（轮机工程专业论文）用于摩擦磨损试验装置的振动信号采集系统研究.pdf

中文摘要 摘要 摩擦学是研究作相对运动的相互作用表面及其相关实践的科学与技术，以摩 擦、磨损和润滑为主要研究内容。摩擦磨损试验是研究摩擦学的主要研究方法和 研究手段，而摩擦磨损试验机则是摩擦学研究的最重要工具。 摩擦学在近些年来得到迅速的发展，尤其是在机械工程及其相关领域不断发 展的形势下，摩擦学的研究领域正由宏观转向微观，摩擦学试验也向着微观领域 和动态测试方面发展，因而对摩擦学试验数据的精确性和实时性提出了更高的要 求。为了能够更进一步进行材料的摩擦学研究，作者应用基于单片机技术、传感 器以及机电一体化等技术研制了摩擦振动信号采集系统。将该信号采集系统应用 于传统的摩擦磨损试验机，可以对摩擦磨损试验中的试验状况进行实时数据采集 和处理，并利用v b 开发了简洁有效的上位机界面，可以实现在一定速度、与工 况近似的振动载荷条件下，对摩擦磨损试验中产生的振动信号进行实时采集、在 线分析、记录保存和离线处理等功能，以便对试验材料的摩擦学特性做出实时、 定量分析。 本课题研制的摩擦振动信号采集系统不仅可以实现传统摩擦磨损试验机的实 验要求，而且能够最大程度地实现摩擦磨损的工况监控，同时克服了传统摩擦学 试验不能体现摩擦学时变性的缺点，因此本课题对于摩擦振动信号采集系统的研 制对摩擦磨损机理的研究具有重要意义。 关键词：摩擦磨损试验机；振动信号采集；单片机：软件编写；应用试验 英文摘要 a b s t r a c t a sab r a n c ho fm e c h a n i c a lt r i b o l o g yi st os t u d yt h ei n t e r a c t i o no fr e l a t i v em o t i o n f o rt h es u r f a c ea n di t sa s s o c i a t e dp r a c t i c e , i n c l u d i n gf r i c t i o n 、w e a ra n dl u b r i c a t i o nf o r t h em a i nc o n t e n t f r i c t i o na n dw e a l t e s ti sc o n s i d e r e dt h em a i nr e s e a r c hm e t h o d sa n d t o o l st oe x a m i n et h et r i b o l o g y , a n dt h ef r i c t i o na n dw e a rt e s t i n gm a c h i n ei st h em o s t i m p o r t a n tt r i b o l o g i c a lr e s e a r c hi n s t r u m e n t t r i b o l o g yi nr e c e n ty e a r sh a sb e e nr a p i dd e v e l o p e d ，e s p e c i a l l yi nm e c h a n i c a l e n g i n e e r i n ga n dr e l a t e df i d d s ，t h et r i b o l o g yr e s e a r c hf i e l di ss h i f t e df r o mm a c r ot o m i c r o ，t r i b o l o g i c a lt e s t st o w a r d st h em i c r o f i e l d sa n dt h ed e v e l o p m e n to fd y n a m i c t e s t i n g , t h e r e f o r et h er e s u l to ft r i b 0 1 0 9 yt e s td a t aa c c r r a c ya n dr e a l - t i m ep u tf o r w a r d h i g h e rr e q u i r e m e n t s i no r d e rt ob ea b l et oc a r r yo u tf u r t h e rt r i b o l o g i c a lm a t e r i a l s r e s e a r c h , a p p l i c a t i o no fs t u d yf r i c t i o nv i b r a t i o ns i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do n s i n g l ec h i pt e c h n o l o g y , s e n s o r sa n dm e c h a t r o n i c s t e e h n o l o g i e 3 s u c ha st h e d e v e l o p m e n t t h ea p p l i c a t i o no fs i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e mi nt h et r a d i t i o n a lf r i c t i o n a n dw e a rt e s t i n gm a c h i n ec a nt e s tt h ef r i c t i o na n dw e a rt e s t si nat i m e l ym a n n e rt h e s t a t u so fd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g , i na d d i t i o nas i m p l ea n de f f e c t i v ep c i n t e r f a c eh a sb e e nd e v e l o p e db yv b i nt h ef r i c t i o na n dw e a rt e s t s ，t h ev i b r a t i o ns i g n a l s r e a l - t i m ea c q u i s i t i o n , o n l i n ea n a l y s i s ，r e c o r dk e e p i n ga n dd e a l 、析廿lf e a t u r e ss u c h 嬲 o f f l i n ea tac e r t a i ns p e e d ，a n dc o n d i t i o ns i m i l a rv i b r a t i o nl o a dc o n d i t i o n sh a v eb e e n a c h i e v e dt ot e s tt h et r i b o l o g l c a lp r o p e r t i e so fm a t e r i a l st om a k er e a l t i m e ，q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s t h et o p i c sd e v e l o p m e n to ff r i c t i o nv i b r a t i o ns i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e mc a nn o t o n l yc o n d u c t t h et r a d i t i o n a lf r i c t i o na n dw e a rt e s t i n gm a c h i n ee x p e r i m e n t sb u ta l s ob e a b l et om a x i m i z et h ei m p l e m e n t a t i o no ff r i c t i o na n dw e a l c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ，a tt h e s a m et i m et oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g eo ft i m e - v a r y i n go ft h et r a d i t i o n a lt r i b o l o g y t e s t ，s ot h ef r i c t i o nv i b r a t i o ns i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e ms h o u l db ean e wt 0 0 1 k e yw o r d s ：f r i c t i o na n dw e a rt e s tm a c h i n e ； v i b r a t i o ns i g n a la c q u i s i t i o n ； s i n # e - c h i pm i c r o c o m p u t e r ；s o f t w a r ed e v e l o p m e n t ；a p p l i c a t i o no ft e s t 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：用王麈攮麈塑达验装置丝握麴信曼墨塞丕统婴窒：。除 论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已 经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：兰奎叁、 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 ， 不保密形( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：夕奎 导师签名： 日期圳p 年 _ 矗 烧m 用于摩擦磨损试验装置的振动信号采集系统研究 第1 章绪论 1 1 摩擦学概述 两个相互接触的物体发生相对运动或具有相对运动趋势时，阻止两物体接触 表面发生切向相互滑动或滚动的现象称为摩擦n 1 。在宇宙中的运动物体间普遍存 在着摩擦现象。由于摩擦，运动过程和系统动态特性受到影响或干扰，机械所传 递的能量有一部分在克服摩擦阻力的过程中被消耗掉，同时，表面层产生磨损。 另一方面，摩擦也可被利用来为人类服务。有些机械和加工工艺是利用摩擦原理 工作的，如摩擦压力机、带传动、摩擦离合器和制动器，以及摩擦焊接和切削等。 人类对摩擦现象的了解，早在史前就已有所认识并利用摩擦来为自己服务，例如 “钻木取火 但是人类对摩擦学的研究进展一直较为缓慢，直到1 5 世纪，意大利的列奥纳 多达芬奇( l d a v i n c i ) 才开始把摩擦学引入理论研究的途径，并在1 5 0 8 年 就指出，摩擦力与法向压力成正比。著名法国工程师高劳米阿蒙顿 ( g a m o n t o n s ) 利用光学透镜研究工具实测了摩擦力与法向压力的关系，于1 6 9 9 年进一步弄清了固体摩擦的规律。法国物理学家库伦( c o u l o m b ) 对滑动摩擦、 滚动摩擦进行精心试验，发展了g a m o n t o n s 的成果，于1 7 8 5 年完成了现在所 称的“古典摩擦定律 乜1 。 到了1 7 8 5 年，库仑利用机械啮合概念解释了干摩擦，提出了摩擦理论。后来 又有人提出分子吸引理论和静电力学理论。1 9 3 5 年，英国鲍登等人开创了用材料 粘着概念研究干摩擦，于1 9 5 0 年提出了粘着理论。关于润滑的研究，英国的雷诺 于1 8 8 6 年继前人观察到的流体动压现象，总结出流体动压润滑理论。2 0 世纪5 0 年代普遍应用电子计算机之后，线接触弹性流体动压润滑的理论开始有所突破b 1 。 而1 9 6 4 年在英国，以乔斯特( h p j o s t ) 博士为首的专家小组，受英国科研 与教育部的委托，调查了润滑方面的科研与教育工作的现状以及工业企业在这方 面的需要，于1 9 6 6 年提出了一项调查报告。h p j o s t 在润滑的教育与研究现状 及工业需求的调查报告报告提到，通过加强摩擦学的科研与教育，充分运用摩 擦学的原理与知识，就可使工业部门通过延长机械寿命、减少故障维修与易损件 的更换、节约润滑剂与投资、节约人力与动力、降低摩擦损失等方面的得益而使 第1 章绪论 英国工业每年节约相当于国民经济总值的l ( 当年约合5 1 5 亿英镑) t 4 j 。同时 在与牛津英语词典增补版编辑磋商之后，根据古希腊语中“t r i b o s ”( 即英语中的 r u b b i n g ，意思是摩擦) 一词提出了摩擦学( t r i b o l o g y ) 这个名词的定义是：“研 究作相对运动相互作用的对偶表面的理论和实践的- - f - j 科学技术 。此后，摩擦学 才作为一门独立的学科受到世界各国普遍重视，也标志着摩擦学发展成为一门包 括摩擦、磨损和润滑在内的跨学科的科学。 此后，在1 9 7 6 年的一份报告估计，全世界工业部门产生的能量，约有3 0 消耗在摩擦过程中，而在英国、日本或联邦德国等高度发达工业国家里，每年约 有2 0 亿美元由于磨损过程而损失。而应用摩擦学的知识可使工业部门节约g n p 的1 3 1 6 。中国在1 9 8 2 年开始，由中国机械工程学会摩擦学分会组织了一 次摩擦学工业调查，调查于1 9 8 5 年完成，调查报告估计，通过应用摩擦学技术， 可使我国工业每年节约相当于g n p 的1 5 。而美国机械工程师协会( a s m e ) 的润滑研究委员会为美国能源研究发展局( e i a ) 在1 9 7 8 年发表的报告称：如 果实现了为保存能量而进行的摩擦学研究开发计划，就可节约能源消耗的1 1 哺卜 i s o 据估计，全世界约有1 2 - - 1 3 的能源以各种形式消耗在摩擦上，如果从摩擦 学的角度采取正确的措施，就可以大大节约能源消耗。磨损是机械零部件三种主 要的失效形式之一，大约有8 0 的机械零件由于各种磨损导致失效阳1 。特别是随 着物质文明的进步和工业技术现代化的发展，机械设备的开发、使用普遍趋于重 载、高速、高效化，如何控制和改善机械的摩擦磨损状况、提高其使用寿命和工 作可靠性，已经成为机械工业技术人员必须关注的问题，并促使其研究不断的深 入和发展。 摩擦学是研究在摩擦与磨损过程中相对运动表面之间相互作用、变化及其有 关的理论与实践的一门科学。摩擦磨损则是“两个接触表面之间的由于相对运动 而发生的相互作用及物质运动的过程。摩擦与磨损是自然界中能量守恒和物质守 恒两大基本规律的重要环节，因为减少摩擦和磨损从本质上也就是节省能量和提 高材料利用率的问题。在机器系统中，机器构件的运动是最基本和最重要的功能。 机器构件之间的相对运动和接触作用是通过摩擦副来实现的，同时也在摩擦副两 用于摩擦磨损试验装置的振动信号采集系统研究 表面之间产生摩擦、磨损和润滑等物理现象。机器中任何一个摩擦副故障( 摩擦 学失效) ，都将导致机器相关部分或全部功能的失效。因此，摩擦副的摩擦磨损问 题是摩擦学研究的基本问题和及其重大的课题，也是机器设计的关键技术之一。 摩擦学具有两个重要属性：一、实践性：摩擦学理论分析往往需要大量实验 研究成果的支持，其应用更是直接服务于各种生产实践。试验测试技术的开发研 究对摩擦学学科的发展和工程实际问题的解决具有非常重要的作用，是一门基础 性工程；二、多学科性：摩擦学的研究涉及材料学、化学、机械学、测试技术、 物理和力学等多个学科和领域，摩擦学的发展需要多学科的高度交叉、融合和支 持。机械零件摩擦磨损问题的解决有赖于实验研究方法的进步及其测试技术的开 发研究，也有赖于多学科的交叉、融合的支持n 帕 1 2 摩擦磨损试验 摩擦磨损试验的目的是对磨损现象及其本质进行研究，正确地评价各种因素 对摩擦磨损性能的影响，从而确定符合使用要求的摩擦副元件的最优参数。摩擦 磨损试验研究的内容非常广泛，如探讨摩擦、磨损和润滑机理以及影响摩擦、磨 损的诸多因素，对新的耐磨、减磨及摩擦材料和润滑剂进行评定等。由于摩擦磨 损现象十分复杂，摩擦磨损条件不同，试验方法和装置种类繁多，如何准确地获 取摩擦磨损过程中的参数成为一个十分重要的研究课题。为了探索和验证机械工 程中摩擦磨损问题的机理以及有关影响因素，在摩擦学研究中开展摩擦磨损测试 技术和数据分析研究具有非常重要的作用。 摩擦磨损现象十分复杂，试验方法和装置种类繁多，试验数据受众多因素的 制约，往往难以进行比较，基于以上因素考虑，建立摩擦磨损试验的标准化问题 也被提上了同程。近年来，试验方法的标准化己得到越来越多的国家和组织的重 视。材料摩擦磨损性能是多种影响因素的综合表现，因而必须严格控制试验条件， 规范试验过程己获得可靠的结论1 。 摩擦学研究要求对摩擦副的摩擦磨损特性参数进行测试，其中包括由表及里、 由宏观到微观、由定性到定量等测试方法和技术。摩擦磨损试验方法主要分为以 下三大类乜1 ： ( 1 ) 台架试验，该型试验是在试验机上模拟试件实际的使用条件，将试验中 第1 章绪论 的试样摩擦副的工作条件，如转速、温度、压力、及周围环境等都与实际零件的 工况相似。这样，通过试验机测得的数据必然反映实际工况，因而试验所得的数 据可以直接用于实际零件。同时该型试验存在试验过程复杂、周期长、费用高的 缺点，因而不适于研究摩擦磨损的机理。 ( 2 ) 实验室试件试验幢1 ，此类试验是在在尽可能明确的试验条件下，在通用或 专用的摩擦磨损试验机上进行试验。实验室试件试验就是把需要试验的材料按照 规定和要求，制成结构和形状简单、尺寸较小的试件，并在摩擦磨损试验机上进 行研究。其特点为：适合对摩擦磨损本身的过程和进行研究，可以对影响摩擦磨 损的因素进行有效的控制，同时减少了偶然因素对试验结果的影响，有利于逐个 研究各个因素对摩擦磨损试验的影响；实验室试件试验可以在短期内进行多参数、 重复试验。因而试验对比性强，重复性高，而且进行试验的周期短，花费底。但 由于实际工况与试件试验的条件不可能完全符合，因而试验结果可能不十分可靠。 该型试验主要用于各种类型磨损机理和影响因素的研究性试验，以及对摩擦 副材料、工艺和润滑剂性能的评定性试验。 ( 3 ) 实际运转条件下的试验，即使用试验。这是早期进行摩擦磨损试验的主 要方法，其数据真实性和可靠性高，但费用高，周期长，在运转过程中的测试较 为困难，并且机器实际运行条件不固定，使得摩擦磨损数据重现性、可比性差： 又由于试验结果受多因素的综合影响，不易进行单因素考察，难于对试验结果进 行分析，不利于研究摩擦磨损的规律性。 对以上三种类型的试验的选择，可以根据具体情况决定。可以分别选取或结 合进行，即可把三种类型试验结合在一起进行，也可把试样试验和使用试验或把 台架试验和使用试验结合进行，对于结构简单的机械件，亦可直接进行使用试验。 在摩擦学的研究当中，使用得最多的研究手段是实验室试件试验。 1 3 摩擦磨损试验机的国内外发展现状 自1 9 世纪8 0 年代，世界上第一台摩擦磨损试验机在瑞士沙夫豪森 ( s c h a f f h a u s e n ) 问世至今，摩擦磨损试验机的种类已发展成上百种m 3 ，划分的 方法也有很多。目前主要有以下几种划分方法引。 用丁摩擦磨损试验装置的振动信号采集系统研究 ( 1 ) 按照摩擦系统的结构形状可以划分为四球磨损试验机、法莱科斯( f a l e x ) 试验机、阿姆斯勒( a m s l e r ) 试验机、t i m k e n 试验机等； ( 2 ) 按照摩擦副的相对运动形式可以划分为有滚动、滑动、往复运动、冲击 摩擦磨损试验机等； ( 3 ) 按照试验条件的不同，可以划分为定速磨损试验机，高速磨损试验机， 真空磨损试验机，定功磨损试验机，粘着润滑与磨损试验机，滑动或滚动轴承磨 损试验机，动压或静压轴承磨损试验机，齿轮疲劳磨损试验机，制动摩擦磨损试 验机，冲蚀磨损试验机，气蚀磨损试验机等等驯。 摩擦磨损试验机在国内的研制发展起点较低，直到19 6 5 年济南试验机厂才制 造出中国的一台摩擦试验机h 刚( m q 一1 2 型四球摩擦试验机) 。总体来说其特点为 生产规模较小，摩擦试验机品种相对较少，许多厂家的产品除了少数是和科研单 位合作丌发的，其余产品基本是仿制品。研究和使用的时白j 只有几十年，因而无 论从产品性能，还是产品商品化的种类来讲，较国外还存在一定的差距。目前在 我国还有很大一批摩擦磨损试验机是测绘国外6 0 、7 0 年代的产品，相当部分的产 品没有自主知识产权，现在这些产品结构严重老化，存在着自动化程度低( 以手 动控制为主) 、多数存在不能自动保存数据、采集数据的速度慢、调速范围小、荷 载小、精度低等缺点。其次，商品化的摩擦试验机主要用于试验室试件试验，国 内的模拟性台架试验机只限于几类特殊的产品( 比如汽车离合器摩擦片) ，其余的 很少有商品出售，这类试验机多由使用厂家自行研制，主要用于产品性能的研判， 其性能般较差。再次，国内的处理数据的方法有待提高，还有很大一部分老式 的摩擦磨损试验级采用肉眼读取数据，用示波器显示数据变化的波形，以手工的 方法处理数据，这种方法不仅工作量非常大，而且数据处理容易出错，实验结果 的精度也很低。 而对比国外，特别是西欧和北美的一些发达国家，摩擦磨损试验机的使用和 研究有超过一百多年的历史。特别是随着计算机革命以来，各种新技术的发展和 应用，使摩擦磨损试验机的发展达到了前所未有的高度。其产品性能和在产品品 种上都远领先于国内同类产品。目前其主要朝以下几个方向发展睇： ( 1 ) 向尽可能地模拟实际工况下摩擦副的方向发展。摩擦试验机的不断发展， 第1 章绪论 使摩擦磨损试验不仅局限于金属材料的试验，而且还要针对不同材料、考虑不同 j i ：况的新型摩擦试验机。用于模拟性台架试验的摩擦试验机有很大的发展。模拟 性台架试验机几乎能模拟实际摩擦副的所有工况，如转速、湿度、温度、润滑条 件、荷载、表面膜、粗糙度等，使其测量精度有很大的提高。 ( 2 ) 摩擦表面温度的测量技术不断进步。摩擦表面温度是影响和制约摩擦性 能的最重要参数之一，摩擦表面温度场的分布与接触物体表面形态、摩擦副材料 的热物理性能、结构尺寸、工况条件以及散热条件等因素有关，且具有微观、瞬 时、动态的特点，测量非常困难，因而摩擦表面的温度测量将是一个重要的方向。 ( 3 ) 将更多的计算机技术运用于摩擦试验机。摩擦试验机和计算机结合更加 紧密，其操作更加简单，设计更加人性化。现在几乎所有摩擦试验机至少配备一 台计算机( 便携式配备单片机) ，试验机采样、数据处理、打印、试验机的控制、 采样数据波形显示均由计算机完成，计算机己经取代示波器进行虚拟显示。 ( 4 ) 纳米技术的发展对摩擦试验机的影响。自从1 9 8 4 年德国人g l e i t e r 研制 出纳米微粒进行压制烧结得到纳米固体材料以来，纳米材料己在许多领域引起了 广泛的重视和研究，成为材料学研究的热点。纳米摩擦学是材料科学与摩擦学交 叉领域最前沿的内容。 ( 5 ) 成像摄影技术在摩擦试验机上的应用。随着成像摄影技术的同益成熟， 成像摄影技术己) t 始应用于摩擦试验机，用其测量各种试件的磨斑，并可通过计 算机实现试件的磨斑自动显示、测量、打印。 。 ； 目前在我国，研究高精度、自动采集数据、自动处理数据的摩擦磨损试验机 及其测试系统是丌发磨损试验机的主要方向。当前在我国和其他亚洲国家常用的 试件试验机是定速试验机，北美国家较多采用f a s t 试验机。现将一些典型的摩 擦磨损试验机工作原理介绍如下。 ( 1 ) 定速摩擦磨损试验机 定速试验机是通过在一定载荷、速度下连续制动时，测量出其摩擦系数和磨 损率随温度变化情况的摩擦磨损试验机。这种试验机广泛应用于轻、中、重型制 动衬片和离合器衬片的摩擦性能的评定心。 其工作原理如图1 1 所示。定速试验机的通常是主轴上的摩擦盘以一定速度 州丁摩擦磨损试验装管的振动信号采集系统研究 转动。将两个试样装在上支撑臂中，并通过加载杠杆系统与摩擦盘接触并施加一 定负荷，摩擦面温度由热电偶测量，加热装置置于摩擦盘下。摩擦力矩则由弹簧 系统的测力杆和转鼓记录。定速试验机结构简单，操作方便，在过去常作为我国 评定衬片材质和摩擦性能的标准试验机之一。 1 ； 1 加压装置2 测力装置3 试块4 摩擦盘5 加热装置6 主轴 图1 1 定速摩擦磨损试验机 f i g1 1c o n s t a n ts p e e df r i c t i o na n dw e a rt e s t i n gm a c h i n e ( 2 ) 荚国f a s t 试验机 f a s t ( f r i c t i o na s s e s s m e n ts c r e e n i n gt e s t ) 试验机由美国福特汽 车公司为评定制动衬片和离合器摩擦片的摩擦磨损性能研制而成u ”。该机试件为 小尺寸试件，具有所有试件试验的共性。其优点是试验简捷，试验条件重复性好、 试验结果可比性好。当摩擦材料产品材质不均匀性严重时，试验结果将出现离散。 r ， 因此，作为产品研制开发，则需作较多试样的试验瞄1 。 f a s t 试验机的主要功能是可用于研究测定摩擦系数与温度、压力的关系， 增加某些附件后，也可用于研究与速度的关系，还可以用于研究静摩擦，衰退特 性，残留拖摩等方面。其最突出优点是具有恒摩擦力功能，试验机上的特殊装置 会在摩擦系数改变时，自动调整正压力使摩擦力维持在设定的水平上。这一试验 方式用于评定材料的磨损比d m s 定速机要优越得多。另外，f a s t 试验机的试 验负荷可达到3 1 m p a ，比d m s 大三倍以上。可用于摩擦材料的强化试验研究中。 ( 3 ) 国内h q l 型摩擦磨损试验机 l 2 3 4 5 6 第1 章绪论 由中国石油化工科学研究院所研制的h q 一1 型摩擦磨损试验机，是一种多种 接触形式的滑动摩擦磨损试验机。摩擦副的接触形式可以是点接触，也可以是线 接触或面接触，摩擦剐的相对滑动速度、试验载荷、试验湿度的调节范围较宽， 同时可以测量摩擦系数和磨损量嵋。 除此以外，还有许多为适应特定工况下研制的专用摩擦磨损试验机等。比如： 为了研究电接触导线材料摩擦磨损行为，而研制了的电接触滑动摩擦磨损试验机。 该试验机即可测电接触材料的干滑动摩擦磨损特性，也可测电接触条件下的滑动 摩擦磨损特性“1 。 1 4 研制摩擦磨损振动信号采集系统的必要性 传统的摩擦磨损试验，其测试原理基本上是基于传统的摩擦系统理论，摩擦 磨损试验往往不能体现摩擦学研究的系统性和时变性1 。随着摩擦学研究的深入 和发展，人们发现了许多摩擦学突变过程是在极快的频率极短周期下发生的，而 用于获得摩擦磨损试验特性的实验过程繁琐而且复杂。试验过程中，采用人工读 数，会带束很大的误差。一些传统仪器所获得的测量结果一般都无法反映极短周 期内发生的变化，例如：动静摩擦系数的过渡变化，擦伤、咬死现象发生的过程 等。因此，在研究摩擦学问题时，如果忽略了摩擦磨损现象随时问所发生的变化 特征，将可能导致试验结果的误差乃至错误的结论。另外，目前市场上现有几种 振动信号采集系统，其造价相当昂贵，动辄数十万至上百万。其测量仪器功能块 基本上是由硬件或固化的软件形式存在，只能由生产厂家来定义、制造，其设计 复杂的场合下，使用起来很不方便、灵活性差，在一些较为复杂和测试参数较多 的场合下，使用也极为不方便。 基于这两个主要的原因考虑，很有必要开发出一套能够研究材料摩擦磨损性 能的信号采集系统。为此，作者对从试验机的测试系统入手，研制了一套摩擦振 动信号采集系统应用于摩擦磨损试验机。该系统通过采集得到的振动信号及时反 映到e 位机的显示页噬中，该测试系统能够实时、动念的显示试验过程中摩擦磨 损试验中试件的振动信号频率和振幅的改变，这将更能够帮助我们了解试件在磨 损过程中监测参数的实时变化情况，从而为摩擦学的研究提供一些新的突破点和 发展方向。作者认为在这种信号采集系统应用于摩擦磨损试验机上所获得的实验 用丁摩擦磨损试验装置的振动信号采集系统研究 数据将更有助于摩擦学的研究。 1 5 本文研究的主要内容 实验室用m 肿1 型立式万能摩擦磨损试验机，如图1 2 所示。该型试验机 是在一定的接触压力下，通过模拟复合运动，完成摩擦模拟试验，进而来评定各 种材料的摩擦磨损性能的设备。 圄12 哪卜1 型立式万能摩擦磨损试验机 f i g l2w w m l t y p e v e r t i c a l u n i v e r s a l f r i c t i o u a n d w e a r t c s ! i n g m a c h i n e 其主要的技术规格如f ： 轴向试验力工作范围l o 1 0 0 0n 试验力自动加载速率4 0 0n m i n 测定最大摩擦力矩2 5n m 单机无级变速系统1 _ 2 0 0 0r m i n 特殊减速系统00 5 2 0r m l n 试验机主电机输出最大力矩5n 磨损量测试范围0 1 0 帆 磨损量测量范围内准确度00 0 1m m 常规的此型试验机，需要经过一系列的过程才能对试样材料的磨损性能进行 判断，比如对试样重量分析必须将机器停止运转，将试样拿下才可进行，这样影 响试验时间和试验的精确性；对试样摩擦系数的分析是一个复杂的过程，而且测 算误差较大；对油液的分析只有在有润滑的条件下才能进行等等。这些过程的存 第1 章绪论 在使试样磨损性能改变不能得到及时的确认。 本课题研究的主要内容为：设计、制作出一套对传统的m m w 一1 型立式万 能磨损试验机的振动信号进行采集的系统，通过该系统建立与上位机的通讯，对 采集得到的信号进行分析，可以较为准确、及时地对试样材料的摩擦磨损性能进 行分析。应用此类振动信号采集系统，可以代替传统的一系列繁琐的检测和分析 过程，从而可以使试样的摩擦磨损性能得到及时的判断与分析。 用于摩擦磨损试验装置的振动信号采集系统研究 第2 章系统设计的理论与分析 用于数据采集的成套设备称为数据采集系统n 羽( d a t ea c q u i s i t i o ns y s t e m ， d i a s ) 。数据采集系统是计算机与外部世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。 典型的数据采集系统一般包括传感器、信号调理模块、模数( a d ) 转换器、数 据缓存和接口等元件。不论是基于p c 平台的测试系统，还是应用于虚拟仪器系 统，数据采集卡都是其中非常关键的一部分。利用数据采集装置把模拟信号转换 成数字信号，才能送入计算机进行处理。数据采集后的数字信号必需能够比较真 实的反映采集前的模拟信号，这就要求数据采集装置采样速率高、信号的失真小。 因此了解数据采集技术对设计出性能优良的数据采集卡是必不可少的。 2 1 关于数据采集 数据采集就是将被测对象( 外部世界或现场) 的各种参量( 可以是物理量， 也可以是化学量，生物量) 通过各种传感元件做适当转换后，再经信号调理，采 样，量化，编码，传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理和存储记录的过程。 数据采集技术是信息科学的重要组成部分，已得到了广泛应用。特别是随着计算 机的广泛应用和电子技术的高速发展，数字系统已经被广泛应用于国民经济、国 防建设与科学实验的各个领域。和模拟系统相比，数字系统有精度高、稳定性好 等优点，但数字系统只能处理离散的数字信号。外部世界各种被检测试，如温度、 压力、位移、角度等都是模拟信号，因此需要将这些模拟信号转换为便于处理和 存储的数字信号。 2 1 1 数据采集系统框图 在数据采集系统中，对实际的外部世界( 即采集现场) 的数据采集主要是处 理以下三类信号n 引： ( 1 ) 开关信号：用来控制逻辑开关的数字信号，只有0 或1 两种状态。 ( 2 ) 数字信号：用二进制形式表示的数据。 ( 3 ) 模拟信号：在规定的连续时间内，信号的幅值可以在连续范围内任意取 值的信号。 第2 章系统设计的理论与分析 外部世界数据采集技术的框图如下图2 1 给出： 数字信号。 数子信号 。 计 外传感器信号调理 部 j眭融啦l 模拟信号j 詹且 国珈l 一蜡黼棰墒l 算 世 1 传惑岙 7 i1 = 丐嘲理f _ 7 i 俣鳅行伙i 7 津曲。i 开关信号。l 唐且 国珊 开关信号 机 界 传感裕 1 百丐i 同理 图2 1 外部世界采集技术 f i 9 2 1t h eo u t s i d ew o r l da c q u i s i t i o nt e c h n i q u e 2 1 2 数据采集系统功能模块 将模拟信号转换为数字信号与直接来自传感器的其他数字信号、开关信号等 送往计算机，并进一步进行处理、显示的过程，称为数据采集( d a t a a c q u i s i t i o n ， d a q ) 。由于对开关信号、数字信号计算机可以直接采集处理，所以数据采集主 要讨论模拟信号的采集。下面主要讨论一下模拟信号采集的各功能模块的作用。 ( 1 ) 传感器 传感器是把待测的非电物理信号转换成数据采集系统能够检测到的电信号的 装置。例如：热电偶、热敏电阻、集成电路传感器等，都将温度转变成电压和电 阻。又如应变片、流量传感器、压力计等将流速、压力转换成电信号。对于每种 传感器，电信号的大小都与被监测的物理参数成正比。理想的传感器能够将各种 被测量转换为高输出电平电量，提供零输出阻抗，具有良好的线性。 ( 2 ) 信号调理模块 从传感器输出的信号必须经过调理才能够接入数据采集板，信号调理模块主 要完成了模拟信号的衰减、放大、隔离、滤波、传感器激励和线性化等功能。理 想的传感器能够将被测量转换成高输出电平的电量，但是实际情况下，数据采集 时，来自传感器的模拟信号一般都是比较弱的低电平信号，因此需要对信号进行 放大。而a d 转换器的分辨率以达到满量程电压为依据，因此为了充分利用 a d 转换器的分辨率，需要把模拟输入信号放大到与其满量程电压相应的电平。 而传感器和电路中器件不可避免的会产生噪声，周围各种各样的发射源也会使信 号耦合上噪声，因此需要利用滤波器衰减噪声以提高输入信号的信噪比心叫叫2 3 。 j i j 于摩擦磨损试验装置的振动信号采集系统研究 放大 从传感器中接入的信号一般都是较为微弱的信号，微弱信号都要进行放大以 提高分辨率和降低噪声，也使调理后信号的最大电压值和a d c ( 模数转换器) 的 最人输入值相等，这样可以提高精度。同时，高分辨率可以降低对高放大倍数要 求并可以提供较宽的动态范围。仪器信号调理的前端系统有几种放大模式，这些 放大增益适合予仪器信号调理机架靠近传感器的微弱信号，最后只把大信号送给 计算机，以使噪声影响减到最小。 隔离 隔离也是信号调理中的一种。从安全的角度把传感器信号同计算机隔离开， 因为被监测系统可能产生瞬时高电压。另一个原因是隔离可使从数据采集板出来 的数据不受地电位和输入模式的影响。当输入d a q 板的信号与得到的信号不共 地时，可能产生较大误差甚至损坏系统，而用隔离办法就能保证信号的准确。 滤波 滤波可以消除噪声和不必要的干扰。噪声滤波器通常用于输入信号是直流信 号。许多仪器信号调理模块都有合适的低通滤波器。交流信号通常需要抗失真的 低通滤波器，因为这样的滤波器有一个陡峭的截止频率，因而几乎能够完全消除 高频干扰信号。 ( 3 ) a d 转换器 将模拟信号转换成数字信号之后，才能利用微处理系统对其处理。因此 a d 转换器是整个采集系统的核心，也是影响数据采集系统采样速率和精度的主 要因素之一。由于输入信号变化速度不同，系统对分辨率，精度，转换速率及成 本的要求也不同，需选用不同的j 芑= 片。现在普遍采用单片集成电路，有的高速a d 转换器内部还包含有采样保持电路，基准电源和接口电路，大大方便了系统设计， 同时保证采样的精度并降低后续存储器的要求”引。 ( 4 ) 数据缓存电路 对于高速数据采集系统，采集量化后的数据速率非常高而且数量大，微处理 系统无法对数据进行实时处理，因此需要存储器对数据进行缓存。 ( 5 ) 微处理器和外设 第2 章系统设计的理论与分析 微处理器负责数据采集系统的管理和控制工作，对采集到的数据进行运算和 处理，然后送至u # i - 部设备。 2 2 数据采集系统基本组成 ( 1 ) 一个实际多通道数据采集系统的组成 数据采集系统的基本任务是测试和输出现实世界的物理信号，在目前几乎所 有涉及到数字信息处理的领域中，数据采集系统都是其核心部分之一。一个实际 多通道数据采集系统的硬件组成如图2 2 所示。 v l v 2 v n p c 总 线 图2 2 数据采集系统硬件框图 f i 醇2b l o c kd i a g r a mo fd a ma c q u i s i t i o ns y s t e mh a r d w a r e ( 2 ) 实际系统中的各模块功能 多路模拟开关( m u x ) 大多数的数据采集系统支持多个模拟输入通道，这些通道分时使用a d 转换 器。在一个特定的时间间隔罩只允许一个模拟通道通过，完成这一功能的部件称 为多路模拟丌关( m u x ) 。一般的m u x 器件有个模拟输入端，n 个通道选择， 有规律的周期性改变n 个选通信号，可以按固定的序列周期性闭合各个开关，构 成一个周期性分组的时分复用输出信号，由后面的a d 转换器时分复用对各通道 模拟信号进行周期性转换心1 2 ：h 。 信号调理电路 由于采集系统大多足支持多路模拟通道，各通道之问电压范围可能有较大差 异，因此最好是对各通道采用不同的衰减、放大倍数，即衰减器的衰减倍数与放 大器的放大倍数是可以实时控制改变的。可由m 位数字码译码产生多个控制组 态，控制衰减器与放大器选择2 m 个控制组念中的一个衰减放大档位，提供这种可 用丁摩擦磨损试验装置的振动信号采集系统研究 编程的衰减放大器可以大大拓宽该种数据采集系统的适应面。 a d 转换器 a d c 是一个数据采集系统的前向通道( 模拟量到数字量转换通道) 的核心， 由a d 转换器决定的向通道的主要参数。a d 转换器的位数决定了前向通道的精 度一个n 位的a d 转换器能够提供的分辨层次是z 层。假设该器件允许的模拟 输入跨度是v ，每个层次的电压值是ll s b = a v z 川，为了不产生误差，一般 要求输入误差小于1 2l s b 。a d 转换器完成一次转换需要的时间“d 引。和采样 保持的跟踪时问t h 之和决定了系统的采集频率乒： ，= 1 ( t a d + t h ) ( 2 1 ) 数据缓冲与接口电路 对a d 转换后的数字信号经数据锁存或缓冲以后，由接口电路控制将数据传一 入内存。对于高速数据采集系统，采集量化后的数据速率非常高，并且数据量较 大，下微机系统无法实现对数据的实时处理，因此需要存储器对数据进行缓存。 定时与控制逻辑 数据采集系统各部分的定时关系是比较严格的，如果定时选取的不合适就会 严重的影响精度。定时电路就是要按照各电路单元的工作次序产生各种时序信号， 而控制单元足在时序信号的控制下产生控制信号的。 2 3 数据采集系统主要性能特征 数据采集系统的性能特征与众多因素相关，要根据具体情况来进行分析。在 这里，现对其通用的特性进行一些介绍。 ( 1 ) 采样频率 采样频率即采集速率，又称为系统通过速率吞吐率等，是指在满足系统精度 指标前提下，系统对输入的模拟信号在单位时间内所完成的采集次数。这里所说 的“采集 包括对被测物理量进行采样，量化，编码，传输，存储等的全部过程。 采样周期是采样速率的倒数，表示系统每采集一个有效数据所需的时间。采样频 率高，就能在一定时问获得更多的原始信号信息，如图2 3 ( a ) 所示。为了再现 原始信号，必须有足够高的采样频率。显然，如果信号变化比采集板的数字化要 第2 章系统设计的理论与分析 快；或者采样太慢，那么都会产生波形失真现象，如图2 3 ( b ) 所示。根据奈奎 斯特理论，采样频率至少足被测信号最高频率的两倍，才不至于产生波形失真。 ( a ) 合格的采样频率 ( b ) 不合格的采样频率 幽2 3 采样频率与信号9 1 f i 啦3s a m p l i n gf r e q u e n c ya n ds i g n a l ( 2 ) 多通道信号采集方法 要从几个通道得到数据，通常使用多路开关把每个信号端连接到a d 转换器。 采用连续扫描方法，要比给每个通道一个放大器和a d 转换器要经济得多，但这 仅适用于在采样点之间时间不是很重要的场合。如果采样点之间对时间要求严格， 则必须同时采集。对于低频信号，可以用间隔扫描办法来产生同时采样的效果， 而不必增加采样保持电路。这种方法以一定时间间隔扫描输入通道，用脉冲未计 算各通道两次被扫描的时间问隔。 ( 3 ) 分辨率 系统分辨率是指数据采集系统可以分辨的输入信号最小变化量。通常用最低 有效位值( l s b ) 占系统满度信号的百分比表示，或用系统可分辨率的实际电压 数值来表示，有时也用满度信号可以分的级数来表示。表2 1 列出了满刻度值为 1 0 v 的数据采集系统的分辨率。 表2 1 系统的分辨率1 t a b 2 1r e s o l u t i o no ft