（载运工具运用工程专业论文）磨损过程中的磨粒表面和磨损表面特征及其相互关系研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要+ 磨损状念的确定以及磨损过程中的磨损机理的判定都依赖于对摩擦副表面 形貌和磨损过程中生成的磨粒的分析研究。对j 下在运行的机器设备。磨粒比较 容易获得，但磨损表面形貌往往无法直接获取，因此，研究磨损表面与磨粒表 面之间的相互关系具有重要的意义。 本文针对现今摩擦学测试手段的不足，开发了基于激光共焦扫描显微镜和 图像处理技术的三维表面数字化描述的新方法，运用该方法能够获得精确的磨 粒和磨损表面的三维表面形貌，然后用小波理论分离磨损表面和磨粒表面的表 面粗糙度、波纹度和形状误差，并用计算机图像分析技术来获得磨粒的二维特 征参数以及磨粒和磨损表面的三维表面特征参数，进而开展摩擦副系统中磨粒 表面和磨损表面的研究。在此基础上以矿山和港口机械为研究背景，针对这类 机械的运行环境，在摩擦磨损试验机上模拟这类机械摩擦副中广泛存在的滑动 磨损形式，考察污染物、高温、润滑状况等因素影响下的磨损过程，综合运用 开发的三维表面数字化描述方法、铁谱、磨粒分析仪、激光共焦扫描显微镜等 技术和手段研究磨损进程中磨损颗粒和磨损表面的变化情况及其相互关系， 深入探讨磨损机理。 对于矿山和港口机械，一些硬颗粒如二氧化硅和低硬度颗粒污染物不可避 免地存在于这些机械的润滑系统中。在销盘磨损试验机上通过模拟试验研究了 高硬度的二氧化硅颗粒和低硬度的铁粉颗粒存在润滑油中时的滑动磨损过程， 分析了不同磨损阶段中的磨损表面和磨粒表面特征，探讨了二氧化硅颗粒和铁 粉颗粒的单独作用和协同效应；研究了当污染物颗粒存在于润滑油中时，润滑 油温度对滑动磨损过程的影响，结果表明，温度严重影确着粘着和氧化磨损发 生的概率和程度，这充分说明外来污染物在磨损过程中起着重要作用。可以相 信从这些研究中获取的知识将有助于加深理解高温且污染物存在于润滑系统中 + 奉论文的研究错到，下列项目的瓷助：国家自然科学然金项目( 项目编号：5 0 2 7 5 1 1 1 ) 、澳大利亚国家研究 会项目( 项目编号：d p 0 2 0 9 7 6 6 ) 和基于一i ：述两个项目均国家自然科学莲金瓷助的中澳舍作项目( 项甘编号i 5 0 3 1 1 1 2 0 2 0 7 ) 。 武汉理工大学博士学位论文 的磨损过程，将对磨损分析和磨损控制提供一些依据。 表面特征描述，特别是表面粗糙度分析在摩擦、磨损及润滑相关问题研究 中有着重要作用。表面粗糙度是描述表面的一个重要参数，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，结果表明，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。为了进一步明确磨损表面和磨粒表面之间的这种相 关性，采用更多的表面特征参数，用信息融合的方法研究磨损过程中的磨损表 面和磨粒表面的映射关系。首先选择合理的参数用神经网络来识别磨粒类型， 获得磨损过程中具有典型性和代表性的磨粒类型。然后选取这些具有代表性的 磨粒类型，来研究磨损表面和磨粒表面的映射关系，结果表明摩擦学系统中摩 擦副的表面状态可以通过研究生成的磨粒的表面形态来加以评估，从而达到通 过磨粒表面特征预测磨损表面特征的目的，为不停机、不拆卸的机器状态辨识 提供了支持。 关键词：磨损；磨粒：三维表面形貌；激光共焦扫描显微镜；信息融合 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t t h er e c o g n i t i o no fw e a rc o n d i t i o na sw e l la sw e a rm e c h a n i s mi nw e a rp r o c e s s d e p e n d s o nt h ea n a l y s i so fs u r f a c et o p o g r a p h i e so fw e a rc o m p o n e n t sa n dw e a rd e b r i s g e n e r a t e di nt h ew e a rp r o c e s s f o ram a c h i n ei no p e r a t i o n ，i ti sv e r yc o n v e n i e n tt o c o l l e c tw e a rp a r t i c l e sg e n e r a t e di nw e a rp r o c e s sf o rc o n d u c t i n gw e a rd e b r i sa n a l y s i s h o w e v e r ，i ti sd e f i n i t e l yd i f f i c u l tt oa c c e s st os t u d yt h es u r f a c eo fw e a rc o m p o n e n t s t h e r e f o r e ，i ti sv e r yc r u c i a la n ds i g n i f i c a n tt os t u d yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s u r f a c eo f w e a rc o m p o n e n t sa n dt h es u r f a c eo f w e a rp a r t i c l e s t h i sp a p e rh a sp r o p o s e das e to fm e t h o d sa n dt e c h n i q u e st oa c q u i r ea p p r o p r i a t e i m a g e su s i n gc o n f o c a ll a s e rs c a n n i n gm i c r o s c o p y ，t os e p a r a t er o u g h n e s s ，w a v i n e s s ， a n df o r mu s i n gw a v e l e tt h e o r y ，a n dt oc a l c u l a t e2 d & 3 ds u r f a c ep a r a m e t e r so fw e a r p a r t i c l e sa n de n g i n e e r i n gs u r f a c e sf o rq u a n t i f y i n gs u r f a c ec h a r a c t e r i z a t i o no f e n g i n e e r i n gs u r f a c e sa n ds u r f a c e so fs m a l lp a r t i c l e su s i n gc o m p u t e r i z e di m a g e a n a l y s i st e c h n i q u e s t h eu s eo ft h ea p p r o a c h e sf o r3 ds u r f a c ep a r a m e t e r sd e v e l o p e d i nt h i sp a p e rw i l lp l a yag r e a tr o l ei ns t u d y i n gs u r f a c e so fw e a rp a r t i c l e sa n ds u r f a c e s o fw e a rc o m p o n e n t s b e n e f i t e df r o mt h ea b o v ea p p r o a c h e s ，t h i sp r o j e c tf o c u s e do n t h es l i d i n gw e a rm o d ei nm i n i n ga n dp o r tm a c h i n e r ya n dc o n d u c t e das e r i e so fw e a r t e s t st o s t u d yt h ee r i e c t so fc o n t a m i n a n t s ，t e m p e r a t u r ea n dl u b r i c a n tc o n d i t i o no n w e a rp r o c e s sa n dt h es u r f a c ee v o l u t i o n so fw e a rp a r t i c l e sa n dw e a rc o m p o n e n t sa s w e a rp r o g r e s s e s f o ra l lm i n i n ga n dp o r tm a c h i n e r y ，t h e i rl u b r i c a n t sa r ev e r yl i k e l yt ob ep o l l u t e d b yc o n t a m i n a n t ss u c ha ss i l i c aa n do t h e rm e t a l l i cd e b r i ss u c ha si r o na n dn i c k e l i n o r d e rt os e e kad e e p e ru n d e r s t a n d i n go ft h ee f f e c t so fd i f f e r e n tc o n t a m i n a n t so nw e a r p r o c e s s ，t h i sp r o j e c tc o n d u c t e ds l i d i n gw e a rp r o c e s s e su s i n gp i n o n d i s ct e s t e rw h e n s i l i c a p o w d e ra n d i r o n p o w d e re x i s ti nn 3 2l u b r i c a n tt os t u d yt h es u r f a c e c h a r a c t e d z a t i o no fw e a rp a r t i c l e sa n dw e a rc o m p o n e n t si nd i f f e r e n tw e a rs t a g e s t h e i n d e p e n d e n ta n dd e p e n d e n tr o l eo fs i l i c aa n di r o np o w d e ri ns l i d i n gw e a rp r o c e s s e s w a sa l s oa n a l y z e db a s e do ne x p e r i m e n t a lr e s u l t s f u r t h e r m o r e ，s l i d i n gw e a rt e s t sh a v e b e e nc o n d u c t e dt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r eo ns l i d i n gw e a rp r o c e s s e s w h e nt h ei r o np a r t i c l ec o n t a m i n a n t sw e r ee x i s t e n to rn o n e x i s t e n ti nt h es a e 4 0 i i i 武汉理工大学博士学位论文 1 u b r i c a n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sc l e a r l ys h o w e dt h a tt h et e m p e r a t u r eo ft h es a e 4 0 l u b r i c a t i n go i lh a sas i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h ew e a rp r o c e s s e s t h ei n c r e a s ei nt h e t e m p e r a t u r eo ft h es a e 4 0l u b r i c a n ti n c r e a s e st h ep r o b a b i l i t ya n dt h ed e g r e eo f a d h e s i o na n do x i d a t i o n i ti sv e r yc l e a rt h a tc o n t a i n m e n t sa n dl u b r i c a n tt e m p e r a t u r e d i dp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nw e a rp r o c e s s i ti sb e l i e v e dt h a tt h ek n o w l e d g eg a i n e di n t h i ss t u d yi ss i g n i f i c a n tf o ra d e e p e ru n d e r s t a n d i n go ft h ew e a rm e c h a n i s m sa n dw e a r c h a r a c t e r i s t i c sa sw e l la sf o rc o n t r o l l i n gw e a rr a t e s s u r f a c ec h a r a c t e r i z a t i o n ，p a r t i c u l a r l yr o u g h n e s sa n a l y s i s ，i sv e r yi m p o r t a n tf o ra w i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si n v o l v e dw i t ht h ec o n t r o lo ff r i c t i o n ，l u b r i c a t i o n ，a n dw e a r , s l i d i n gw e a rt e s t sw e r ec o n d u c t e do nt h et e s t e ra tr o o mt e m p e r a t u r et oi n v e s t i g a t et h e s u r f a c er o u g h n e s se v o l u t i o n so fb o t hw e a rc o m p o n e n t sa n dt h ew e a r p a r t i c l e s g e n e r a t e df r o mt e s t s a sw e a rp r o g r e s s e su n d e rp r o p e rl u b r i c a t i o na n di m p r o p e r l u b r i c a t i o nc o n d i t i o n s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r ei sg o o dc o r r e l a t i o no ft h es u r f a c e m o r p h o l o g yo f w e a rp a r t i c l e sa n dt h es u r f a c em o r p h o l o g yo f t h ew e a rc o m p o n e n t s i n o r d e rt os e e kaf u r t h e rc o r r e l a t i o no fs u r f a c e so fw e a rp a r t i c l e sa n ds u r f a c e so fw e a r c o m p o n e n t s ，m o r es u r f a c ep a r a m e t e r sw e r ea d o p t e dt od e s c r i b et h es u r f a c e c h a r a c t e r i s t i c s s u b s e q u e n t l y ，i n f o r m a t i o nf u s i o nt e c h n o l o g yw a su s e dt oi n v e s t i g a t e t h em a p p i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e ns u r f a c et o p o g r a p h i e so fw e a r p a r t i c l e sa n dt h o s eo f c o r r e s p o n d i n gw e a rc o m p o n e n t s f i r s t l y , a p p r o p r i a t ep a r a m e t e r so fw e a rp a n i c l e sa r e s e l e c t e dt or e c o g n i z et y p e so fw e a rp a r t i c l e su s i n gn e u r a ln e t w o r kt od e t e r m i n et h e m a i nr e p r e s e n t a t i v et y p e so fw e a rp a r t i c l e sg e n e r a t e di nt h ew e a rp r o c e s s t h e n ，t h e s u r f a c ec h a r a c t e r i z a t i o no ft h e s er e p r e s e n t a t i v ew e a rp a r t i c l e sw a sg a i n e dt oc o n d u c t t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c so fw e a rp a r t i c l e sa n dt h o s eo fw e a r c o m p o n e n t s t h ed e m o n s t r a t e dc a s eh a ss h o w e dt h a tt h es u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c so f w e a rc o m p o n e n t sc a nb ea s s e s s e dt h r o u g hs t u d y i n gt h es u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e w e a rp a n i c l e s i ti sb e l i e v e dt h a tt h es u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c so fw e a rc o m p o n e n t sc a n b ep r e d i c t e da c c o r d i n gt ot h es u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c so fw e a rp a r t i c l e s ，w h i c hw i l l c o n t r i b u t et om a c h i n ec o n d i t i o nm o n i t o r i n g k e yw o r d s ：w e a r ；w e a rd e b r i s ；3 ds u r f a c et o p o g r a p h y ；c o n f o c a ll a s e rs c a n n i n g m i c r o s c o p y ；i n f o r m a t i o nf u s i o n i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究。【作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生c 签名，：越同期：丛蛐 关于论文使用授权的说明 本文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 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 愀c ：越翩c ：拜隰掣蚴 武汉理i ：人学博十学位论文 第1 章绪论 摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者问相 互关系的理论与应用的一门边缘学科【l 】。磨损是机械设备的主要失效形式之 一，所有机器和机构的运转都是依赖其零件副的相对运动，有相对运动就有磨 损，磨损导致表面损坏和材料损耗，是造成零件失效和材料损耗的主要原因。 统计分析表明大约有8 0 的零件失效是由于各种形式的磨损引起的，任何减 少磨损的措施都能延长零件的使用寿命，因此，开展磨损研究对于提高机器设 备的质量和节约原材料无疑具有重大意义1 2j 。而要达到控制和减少磨损的目 的，磨损机理的研究极其重要。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，但由于摩擦学的系统特征所表现出的强烈的系统依赖 性、不可移植性和过程的时变特征( 3 1 ，导致摩擦学研究具有不同于一般研究的 复杂性和艰巨性，因此，磨损机理的研究仍没完善，仍是一个有待更进一步研 究的课题。只有彻底弄清摩擦磨损的机理，才能实现摩擦副系统从黑箱系统到 灰箱系统的转化，同时对故障诊断和机器状态监测也离不开对磨损机理的研究 和对磨损状态的判定。 1 1 典型磨损过程 对于一个存在着摩擦磨损过程的机械系统，两个接触表面的相互运动过程 将不可避免地导致材料的磨损消耗，从表面现象上来划分，这种材料的损耗可 以分为磨合( 或称为跑合) 、稳定磨损( 或称为正常磨损) 和剧烈磨损( 或称为严熏 磨损) 等三个阶段【4 , 5 1 ，如图1 - 1 所示。磨台阶段是摩擦副接触相互作用的最初 阶段，由于各摩擦表面由于加工过程造成的表面粗糙峰和微凸体，磨损率在一 玎始较大然后逐渐下降，当达到一定运行时间后，磨损率的变化逐渐平缓，经 过此良好磨合后，进入稳定磨损阶段，此阶段中，各摩擦副表面已磨配良好， 磨损稳定进入正常使用，运行状态良好。磨损率比较小，且比较平稳，变化不 大。随着运行时间的延长，摩擦副材料的性能发生变化，有时加之其它因素的 影响，磨损急剧增加，进入剧烈磨损阶段，此阶段中，摩擦副运行过程中极易 武汉理【：人学博+ 学位论文 失稳，出现严重故障。摩擦磨损研究的目的之一就是要让摩擦副系统尽早进入 稳定磨损阶段并让稳定磨损阶段尽可能的长。 图1 1 机器磨损过程的浴盆曲线 具体到摩擦副表面，磨合过程是实际接触面积的弹性部分逐步增加和塑性 部分逐步减少的过程。随着表面平衡粗糙度的形成，摩擦表面进入了稳定磨损 期。随着表面硬化层的损耗或疲劳损伤的逐步累积以及系统中润滑等使用条件 的改变。这种长期的平衡状态就会被破坏，随着表面层的逐步失去和疲劳的不 断累积，平衡状态的破坏越来越严重。进入剧烈磨损期1 6 1 。对应的磨损过程中 生成的磨屑( 磨粒) ，在磨合阶段磨粒浓度快速增加，在磨合阶段术期逐渐减 小趋于稳定，在稳定磨损阶段大磨粒浓度达到动态平衡，小磨粒浓度随运行时 州线性增加，而在剧烈磨损阶段，磨粒浓度急剧增长1 7 j 。由此可见，磨损状态 的确定以及磨损过程中的磨损机理的判定均依赖于对摩擦副表面形貌和磨损过 程中生成的磨粒的分析。 1 2 摩擦副表面形貌分析技术 摩擦表面形貌直接反映机械零件的磨损、疲劳和腐蚀等特征行为，不同磨 损过程后的磨损表面形貌差别很大，不同的摩擦表面状态也会影响摩擦副的性 能【8 】q 摩擦表面形貌是判定磨损机理最直接、最主要的判据。 2 武汉理工大学博士学位论文 早期摩擦学研究中采用放大镜、金相显微镜、体视显微镜等第一代显微观 测技术来研究表面形貌【9 】。毫无疑问，这些设备曾经有效地担负了摩擦学研究 中的测试工作，推动了摩擦学研究的进展。但同样不可回避的是用这些设备进 行摩擦学测试时，使用不太方便，放大倍数较低，分析效果较差，测量频次较 低，与摩擦学系统特性所要求的必须对系统参数进行大量的统计性测试相比， 相差甚远。同时，所得到的试验结果不容易保存和查找、管理也不方便，摩擦 学研究的效率大打折扣，极不适应现代企业技术和管理的要求。 2 0 世纪7 0 年代中期开始出现的以扫描电子显微镜为代表的第二代显微观测 技术将表面形貌的研究引入了一个新阶段【1 0 1 。电子扫描获得的图像清晰、有立 体感，放大倍数范围宽。同时，依附于电子扫描显微镜设备的衍射技术和能谱 分析可用于分析摩擦过程中表层结构的变化。将电子柬、x 射线等照射到被测 表面，然后测量所获得的衍射线的直径面间距，将这些值与几种已知物质的值 进行比较，便可根据这些比较值鉴别待检测的物质。当用电子照射试样表面 时，表面受到激发而产生的是俄歇电子。俄歇电予能谱仪的原理便是通过电子 束使表面激发而产生二次放射电子，通过收集这些电子进行能谱分析就能够研 究摩擦表面上- - z 层原予厚度内的组织变化。随着电子和超高真空技术的发 展，将各种表面分析技术结合形成多功能分析测量仪器以实现对表面形貌、结 构和化学成分进行全面的分析，这将在摩擦磨损机理研究中起到更加重要的作 用。同时，表面形貌的变化可以采用表面轮廓仪来进行分析。表面轮廓仪工作 时，测量触针在表面上以均匀速度移动，通过将触针随表面轮廓的垂直运动进 行检测、放大，描绘出表面的轮廓曲线。根据这些轮廓曲线便可以很容易的获 得表面形貌的二维量化参数。 1 9 8 8 年美国国家标准局举办了第四届工程表面特性和表面计量国际会议， 会议指出表面形貌本质上是三维的，任何对二维轮廓截面所进行的检测和分析 结果，即使其过程被严格控制，也只能给出真实表面形貌的一个不完整的描 述，只有三维的检测和定量化计算才能对表面形貌进行完整的描述12 1 。从 此，在这一指导原则下，三维表面形貌测量技术得到很大发展，并取得了丰硕 的成果，表面计量从二维轮廓截面技术世界飞跃到了可定量化描述三维表面形 貌的世界。 目前，一些先进的表面轮廓仪如t a y l o r s u r fp g l l l 3 1 已经能用来研究摩擦表面 武汉理工大学博二七学位论文 的三维形貌。同时以扫描隧道显微镜为代表的第三代显微观测技术的发展与应 用，也将摩擦学表面形貌的研究引入到三维研究，而且这些测试技术和仪器的 发展，提供了在原予、分子尺度上观察表面现象及其变化的有效手段，使得纳 米摩擦学的实验研究成为可能【l0 1 。1 9 8 2 年，国际商业机器公司苏黎世实验室发 明了扫描隧道显微镜( s t m ) ，这是新兴的扫描探针显微镜( s c a n n i n gp r o b e m i c r o s c o p e ，简称s p m ) 家族中的第一个成员。通过扫描隧道显微镜能得到具有 原子尺度分辨力的表面轮廓三维图像。然而由于s t m 在操作中需要施加偏电 压，因此只能用于观测导体和半导体材料样品。s p m 家族的第二个成员原子力 显微镜( a f m ) 的出现解决了扫描隧道显微镜不能观测非导电样品的缺陷 1 4 o a f m 通过测量针尖与样品表面原子间的作用力来获得样品表面形貌的三 维信息，但是表面高度测量范围仅限于4l a m ! ”】。摩擦力显微镜( f r i c t i o nf o r c e m i c r o s c o p e ，简称f f m ) t 4 1 是微机械测试中须用到的一种重要仪器，它测量悬臂 受到水平方向的力( 摩擦力) 而发生的偏转运动，通过记录偏转程度获得样品 表面摩擦力分布图像及凝聚形态。 毫无疑问，上述这些方法能得到高质量摩擦学表面三维形貌，但是测量远 不如光学显微镜来得方便，但普通光学显微镜的放大倍数往往受到限制，为了 突破这一限制，人们纷纷寻求采用其他工作机理的显微观测技术来代替光学显 微镜，根据阿贝准则i lo 】：任何依靠透镜使光线或其他射线聚焦的显微镜，受衍 射现象的限制，其分辨的最小细节不小于半个射线的波长。由此可见，普通光 学显微镜的分辨力受到了严重限制，为了突破这一限制，提高显微镜的分辨 力，人们一方面采用波长很短的激光作光源，更为主要的另一方面是出现了各 种全新的理论和方法，从而彻底打破了阿贝准则的限制，如今先进的光学显微 镜已经达到甚至超过了电子显微镜的分辨力，为人类观察研究微观世界提供了 强有力的工具，这些成果也必将对摩擦学研究产生重大意义。激光共焦扫描显 微镜( c o n f o e a ll a s e rs c a n n i n gm i c r o s c o p e ，简称c l s m ) 就是这一指导思想的重 要结斟10 1 。 激光共焦扫描显微镜是近年来快速发展起来的一项高新技术。采用激光为 光源，增加了显微镜的分辨力，此外采用共轭焦点技术进行成像的，使光源、 被测样品及探测器处在彼此对应的共轭位置上，因此在成像程中，只有来自样 品内焦平面上的光才能在探测针孔平面正确聚焦，从而穿过探测针孔而成像； 4 武汉理工火学博士学位论文 焦平面以外区域射来的光线在探测针孔处是离焦的，将被探测针孔滤除【1 6 】。因 此，非观察点的背景呈黑色，反差增加，成像清晰，辅助于计算机图像处理技 术，高分辨力的摩擦表面三维图像得以获得。激光共焦扫描显微镜己在分子细 胞生物学、遗传学、生物化学、材料科学、病理学等学科领域的研究工作中发 挥了重要作用“卜19 1 。 1 3 磨粒分析技术 磨粒是摩擦磨损过程中的重要信息载体和磨损机理判据【2 0 】。磨粒是由于摩 擦副表面相对运动，并与界面介质和环境气氛的相互作用，经历一系列摩擦学 过程，导致表面磨损形成的产物，含有丰富的关于材料表面摩擦、磨损的信 息，其数量、大小、形状、颜色、形貌及结构特征等与磨粒产生时的系统状态 以及材料的磨损方式密切相关。因此，磨粒是较容易获得的能够反映摩擦学系 统时变特征的系统输出变量。对磨粒进行分析是确定摩擦副系统特性的主要内 容之一f 2 l2 2 ) 。 磨粒分析技术的应用大约丌始于上世纪4 0 年代田j 。那时，人们用安装于油 池的磁塞和回油管路上的滤网收集磨粒来获得零件磨损或即将失效的可见证 据。出于加强安全和减少损失的需求，美国铁路首先在蒸汽和内燃机车上应用 这种磨粒分析技术，并通过光谱分析来拓展其应用范围。然而，磁塞只能捕捉 大于5 0 斗m 的磨粒，光谱仅仅可有效分析3p m 以下的磨粒。1 9 7 0 年铁谱技术 ( f e r r o g r a p h y ) 出现之后，磁塞与光谱分析之间的“鸿沟”才得以跨越【2 4 i 。铁谱 仪可以简便而有效地从润滑油中分离出有价值的磨粒，其磨粒尺寸检测范围在 几微米到几百微米，而这正是大多数磨损故障可能开始产生的磨粒尺寸范围； 同时，铁谱分析还可以观察磨粒的表面形貌、颜色等，从而能获得更为丰富的 关于机器摩擦学状态及其机理的信息，以实现机器摩擦学状态的有效监测和诊 断。可以说，铁谱技术的出现和发展有力地推动着磨损机理研究及磨损监测技 术的深入发展，揭开了磨粒分析技术新的一页。 自铁谱技术开发成功以来，磨粒分析技术随之得到了长足的发展，为机械 磨损监测诊断和磨损机理的研究开辟了以磨损微粒为对象的研究和应用的新领 域。在短短的2 0 年内，铁谱技术在机器设备的磨损工况监控与故障诊断，摩擦 5 武汉理工人学博士学位论文 磨损的机理研究，润滑剂的评价，机械零件的失效分析与可靠性研究，机械零 件的摩擦学设计和医疗工程中得到了广泛应用【7 l 。并且，随着计算机技术和数 字化图像技术的发展，计算机辅助铁谱分析技术表现出强劲势头，在磨粒智能 分类识别方面取得了很大进展【2 5 1 。 运用铁谱技术进行磨粒分析时，由于磁场的作用，磨粒按尺寸大小排列在 谱片上，但这也导致磨粒的堆积和相互重叠比较严重，不便于研究单个磨粒的 形态。滤膜谱片技术( f i l t e r g r a m ) t 2 6 】的出现对此情况有所改善。相比铁谱技术， 运用滤膜谱片技术捕获磨粒时，磨粒随机分散地沉积在谱片上，相互重叠的概 率大为降低，这有助于更好地分析单个磨粒的边界和表面形态。同时综合运用 这两种技术，进行优势互补，将得到磨粒形态更完整的信息。 毫无疑问，通过上述方法，能得到较为详尽的磨粒形态特征，但采用这些 方法相对比较费时，不能对机器设备状态很快做出判定。因此磨粒的在线快速 分析得到许多研究者的重视，并已取得一些初步的成果。美国超谱公司与美国 海军研究实验室合作开发而成l a s e r n e tf i n e s c 自动磨损颗粒分析仪【2 7 】。 l a s e r n e tf i n e s ( l n f ) 是一种台式油液磨屑自动分析仪器，兼具颗粒计数器和颗 粒形状分类器功能，能够确认各种润滑和液压油液中磨屑的属性、大小和变化 趋势，能相对快速进行分析，其目的是为了促进设备状态监测和预知性维修的 能力。这种颗粒分析仪的缺点在于对磨粒表面纹理的分析较为欠缺。武汉理工 大学可靠性工程研究所开发了自聚焦光纤在线磨粒图像分析和正交光纤在线油 液监测器【2 8 , 2 9 1 ，但在提高磨粒图像清晰度和判断磨粒类型的准确性上还有待于 更进一步的提高。 总体上，在磨粒分析研究领域，磨粒二维特征研究比较成熟，并己进入实 用阶段 3 0 3 2 1 。从铁谱技术、光谱技术至电子显微镜分析，从磨粒的定性分析到 磨粒二维图像的定量分析，国内外在这一领域所取得的巨大成功使人们充分认 识到了磨粒信息在磨损表面评估中的重要作用【3 3 5 j 。根据磨粒的二维图像计算 机分析，也可以比较准确地完成对疲劳磨损产生的球状颗粒、磨料磨损产生的 切削颗粒和正常磨损产生的片状微粒的识别和分类，从而能够定性地判断接触 表面是否存在相应的磨损机理和状态。但是，目前仅仅根据磨粒的二维形态特 征，计算机尚无法准确识别疲劳剥块、粘着磨损颗粒、层状磨损颗粒以及其他 颗粒。更重要的是，仅仅依靠二维形态特征参数并不能提取出所有必要的磨粒 6 武汉理工大学博士学位论文 特征信息，如磨粒厚度等三维特征在二维形态分析时基本上都被忽略了，而这 些信息又非常有助于某些种类的磨粒的分析与识别，例如层状磨粒厚度极小， 严重滑动磨粒表面会有较深的划痕，合理利用这些信息可以大大提高磨粒识别 的精度。因此磨粒三维形态特征参数的重要性不亩而喻。但是，由于二维图像 无法准确获取磨粒表面的三维形貌信息，根据二维图像分析磨粒的表面形貌误 差很大。磨粒表面的三维图像能给研究者提供更完全更丰富的信息，使得磨粒 形态的精确描述成为可能。 磨粒几何尺寸很小( 微米级) 的特点导致开展磨粒的三维测量非常困难， 提取磨粒的三维信息主要涉及到两个技术难题，首先是磨粒三维数据的获取， 其次是磨粒三维特征信息的提取与表达。磨粒具有微米级别的尺寸，所以不能 采用普通的手段对其进行观察和测量，采用普通光学显微镜只能获得沉积磨粒 纵轴投影图像，从中只能抽取出磨粒二维形态特征参数。要获取磨粒厚度分布 等三维数据，可以从观测设备和后期处理两个方面着手，前者依靠先进的观测 仪器来直接完成磨粒三维测量的任务，精度较高但是需要较大硬件投入；后者 是对普通观测设备所获取的信息进行再处理，利用复杂的三维重建算法来获取 磨粒三维信息。 西澳大利亚大学的p o d s i d l o 口8 1 等在扫描电子显微镜( s e m ) 的基础上，开 发出了一种称为f e s e m ( f i e l de m i s s i o ns c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ) 的改进立 体成像技术，并在此基础上对磨粒进行描述和分类识别，开创了磨粒三维研究 的新篇章，但受制于扫描电子显微镜本身的一些特点，还有待进一步改进。近 些年来，一些先进的表面轮廓仪如t a y l o r s u r fp g i 和其它的一些较新型的设备 如原子力显微镜都可以用来得到表面的三维形貌，并由此得到表面的粗糙度参 数描述。但是使用这些设备来获得磨粒的三维形貌十分困难。由于磨粒的小尺 寸( 微米级) 和不规则性，表面轮廓仪对此无能为力。尽管原子力显微镜具有 直达纳米级的高分辨率，可是它的最大垂直分析范围只有4u m 【1 5 】，而很多磨 粒表面上的突起大大超过了4l a m ，所以该种显微镜分析的磨粒类型很有限， 而且同扫描电子显微镜样，使用原子力显微镜也很难得到准确的磨粒边界定 义。高质量的激光共焦显微镜及其图像处理技术的发展使得得到精确的磨粒表 面信息和磨粒边界定义变得十分容易，因此使用激光共焦显微镜对磨损颗粒的 表面形貌进行研究成为可能，进而获得磨粒的三维表面形貌、磨粒的表面粗糙 度参数及磨粒的纹理指数等详尽的表面特征参数。 7 武汉理工人学博士学位论文 1 4 信息融合及其在摩擦学中的应用 1 4 1 信息融合原理及方法 信息融合技术 3 9 , 4 0 1 是8 0 年代形成和发展起来的一种自动化信息综合处理 技术，它充分利用多源数据的互补性和计算机的高速运算与智能来提高结果信 息的质量。它是数学、计算机科学、人工智能、管理科学等多学科的交叉和具 体应用。信息融合的思想直接来源于实际的需求，单一的信息源往往不能满足 作出正确决策的需要，因此系统中信息源越来越多，需要一种技术来充分利用 多个独立的信息，提高系统的鲁棒性。由于信息融合是对多源信息进行阶梯状 的、多层次的处理过程，因此一个信息融合系统一般具有如下特点：系统历实 施的每一个融合过程，在其每一个环节上，各种数据所携带的有用的信息量都 应该得到最大程度的利用，使得融合结果对系统用户有利：而且每一数据所携 带的有用信息量在其所处的局部过程中所起的作用，应该与其他部分的作用有 机地结合在一起，以致于当一个局部过程十分紧密地接近于感觉经验的时候， 由此产生的有效数据的作用不至于在加入系统的其他过程时被削减，即要求系 统的各个部分达到和谐与统一。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。信息融合技术最先在军事领域 得到了充分的利用，由于信息融合的优势十分显著，加之计算机技术的发展， 信息融合技术已经从军事领域扩展到几乎整个工业领域的各行各业，并取得了 显著的成果。 信息融合的基本原理是基于某种框架或方法对已获取的信息群进行去嗓、 提纯、综合、加工以期获得其特征信息的过程c 4 1 , 4 2 。对于一个系统来说，输入 信息具有多样性和复杂性。因此，当对输入信息作融合时，对于信息融合方法 的基本要求是具有鲁棒性和并行处理能力。此外，还有方法的运算速度和精 度，与前续的预处理系统和后续的信息识别系统的接口性能，与不同技术或方 法之间的协调能力，对信息样本的要求等。 模型方法大致可以分为两大类【3 9 1 】：第一类：嵌入约束观点。这一观点认 为多源数据信息是客观环境在某种映射下的象，信息融合过程就是通过象求解 原象。用数学语言来说，要求上述映射的逆映射。但由于传感器的局限性，上 述映射是多到一的映射。因此要使上述映射为一映射，就必须对映射的原象 8 武汉理工大学博士学位论文 和映射本身施加约束条件，这就是嵌入约束观点。第二类：证据组合观点。此 观点认为完成某项智能任务就是依据有关环境的某方面的信息作出几种可能的 决策，而多源数据信息在一定程度上反应环境的这方面情况。因此，需要分析 每一数据作为支持某种决策的证据的支持程度，并将不同信息源数据的支持程 度进行组合，即证据组合，分析得出现有组合证据支持程度最大的决策作为信 息融合的结果。 基于嵌入约束观点的信息融合模型在数学形式上比较完美，但到目前为止 还不具有应用的一般性。因此目前所应用的信息融合方法大多都是基于证据组 合观点的方法。目前应用比较普遍的基于证据组合观点的方法主要有权系数融 合、模糊贴近度融合、模糊聚类信息融合、基于证据推理理论的信息融合、基 于神经网络的多信息融合、人工智能及专家系统等方法【4 ”。 1 4 - 2 摩擦学及油液监测中的信息融合 在现代高科技发展的推动下，与摩擦学测试相关的分析仪器的发展很快 口4 ”。能同时运用多种仪器来分析和监测某个摩擦学系统。多源数据的出现 也带来了相应的问题，一是信息过多，二是这些信息有时还会存在冗余甚至矛 盾，因此对这些数据进行信息融合研究及其重要。对磨损机理或者是对磨损状 态的判定都涉及到对摩擦系数、磨损量、表面形貌、磨损表面纹理、磨损表面 颜色及磨损过程中产生的磨屑( 磨粒) 的形态、表面形貌、纹理、颜色等的采 集m j ”。针对如此多的信息，运用信息融合技术建立一个融合模型以便充分地 提取关键的信息、消除冗余和矛盾信息，显得十分重要和迫切。 近年来，信息融合技术已在摩擦学研究领域得到了很大的发展。信息融合 被广泛应用于油液监测的数据处理、摩擦学系统状态辨识等领域。信息融合在 摩擦学故障诊断中的应用逐渐成为研究热点，并取得了一定的成果。严新平 4 8 】 等人利用4 种油液监测方法给出了l o 种磨损类型的组合支持度，对摩擦学故障 及磨损机理的判断有着重要意义。吴超仲 4 9 1 等人在此基础上根据8 n v d 4 8 a 一2 u 型柴油机现场运行油液监测试验结果和长期的实践经验，在6 0 0 多个船舶柴油 机故障诊断实例