水平。这些系统主要有： ( 1 ) 综合管理铁谱定性定量数据的铁谱分析数据库【4 “3 1 ( 2 ) f e r r o b a s e 直读铁谱数据微机管理系统。该系统完成了数据的存储、 修改、查询、绘图、打印等工作，实现了铁谱数据管理的自动化“。 ( 3 ) 磨粒的计算机圈库管理系统。该系统采用多媒体技术将图书磨粒 图谱计算机化，可方便的对其进行查询、修改( 增进或删除) 【4 5 1 。 ( 4 ) 综合图谱和光谱分析数据的微机管理和诊断系统 4 6 , 4 7 。 ( 5 ) 铁谱分析信息管理系统们1 。系统由铁谱分析知识库、磨损监控实例 库、磨损监控管理数据库和铁谱分析指南、磨损监控实例手册、磨 损监控管理系统三个子系统组成，该系统的功能较为完备，用户界 面友好。 1 3 本文的研究内容和意义 虽然这一领域历经十余年的发展，取得了一些研究成果，但同时也存 在很多问题及有待于进一步探索的方向。 ( 1 ) 由于铁谱磨粒图像的复杂性以及图像处理领域至今尚无一种成熟 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 的图像分割算法，磨粒图像的分割任务还未得到完满的解决，这就严重影 响了后续的特征提取和磨粒识别工作； ( 2 ) 对磨粒形态数值特征的提取主要基于磨粒的外形特征( 大小，轮 廓和边缘细节) ，而对磨粒的纹理特征和颜色特征提取还处于初步尝试的阶 段，因而限制了可识别磨粒的种类和磨粒识别的精确性。已提取的反映磨 粒外形特征的定量数字参数，还需要进行各类参数在识别磨粒方面的有效 性的比较工作。达到高效实用的磨粒自动识别阶段还需要进行深入的研究， 提高相应硬件的性能和解决相关技术难题。 ( 3 ) 传统的专家系统本身面l 临着一些困难，如知识获取的“瓶颈”问 题、知识上的“组合爆炸”和“无穷递归”、没有联想记忆和类比等形象思 维的能力，没有自学习的能力及缺乏容错性等。这使得开发智能化的磨粒 识别和诊断专家系统及其实用化面临较大的困难。 ( 4 ) 磨粒自动识别和诊断与数据知识库相结合，组成完整的基于知识 的高智能自动识别诊断管理系统是铁谱技术的发展方向和目标。要达到高 效实用的目的，还需要不断努力和积累知识，并攻克许多技术难题。 针对上述的事实，北京交通大学摩擦学实验室研制开发了磨粒图像自 动识别处理系统。该系统能实现磨粒图像的预处理、自动分割、识别、打 印功能，在一定程度上还能进行机械状态的初步评估。本论文针对该图像 处理系统，提出在以下几个方面进行研究和改进： ( 1 )综合摩擦学知识，通过对磨损机理和磨粒形貌的研究，提出磨粒特 征提取方法，提取出一组有效的磨粒数字表征参数。 ( 2 ) 磨粒图像的分割是磨粒自动识别系统中的难点，并且利用神经网络 进行磨粒识别存在如何确定网络结构、过学习和欠学习、局部最小 点等问题，所以本文尝试利用一种新的模式识别方法，即支持向量 机( s u p p o a v e c t o r m a c h i n e ，简称s v m ) 6 5 , 6 6 , 6 7 】来进行磨粒自动分割和 q 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 识别。 ( 3 ) 用南昌机务段提供的磨粒图片对s v m 进行了训练，获得4 个分别识 别严重滑动磨损磨粒、疲劳层状磨损磨粒、疲劳剥离磨损磨粒及背 景的s v m ，并用1 2 0 幅磨粒图像做测试，分别得出上述3 类磨粒及 背景的识别准确率。( 见第五章的实验结果) 0 北京交通大学硕士学位论文第二章磨损机理与磨粒特征 第二章磨损机理与磨粒特征 2 1 磨损分类 磨损是由于相互接触的构件表面相对运动而在承载表面上不断出现材 料损失的过程。磨损现象几乎存在于一切具有相对运动零件的机器设备之 中，而造成磨损的原因及其所在的工况条件又是千差万别，这就决定了磨 损问题在研究和处理上的艰巨性。磨损问题的理论依据同摩擦和润滑问题 相比也是十分薄弱的。对于磨损的分类方法，各国的学者往往都有不同的 观点，而至今没有统一的观点。 分类的目的是为了将人们常用而实际存在的各式各样磨损故障按一定 的标准归纳为几个基本类型。合理的分类能够使磨粒计算机识别工作简化， 有利于磨粒计算机识别过程的进行，提高识别的有效性。 对磨损故障进行分类，应依据一定的原则，使得能够达到故障诊断的目 的与实现故障诊断的任务。磨损故障诊断的目的又是保证可靠地、有效地 发挥机械设备的功能。根据不同的研究目的，铁谱技术工作者对所分析的 磨粒作过多种分类，其中有代表性的分类方法是：按磨损机理划分；按磨 损形式划分；按磨粒化学成分划分；按磨粒形状特征划分；按摩擦副种类 划分等。由于铁谱技术在诊断磨损类故障方面具有独特的优越性，因而本 文分类主要是针对铁谱诊断方法的。我们认为按磨损机理划分和按磨损形 式划分是比较合理的。因为磨损形式指的是磨损表面的宏观形态或者说是 模式，而磨损机理指的是磨损的微观机制或过程，前者是静态的，后者是 动态的，两者概念上有本质的差别，然而又同时有着深刻的内在联系和因 果关系。 北京交通大学硕士学位论文 第二章磨损机理与磨粒特征 2 1 1 按磨损机理分类 不同的磨损机理产生的磨粒各异，因而可通过磨粒分析来识别引起磨损 故障的磨损机理，以便为设备的设计、制造服务。与磨粒分析有关的磨损 机理可分为以下几种： l 、正常滑动磨损( r u b b i n gw e a r ) ：接触表面作相对运动时，切混层不断产 生、剥落而形成的一种磨损。 2 、粘着磨损( a d h e s i v ew e a r ) ：接触表面作相对运动时，由于固相焊合作 用使材料从一个表面转移到另一表面而造成的一种磨损。 3 、磨料磨损( a b r a s i v ew e a r ) ：由于硬颗粒或硬凸起使材料产生迁移而造 成的一种磨损。 4 、疲劳磨损( f a t i g u ew e a r ) ：由于循环交变应力引起疲劳而使材料脱落的 一种磨损。 5 、腐蚀磨损( c o r r o s i v ew e a r ) ：由于与周围介质发生化学反应而产生的一 种磨损。其中包括氧化磨损、介质腐蚀磨损。 2 1 2 按磨损形式分类 1 、划伤：由于犁沟作用，在滑动方向上产生宽而深的划痕。 2 、点蚀：在接触应力反复作用下使金属疲劳破坏而形成的表面凹坑。 3 、剥落：金属表面由于变形强化丽变脆，在载荷作用下产生微裂纹随后剥 落。 4 、胶合：由粘着效应形成的表面结点具有较高的连接强度，使剪切破坏发 生在表面层内一定深度，从而导致严重磨损。 6 、腐蚀：由于润滑油中含水和润滑油膜破裂而使金属与周围介质发生化学 1 2 韭夏奎望奎堂堡圭堂堡丝奎塑三垩堕塑垫里兰墅塾堑笙 反应而产生的表面损伤。 上述的划伤、点蚀、剥落和胶合有宏观与微观之分，对于铁谱诊断而言， 主要是针对微观形式的。 2 2 磨损机理及磨粒的生成 2 2 1 正常滑动磨损 正常滑动磨损是由于摩擦表面组成的最外金属层在机械) j n i 时形成的 毕氏层脱落造成的。如图2 1 所示，毕氏层虽具有与金属基体同样的组成元 素，但已不再具有长品格序的结构。由于这种结构特点，这个切混层在相 对摩擦面的反复滑动和碾压作用下发生疲劳，出现纵向裂纹，既而水平发 展、连通、脱落，形成磨损现象，图2 - 1 示意了这种磨损的产生过程。毕氏 理论还说明，在接触应力和相对滑动运动的综合作用下，这个切混层还会 不断产生，因此摩擦磨损就是在这个切混层不断剥落、再产生、再剥落的 过程。铁谱技术的问世，使人们直接观察到在正常滑动磨损条件下，所产 生的厚度不到1um 、表面极为光滑的薄片状磨粒。这就有力地支持了对于 这种磨损机理的解释。 北京交通大学硕士学位论文第二章磨损机理与磨粒特征 2 2 2 粘着磨损 图2 - 1 摩擦磨损中毕氏层的脱落 由于摩擦副表面粗糙度的存在，通常表面微凸起相互接触面积只占名义 接触面积的很小比例。这样，载荷实际只作用在峰点间的很小面积之上。 1 4 北京交通大学硕士学位论文第二章磨损机理与磨粒特征 峰点间的直接接触使它们之间不再存在油膜甚至表面膜也被破坏。由于它 们之间的接触应力大大超过材料的屈服强度而使峰点产生塑性变形直至固 相熔焊。当结合点随摩擦副进行相对运动时，受其剪切力，结合点沿强度 较弱处断开使其脱离其中一个表面而转移到另一表面上，从而发生磨损。 旧的粘着点不断被剪断，新的接触点不断形成，如此周而复始，形成粘着 磨损。按照到此为止的粘着机理解释，似乎粘着磨损只发生材料转移而不 产生磨粒。然而，由于粘着点的强度已有异于原金属基体，转移后的峰点 已高于原峰点，在法向力和切向力的综合作用下，粘结点会脱落而形成磨 粒。图2 2 示意了粘着磨损的发生过程。 图2 - 2 粘着磨损 粘着磨损发生在微凸起毕氏层之下的变形层，就此而言，在微观上应属 异常磨损范畴。但从宏观上显然因发生的面积和深度的不同而有等级上的 差别。粘着磨损依其轻重程度不同可分为六个等级。这六个等级是：轻 微磨损。剪切破坏产生在粘着点上，粘着转移轻微；涂敷( s m e n r i n g ) 。 剪切肤浅，一方金属材料以很薄一层转移到另一表面上去；擦伤 ( s c r a t c h i n g ) 。剪切发生在亚表层内，表面沿滑动方向出现细小划痕； 划伤( s c o r i n g ) 。剪切进入金属基体，沿滑动方向产生较重抓痕；胶合 ( s c u f f i n g ) 。剪切发生在摩擦副金属基体较深处，局部发生固相焊合； 咬死( s e i z u r e ) 。工作表面粘着咬住，相对运动停止。六个等级中，前两 1s 北京交通大学硕士学位论文 第二章磨损机理与磨粒特征 个等级对摩擦副表面破坏甚微，工程概念上仍属正常磨损范围。 2 2 3 磨料磨损 摩擦副两表面在相对运动中，由于硬质颗粒或硬的凸起存在而造成摩擦 表面脱落的现象为磨料磨损。磨料磨损实际上是近似机床车刀加工金属零 部件的微观切削过程。按照两摩擦表面发生磨粒磨损时的状态的不同，可 分为二体磨料磨损和三体磨料磨损，见图2 3 所示。二体磨料磨损是较硬摩 擦表面上的微凸体在较软相对表面上进行切削。三体磨料磨损顾名思义是 在两相对运动表面间夹有坚硬的“第三者”而造成的。这“第三者”或是 进入润滑油系统的外来物，或是由摩擦副自身产生的磨粒。它们或因在两 摩擦副间滚动，或因镶嵌在一个表面上而造成摩擦副表面的犁削。 1 6 北京交通大学硕士学位论文 第二章磨损机理与磨粒特征 图2 - 3 磨料磨损 l 、2 一二体磨料磨损；3 、4 三体磨料磨损 铁谱技术的出现，使我们能够直接观察到这种微观切削过程所产生的切 削磨粒。它们在形态上几乎完全相同于机加工产生的切屑，然而在尺寸上 只是其万分之一乃至十万分之一。对于形态各巽的切削磨粒所反映出的不 同的磨料磨损过程，几乎完全可以照搬金属切削加工原理加以解释。它取 决于摩擦副材料的性质、表面的状态、磨料的硬度和形态以及包括载荷、 速度等在内的工作状态。比如，细长而又可以形成多个螺旋的切削磨粒， 一般产生于具有较好强度和韧性的钢质表面( 如轴系) 和因细小砂粒进入 而发生的三体磨料磨损机理。而短粗虽弯但不形成螺旋的，一般产生于铸 铁表面( 如柴油机气缸套) 和因表面失效破坏而发生的二体磨料磨损梳理。 切屑上的折皱往往反映了表面硬微凸起或磨料的尖锐程度，而切屑的宽度 更直接反映了表面犁沟的深浅。当然，准确的解释还有赖于对具体情况的 详尽考察。但有一点是肯定的，铁谱片上著出现有代表性的大量的切削磨 粒，那摩擦副一定是处于一种或因一个表面已经失效或因润滑油严重磨料 污染的异常磨损状态。 1 7 北京交通大学硕士学位论文 第二章磨损机理与磨粒特征 2 2 4 疲劳磨损 摩擦副两表面在相对运动中，在循环变化的接触应力作用下，发生材料 疲劳而脱落的现象称之为表面( 或接触) 疲劳磨损。图2 - 4 示意了疲劳磨损 发生的过程。摩擦副在往复的交变接触应力作用下，经过相当的循环次数， 不可避免地在接触应力集中的区域发生材料的疲劳。由于表面机械性能的 降低或表层内缺陷、杂质的存在而萌生了机理各不相同的表面或表层两种 微观裂纹，统称之为疲劳裂纹。微观裂纹的扩展乃至贯通，使材料剥落而 形成疲劳磨损。 图2 - 4 疲劳磨损 上：俯视；下：侧视 疲劳磨损一般发生在滚动摩擦副( 如滚子轴承) 和滚动兼滑动摩擦副( 如 齿轮系) 。当这些摩擦副发生疲劳磨损时，其摩擦表面和所产生的磨粒都有 北京交通大学硕士学位论文 第二章磨损机理与磨粒特征 着与其产生过程相对应的特征。表面会出现以大而浅为特点的鳞剥坑和以 小而深为特点的点蚀坑。而磨损颗粒则明显区别于正常磨损下产生的薄而 光滑的摩擦磨粒，带有大而厚、表面粗糙的“岩石”状特点。当较大磨粒 被带有滚动运动形式的摩擦副进行碾压时，往往变形、撕裂，而形成具有 孔洞、折皱、裂痕等表面特征的片状磨粒。尤具特点的是，由于疲劳磨损 源于微观裂纹的萌生，那些只有数微米的微小磨粒在裂纹中反复出入、滚 动，以及在封闭的高压作用下，形成了独具特点的球状颗粒，见图2 5 。这 种颗粒不但在发生疲劳磨损表面的微观裂纹底部可以看到，而且在同一个 摩擦副润滑油样所制成的铁谱片上，成千上万地首尾相接排列，形成球体 沉积链。 图2 5 疲劳磨损过程中球形磨粒的形成 1 9 北京交通大学硕士学位论文 第二章磨损机理与磨粒特征 2 2 5 腐蚀磨损 摩擦副两表面在相对运动中，由于表面与带有腐蚀性介质的接触而发生 化学或电化学反应，造成材料损失的现象称之为腐蚀磨损。腐蚀磨损实际 上是一种特定条件下的金属材料氧化作用。一方面，在摩擦副表面之间的 相互机械摩擦破坏了最外层具有一定保护作用的氧化膜之后，金属材料直 接与润滑介质中的水分、酸( 碱) 成分接触，就会发生氧化反应，造成表 面的腐蚀。而另一方面，由于腐蚀的发生而大大削弱了材料表面原有的耐 磨性，而加快了材料的磨损。因此，腐蚀磨损是两摩擦表面的机械摩擦与 化学腐蚀两种机理同时反复交替作用的结果。由于介质的性质，介质作用 在摩擦表面上的状态以及摩擦副材料性质的不同，腐蚀磨损出现的状态可 分为3 类： 1 、氧化磨损：因大气中含有氧，所以氧化磨损是最常见的一种磨损形式， 发生氧化磨损的摩擦副表面特征是呈现沿相对运动方向极匀细的磨痕。 它们的磨粒特征也是极为对应地呈现出极细和极均匀特征的亚微米级 褐色细粒。由于具有极弱的磁性，它们成片地沉积在铁谱片出口处。影 响氧化磨损的因素有滑动速度、接触载荷、氧化膜硬度、介质的含氧量、 润滑条件及材料性能等因素。在实际的工程现象中，发生氧化磨损比较 典型的例子是柴油机气缸套活塞环摩擦副。润滑油中抗氧化添加翔的消 耗往往使润滑油呈现出酸性。柴油燃烧后的废气含有s 0 2 成分，遇水会 形成硫酸滞留在燃烧室。柴油燃烧形成的高温又提供了加速氧化的环 境。因此，在对诸如柴油机这类热工机械进行铁谱监测时，常见带有腐 蚀磨粒的铁谱片。不仅如此，若这种机械摩擦和化学腐蚀交替过程在高 温环境下继续发展下去，会出现橙黄色f e 2 0 3 磨粒( 注意不是团粒) ，乃 至黑色的f e 3 0 4 磨粒。 北京交通大学硕士学位论文第二苹蓿损机理与磨粒特征 2 、特殊介质腐蚀磨损：摩擦副与酸、碱、盐等特殊介质发生化学腐蚀作用 而形式的磨损称为特殊介质腐蚀磨损。其机理与氧化磨损相似，但磨损 速度较快。它们的磨粒特征是尺寸细小，属亚微米级，绝大多数小于光 学显微镜的分辨率，难以区分单个磨粒，在铁谱片上具有高度密集沉积 的特点。 3 、气蚀：气蚀在零件与液体相接触并具有相对运动时发生。当液体与零件 接触处的局部压力比其蒸发压力低时，将形成汽泡，同时溶解在液体中 的气体亦可能析出形成汽泡，如果这些汽泡流到了大于汽泡内压的高压 区，迫使汽泡溃灭，瞬间产生极大的冲击力及高温。汽泡形成和溃灭的 反复作用，使零件表面的材料产生疲劳而逐渐脱落，以致零件表面呈麻 点状，随后扩展呈泡沫海绵状。 在实际工况中，由于零件摩擦的复杂性，一般都是多种磨损机理在同时 起作用，即不止一种磨损形式。但总是以一种磨损形式为主，而且在不同 磨损阶段常常以一种磨损机理为主，甚至不同机理交替发挥作用。 实际上各种同时发生的机理之间要相互影响，而不是简单的叠加。它们 或者相互促进造成恶性循环，从而造成破坏性的磨损；或者相互制约形成 良性循环，磨损最后达到并维持在较低和稳定的水平上。 2 3 磨粒的摩擦学系统分析 2 3 1 摩擦学系统分析方法 摩擦学( t r i b o l o g y ) 是研究相对运动、相互作用表面的有关理论与实践 的一门科学与技术。它是一门综合性的边缘学科，是一个系统工程的问题。 因此适合用系统方法进行研究。早在1 9 7 8 年的c z i c h o s 就在这方面作了探 北京交通大学硕士学位论文第二章磨损机理与磨粒特征 索，他用系统的方法对摩擦学的各部分作了分析，是成功的尝试【4 9 1 。然而 随着摩擦学研究的不断深入，研究范围的进一步扩大，它的应用研究已经 从单纯的摩擦、磨损与润滑等方面，发展到机器设备的状态监测，并正在 向设备维修管理渗透。这就使得c z i c h o s 的摩擦学系统理论有了更广泛的应 用。1 9 9 3 年文献【6 】为适应摩擦学发展的需要，提出了摩擦学大系统理论。 这一理论的诞生标志着摩擦学的发展进入了一个新的历史时期。它使摩擦 学的研究领域进一步扩大，使摩擦学研究更加面向生产、面向工程实践问 题。摩擦学大系统理论把状态监测列为一个必须的子系统。这样就把状态 监测这一活跃领域与摩擦学组成了一个整体，从而用摩擦学的丰富知识来 指导状态监测工作，分析设备故障原因。 随着摩擦学的发展，摩擦学的研究突破了原来有关摩擦学的定义范围。 文献【6 】用系统的观点给出了现代摩擦学的定义。新的摩擦学定义为：“摩擦 学是关于自然界系统中相互作用、相对运动表面及参与作用的介质在系统 中的行为和结果的科学及有关技术。”这定义清楚地表明了摩擦学是一个 系统工程问题。文献【6 】同时指出了摩擦学的三大重要特征，即系统依赖性、 时间依赖性、多学科跨学科性。最初的摩擦是以研究机器设备的摩擦、磨 损与润滑这三个相互关联的领域为目标，后来逐步发展到监测机器设备的 摩擦学时变特性且依此诊断机器设备的故障，实施状态控制与补偿，为机 器设备的维护、保养、维修管理提供决策依据。 2 3 2 磨粒的摩擦学系统分析 磨粒是摩擦学系统的磨损产物，磨粒形成机理的研究表明：不同的磨损 形式会产生不同种类的磨粒；不同种类的磨粒具有其自身的特征。对摩擦 学系统工况监测来说，磨粒是重要的信息源。磨粒所具有的“群体”信息， 北京交通大学硕士学位论文 第二章磨损机理与磨粒特征 透过这些信息的静态数据来把握摩擦学系统状态变化的动态过程。就磨粒 的“个体”信息而言，其外观颜色、表面纹理、轮廓形状等特征都是摩擦 学系统中摩擦副经历摩擦学行为的重要标志。窘损颗粒的轮廓形状与一定 的磨损类型相关；磨损颗粒的表面形态反映了磨损过程的情况，通过对磨 损颗粒的表面光滑度、弯曲度、有否直纹和斑点或孔洞等因素进行分析， 可以与相应的磨损类型联系起来。 2 4 磨粒种类及其形貌特征 根据磨损形式的形成机理，通常磨损分为摩擦、粘着、磨料、疲劳和腐 蚀5 种基本形式。与这5 种基本形式有关的磨损颗粒可分为：与摩擦磨损 有关的正常磨损颗粒；与粘着磨损有关的严重滑动磨损颗粒：与磨料磨损 有关的硬表面切削和磨料切削磨损颗粒；与疲劳磨损有关的层状、疲劳剥 离和球状磨损颗粒；与腐蚀磨损有关的红色氧化物、黑色氧化物和亚微米 级腐蚀磨损颗粒。 2 4 1 与正常滑动磨损有关的磨粒 在零件的正常磨损期，其表面形成一层均匀的薄层，这一薄层是约 3 0um 的微晶结构层，称为切混层。切混层显示出极高的延展性，它可沿 表面滑数百倍于其厚度的距离。它的这种承受应力时的滑动能力将形成极 光滑的磨痕。只要切混层是稳定的，表面即处于正常磨损。这时零件生成 的磨粒称为正常滑动磨损颗粒，它是由运动零件表面的切混层发生局部剥 落而形成的。通常，正常滑动磨损颗粒呈薄片状，表面光滑，其长轴尺寸 从1 5 o 5u m ，甚至更小，厚度在0 1 5 1 l a m 之间。磨粒形状因子( 即长 轴尺寸和厚度的比) ，较大的磨粒约为1 0 ：