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磨损颗粒的特征分析与自动识别技术研究 摘要 铁谱分析是机械故障诊断与监测的重要技术手段。然而这种磨粒分析技 术自2 0 世纪7 0 年代问世以来，一直由铁谱领域内的专家或有经验的铁谱工 作人员来操作分析，自动化程度较低，限制了铁谱技术的推广与发展。因此， 铁谱自动化分析的研究一直是学术界的研究热点和难点。 本论文在归纳和总结前人的理论工作基础上，研究了数字图像处理技术 在铁谱图像分析中的应用。文章以在铁谱片的制取、铁谱图像的获取以及数 字图像处理技术的基础上，分析探讨了图像滤波、图像阈值分割、图像二值 化等方法在铁谱图像预处理中的应用特性；通过对磨损颗粒形成的机理、磨 损颗粒特征及分类的探讨，确定了磨粒的特征参数的数学描述；并且分析研 究了磨粒表面纹理的参数表征，同时对磨粒区域面积、等效圆面积、磨粒区 域周长、圆形度、纵横比、方向系数等特征参数的提取方法做了分析研究。 在上述特征参数的研究基础之上，继而探讨了三层b p 神经网络串联方式在磨 粒模式识别器中的应用，并分析了网络输出误差与网络学习次数的关系，确 定了b p 网络的学习次数。最后，以v c + + 6 0 集成开发环境为工具开发出了 w d a i s ( w e a rd e b r i sa n a l y s i sa n di d e n t i t ys y s t e m ) 系统。并通过输入的磨粒进 行的实际检验，验证了w d a i s 系统可以对几种典型的磨损颗粒进行的识别效 果，具有一定的实用性。 关键词：铁谱技术；磨损颗粒；图像处理；b p 神经网络 r e s e a r c ho i lt h ec h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i sa n da u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yf o rt h ew e a rd e b r i s a bs t r a c t a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e t h o d sf o rm e c h a n i c a lf a u l td i a g n o s i sa n d c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ，f e r r o g r a p h yt e c h n i q u eh a so n l yb e e no p e r a t e da n da n a l y z e d b yt h ee x p e r t so rw o r k e r sw h oh a v er i c he x p e r i e n c ei nf e r r o g r a p h ya n a l y s i ss i n c e t h i st e c h n i q u ec a m eo u ti n19 7 0 s t h ed e v e l o p m e n ta n ds p r e a do ff e r r o g r a h p yh a s b e e nr e s t r i c t e db e c a u s eo fi t sl o w e ra u t o m a t i o n t h e r e f o r e ，t h ea u t o m a t i ca n a l y s i s o ff e r r o g r a p h yh a sb e e na l w a y st h eh i g h l i g h ti na c a d e m i cr e s e a r c h e s b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ef o r m e rt h e o r e t i c a lr e s e a r c hw o r k ，t h ed i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n gw a se m p l o y e di nf e r r o g r a p h ya n a l y s i s i n t h i st h e s i s t h e m e t h o d so fi m a g ef i l t e r i n g ，i m a g et h r e s h o l d i n gs e g m e n t a t i o n ，i m a g eb i n a r i z a t i o n w e r eu s e df o rt h ep r e t r e a t m e n to ft h ef e r r o g r a p h i ci m a g e s ，o nt h eb a s i so f p r e p a r a t i o no ff e r r o g r a ms l i d e ，a c q u i s i t i o no ff e r r o g r a p h i ci m a g ea n dt h ed i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e s b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ef o r m i n gm e c h a n i s mo f t h ed e b r i sa n dd e b r i sf e a t u r ep a r a m e t e r s ，t h ep a r a m e t r i cm a t h e m a t i c sw a s s u g g e s t e d t od e s c r i b et h ed e b r i s f e a t u r e p a r a m e t e r s i n a d d i t i o n ，t h e c h a r a c t e r i z a t i o np a r a m e t e ro fd e b r i ss u r f a c et e x t u r ew a sa l s os t u d i e d h o wt o o b t a i nt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fd e b r i sr e g i o na r e a ，e q v i v a l e n tc i r c l ea r e a ， d e b r i s r e g i o nc i r c u m f e r e n c e ，c i r c u l a r i t y ，a s p e c t r a t i o ，d i r e c t i o n i n d e xw a s i n v e s t i g a t e d b a s e do nt h ea b o v et h eb a s i ss t u d y i n g ，t h es e r i a la p p l i c a t i o no ft h r e e l a y e r sb pn e u r a ln e t w o r k si nd e b r i sp a t t e r nr e c o g n i t i o nw a su s e d ，a n dam e t h o d w h i c ha s c e r t a i n st h et r a i n i n gt i m e so fb pn e u r a ln e t w o r k sw a sa l s os u g g e s t e d f i n a l l y ，aw d a i s ( w e a rd e b r i sa n a l y s i sa n di d e n t i t ys y s t e m ) w a sd e v e l o p e d w i t hv c + + 6 0i n t e g r a t e de x p l o i t a t i o ne n v i r o n m e n t a n db yt h ee x a m i n a t i o no ft h e a c t u a li n p u td e b r i s ，t h ew d a i sw a sp r o v e dt ob ea b l et od i s t i n g u i s hs e v e r a lk i n d s o fr e p r e s e n t a t i v ed e b r i sa n dw a sv e r yp r a c t i c a l k e y w o r d s ：f e r r o g r a p h y ；d e b r i s ；i m a g ep r o c e s s i n g ；b pn e u r a ln e t w o r k s 图1 - 1 图2 - 1 图2 - 2 图2 - 3 图3 1 图3 - 2 图3 - 3 图3 4 图3 - 5 图3 - 6 图3 - 7 图3 - 8 图3 - 9 图3 一l o 图3 - 11 图3 - 1 2 图3 - i3 图3 14 图4 - 1 图4 2 图4 3 图4 - 4 图4 - 5 图4 - 6 图4 - 7 图4 8 图4 - 9 图4 - 1 0 图5 一l 图5 - 2 图5 - 3 图5 - 4 图5 - 5 插图清单 课题的研究思路一5 粘着磨损一6 简化圆锥形微凸体切削模型7 磨粒几何特征1 2 磨损颗粒图像预处理15 r g b 颜色模型16 图像采集系统l7 二维采样函数18 图像的灰度化l9 3 3 平滑模板一2 0 图像增强2 0 r o b e r t s 算子2 1 图像锐化2 1 磨粒图像及人工阈值分割2 3 o t s u 阈值与人工阈值处理结果一2 4 铁谱图像对应的直方图2 5 图像的二值化2 5 铁谱图像预处理步骤及结果一2 7 8 链码图2 8 周长计算2 8 典型磨粒的圆形度值比较2 9 磨粒区域方向及等效圆。2 9 旋转前图像一3 0 旋转后图像3 0 典型磨粒图像的长短轴比的比较3 1 方向测度2 2 窗口3 1 层状磨粒、粘着磨粒和严重滑动磨粒一3 2 磨粒方向系数i 肌一3 4 人工神经元模型3 6 三层b p 神经网络模型3 7 b p 神经网络拓扑结构3 8 b p 神经网络的识别流程图3 9 误差随着样本训练次数增加的变化趋势4 1 图5 - 6磨损颗粒的识别4 2 图6 1w d a i s 数据处理流程图_ 4 4 图6 - 2分析式铁谱制谱仪组原理图4 4 图6 3铁谱双色显微镜光路图4 5 图6 4w d a i s 系统的硬件图4 5 图6 5磨粒自动识别系统功能模块示意图一4 6 图6 - 6w d a i s 处理流程示意图一4 7 图6 7导入系统中铁谱图像4 7 图6 - 8被选定的磨粒4 7 图6 - 9图像增强4 8 图6 1 0 人工选择结果一4 8 图6 1 1o t s u 自动阈值结果4 8 图6 - 1 2 图像出现双波谷情况及人工阈值分割4 9 图6 - 1 3 磨粒的二值化效果4 9 图6 - 1 4 磨粒的边缘提取效果4 9 图6 - 1 5 磨粒的参数提取5 0 图6 1 6b p 神经网络识别一5 0 表1 - 1 表1 - 2 表2 - 1 表2 - 2 表3 - 1 表4 1 表4 2 表4 - 3 表4 - 4 表5 1 表5 - 2 表5 - 3 表格清单 可靠性统计结果2 润滑油分析方法应用的尺寸范围2 磨粒的特征、分类及形成机制9 磨粒三维表面纹理表征方法1 3 o t s u 阈值分割方法与人工阈值分割方法的比较2 5 典型磨粒图像的圆形度值一2 8 典型磨粒图像的长短轴比3 0 层状磨粒、粘着磨粒和严重滑动磨粒的方向系数3 3 磨粒形状尺寸参数及纹理参数的比较j 3 5 样本输出矩阵4 0 样本实际输出4 0 b p 分类器的识别4 1 符号清单 么= 妊厂( x ，y ) d x d y 一磨损颗粒区域面积 c = p 。2 4 从一磨损颗粒的圆形度 d 6 = ( 口+ 6 ) 2 一二轴平均径 d 。= 2 瓜一等效圆直径 d y = 万百一二轴几何平均轴 d ? = ( 矿一带) ( o ? ) 一神经网络输出层校正误差 6 e = ( y d i - o u t i 1 ) 2w b p 神经网络误差 f = l 6 口；= ( w f l d , k ) f ( s ；) 一神经网络中间层各单元校正误差 f 1 = lp 。l z ( 1p 。i + 1p 一。i ) 一磨粒的圆形度 n = l f 2 = 1 一( ip i 1p 。1 ) ( 1p ，l + lp 。i ) 一磨粒的细长度 f 3 = ，z 3 ( ip 。1 2 - ip 一。| 2 ) ( ip 。1 2 一lp 一。1 2 ) 一凹度 n = l 4 i r v = 4 m a x h ( c o ) ，国= 1 ，2 ，3 ，4 ) _ m i n h ( g o ) ，缈= l ，2 ，3 ，4 ) ) h ( 妫一方向系数 p 。= 口。磨粒区域周长 七= l p ，= 玎，n ，i = 0 1 ，l 一1 一灰度级i 的像素数概率 r v 5 丢车h ( 彩) 一粗糙性 r 掰。= p ，一c o 类图像灰度均值 i = 0 l - i “。= z i p ，w l c 1 类图像灰度均值 i = t + l 一l 坼= 识一整幅图像的均值 i = o u ( t ) = p e 用= p o + ( 见+ 卫。纱) 一傅里叶展开式 以= w o w ，( u 。一u 1 ) 2 一c o 和c l 类间方差 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行研究工作取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包括 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为或得金旦墨王些太堂 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：盛埠签字日期：仫甜丘月丝日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅或借阅。本人授权 金目曼王些太堂可以将学位论文的全部或部分 论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签字： 匙蛊写 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师嫁弘辱 签字日期：一 堕 电话： 邮编： 致谢 在论文完成之际，本人在此向所有关心我的老师和同学致以最真诚的感 谢! 本课题是在导师焦明华副教授亲切的关怀和悉心指导下完成的，导师渊博 的学识和严谨务实的治学态度，使我受益匪浅。导师谦逊无私的高尚品质和 平易近人态度深深地影响着我。在课题的研究和论文的写作过程中，尹延国 教授也给于了我大量指导和帮助。在两位导师的指导下，我顺利完成了课题 的研究和毕业论文的写作。藉此论文顺利完成之际，我在此表达对焦明华和 尹延国两位导师真诚的感谢和深深的敬意。 同时，感谢摩擦研究所的刘煜老师、俞建卫老师、田明老师、谢挺老师、 胡献国老师等所里各位老师对我课题研究的关心和支持以及为我课题研究工 作提供了研究条件和工作环境；感谢所里的同学及同寝室的室友的真诚友谊， 他们使我愉快地度过了这个美好的研究生阶段；感谢父母、姐妹对我生活上 关怀、支持和鼓励；感谢合肥工业大学，这所充满积极向上的学习氛围和有 着不断奋发进取的精神面貌的校园，给我带来的精神上的激励。 最后，感谢论文中参考文献的作者；感谢对我投稿文章提出中肯建议、完 善我的设想的审稿人员；对审阅、评审我的专家、老师表示感谢。 再次感谢大家，谢谢! 赵孟军 2 0 0 8 4 9 1 1概述 第一章绪论 机械零部件的磨损是机械设备最主要的故障形式。统计表明，磨损故障 占机械设备故障的8 0 左右【lj 。据艾尔( t s e y r e ) 估计，磨损给工业国带来的损 失可达国民生产总值的2 一8 ，在美国每年因磨损造成的损失可达1 9 2 0 亿美 元。俄罗斯的机器制造和轻工企业，每年维护和修理机器的费用占机器购置 费的3 0 5 0 。整个机械制造部门的损失为10 0 12 0 亿卢布。联邦德国研究和 技术部19 9 5 年统计报导说，联邦德国每年因摩擦磨损造成的损失超过1 0 0 亿马 克。在我国，由于磨损原因而造成的损失也非常巨大。2 0 0 1 年曾对五个工业 部门进行估算，磨损件造成的钢铁消耗竟达9 5 万吨( 其中冶金矿山4 5 万吨，采 煤l3 万吨，发电站13 万吨，建材工业12 万吨，农业机械12 万吨) 。在铁路部门 的前进型蒸汽机车中有2 0 对主要摩擦副，因磨损过度造成的换修代价占机车 修理成本的6 1 。在各工业部门中所使用机器零部件，因磨损原因导致失效而 必须更换或修理的，约占失效零部件总数的6 0 以上【2 】。而且，磨损还可能诱 发其它形式的故障。可见机械设备的磨损损失是非常惊人的，尤其是因磨损 所造成的一些突发事故。为保持机械设备的正常运转，避免其突然破坏造成 重大事故或巨大损失，必须对机器设备的工作状态进行监测，以保障机械设 备安全运行、减少故障停机事故、降低维修成本。因此，建立以状态监测与 故障诊断为基础的视情预防维修制，具有重要的经济和社会意义。 19 6 7 年在美国宇航局( n a s a ) 倡导下，由美国海军研究室( o n r ) 主持美国 机械故障预防小组( m f p g ) ，开始积极从事故障诊断技术的研究与学术交流； 上世纪6 0 年代末7 0 年代初，以c o l l a c o t t r a 为首的英国机械保健中心( u k m e c h a n i c a lh e a l t hm o n i t o r i n gc e n t e r ) 开始诊断技术的开发研究；日本在钢铁、 化工、铁路等民用工业部门的诊断技术方面发展很快，并具有较高的水平； 丹麦在机械振动监测诊断和声发射检测仪器方面具有较高水平；我国在机械 故障诊断技术方面的研究和应用相对较晚，2 0 世纪8 0 年代开始着手组建故障 诊断的研究机构 3 - 5 】。经过二十多年的努力，使故障诊断技术得到了比较迅速 的发展。目前，机械状态监测与故障诊断已形成多种技术手段，这些技术手 段包括：( 1 ) 监测机器的运转参数，如速度、压力、载荷、功率等；( 2 ) 监 测由摩擦引起的能量损耗，如声发射、噪声、温度等；( 3 ) 监测机械构件的 工作状态或润滑状态，如振动、位移、润滑油理化分析等；( 4 ) 磨粒的监测 分析，如光谱分析、铁谱分析、磁塞、放射性示踪和磨粒计数技术等四个方 面。其中，由于磨损颗粒带有丰富的摩擦学信息【6 】，将各种摩擦副产生的磨损 颗粒从润滑油中分离出来，采用现代分析手段分析磨损颗粒所包含的各种特 征信息，是研究摩擦副摩擦磨损机理、了解典型特征摩擦副运行状态的有效 方法。因此，磨粒分析技术早在诊断学科建立之初就在机械的监测和故障诊 断中得到运用pj 。在l9 7 0 年，美国麻省理工学院的w w s e i f e i 和超音公司的 v c w e s t c o t t 提出铁谱分析的设想【8 】，并于19 7 1 年研制出用于分离磨损颗粒并 进行观察分析的仪器一铁谱仪和铁谱显微镜。目前，铁谱分析技术已经在机 械工程、航天、内燃机等领域得到了广泛研究和应用【9 14 1 。 铁谱分析技术的基本原理是利用高梯度强磁场将机械润滑剂或工作介质 中所含磨损颗粒按其粒度大小依序分离出来，并通过对磨损颗粒形态、大小、 成分以及粒度分布等作定性和定量观测，来获得有关摩擦副和润滑系统等工 作状态的重要信息。与光谱分析、磁塞分析、磨粒计数等技术相比，铁谱分 析技术有几个明显优点： 1 可靠性强，如表l 一1 所示5 1 。表中给出了一些常用的润滑分析和磨粒检 测方法的可靠性统计结果。 表1 1 可靠性统计结果( ) t a b l e l - 1t h er e s u l to fd e p e n d a b i l i t y 2 适用范围广，对各种尺寸的磨粒都很敏感，如表1 2 所示【15 1 。表中给出 了各种不同磨粒检测分析方法的应用范围。 表1 2 润滑油分析方法应用的尺寸范围( m n ) t a b l e1 - 2t h ed i m e n s i o nr a n g eo flu b r i c a n ta n a l y s i sa p p l i c a t i o n 3 可实现定量分析和定性分析 直读式铁谱仪通过大磨粒读数d l 和小磨粒读数d s 来计算油样中磨粒的相 对浓度及尺寸分布，从而实现对机械磨损做半定量分析；分析式铁谱仪通过 对制取的油样谱片进行显微镜观测，分析从磨粒的颜色、尺寸、形状和表面 纹理等特征信息入手，从而对机械磨损做出定性判断。将这两种方法结合将 有助于提高对机械运行状态的准确分析判断。 1 2 铁谱分析的国内外研究现状及存在问题 早期的磨粒分析过程中，磨粒识别一直由铁谱领域专家或有经验的铁谱 工作人员来完成，由于受分析手段的限制以及不同分析人员的知识水平、经 验的影响，造成铁谱分析技术对人的依赖性较大，难以推广。因此，在上世 纪7 0 年代中后期，英国o d i - - o w e i 等在铁谱定量分析中引入了图像分析方法 6 1 ，从而开辟了铁谱磨粒自动化分析的先河。随后r o y l a n c e 等开发了 q u a n t i m e n t 7 2 0 图像分析系统对谱片上磨粒作了分析【1 7 】。l9 8 9 年，美国 c a r b o r u n d u m 公司组装了一套被称为f a s t 专门用于铁谱分析的图像处理系统 8 1 。此后，许多学者都纷纷致力于铁谱分析的自动化研究，研究主要集中在 磨粒图像获取方法的研究和磨粒的特征参数及其优化两方面。其中，在磨粒 的二维特征参数的研究上已经较为全面深入，并形成了一套较为完备的磨粒 特征描述体系9 _ 2 列。由于磨粒本身是三维的物体，用二维的方法来分析三维 磨粒必然造成信息的丢失，比如正常磨损磨粒、严重磨损磨粒和疲劳磨损磨 粒具有相似的形状和边缘细节特征，用二维特征很难区分开来。因而，三维 磨粒表面纹理特征的分析研究对于准确分析判断磨粒类型和完善磨粒的自动 识别技术显得尤为重要。磨粒表面纹理分析已成为磨粒自动化识别中的焦点 及“瓶颈”。 目前，国内外许多学者主要在磨粒表面形貌数据的获取和磨粒表面纹理 的数字特征描述这两方面进行了分析研究。其中，国外的西澳大利亚大学的 p p o d s i a d l o ，g w s t a c h o w i a k 等人、国内的武汉理工大学、南京航空航天大学、 上海交通大学等的研究较为突出。 西澳大利亚大学的p p o d s i a d l o ，g w s t a c h o w i a k 研究重点在于磨粒表面 数据的获取和参数的表征。先是研究s e m 扫描电镜获取磨粒数据的方法【2 引， 通过两幅s e m 图像可以获得关于表面三维特征的信息，是一种可靠的获取磨 粒图像的技术，后来在s e m 基础上开发了一种称为f e s e m 的改进立体成像 系统口引。在表面纹理参数的研究方面，p p o d s i a d l o ，g w s t a c h o w i a k 在磨粒表 面分析中应用了修正h o t ( h u r s to r i e n t a t i o nt r a n s f o r m ) 方法 2 5 , 2 6 】，给出了反映 各向异性的h u r s t 系数，h u r s t 系数与表面分形维数d 存在如下关系：d = 3 h 。 最后，在上述研究的基础上提出了p i f s ( p a r t i t i o n e di t e r a t e df u n c t i o ns y s t e m ) 方法【2 4 ，2 6 - 2 引。 武汉理工大学的吕植勇等重点对磨粒表面参数的提取做了研究。通过采 用灰度共生矩阵方法提取表征典型磨粒图像的纹理特征参数一熵、能量、 惯性矩、局部平稳、相关、最大概率、方差等 2 9 1 ，作为判断机器设备故障机 理的判据之一。并给出了几种典型磨粒的熵、能量、惯性矩、局部平稳、相 关、最大概率、方差等参数的范围。此外，吕植勇等对普通铁谱显微镜做了 改进，增加了一个由步进电机驱动z 轴移动的设备，从而实现对磨粒厚度的 测量。 南京航空航天大学的左洪福等根据双目立体视觉的深度感知机理1 3 0 1 ，利 用光学显微镜立体视觉模式进行光学成像，并辅助相应的匹配方法和计算方 法来获取微粒的厚度尺寸，根据高度分布重建了磨粒的表面形态。并将此技 术应用于航空发动机无损检测中的研究中。 上海交通大学的王成焘、王伟华引入方向测度法对磨粒表面进行了表征， 并以纹理特征作为径向基函数神经网络的输入矢量对磨粒纹理进行分类识别 【3 1 】 o 武汉理工大学严新平等人研究开发了基于b i o r a d r a d i a n c e 2 0 0 0 激光共焦 显微镜的磨粒三维表面形貌获取技术 3 2 1 ，这又为磨粒的三维数据的获取提供 了一种新途径。 然而，目前磨粒表面纹理的表征仍未形成统一的参数表示，各种表征磨 粒表面纹理的方法都存在优缺点。包含表面纹理参数的系统的磨粒自动识别 系统还不完善，有待于深入研究；同时，开发和实现磨粒自动识别系统受多 种的因素影响，如铁谱图像质量、模式识别方法等。可见，开发和实现一个 磨粒自动识别系统还存在许多问题。主要涉及以下几个方面： ( 1 ) 图像自动识别系统关键是针对铁谱图像中单个磨粒来进行的识别判 断。由于油样中有时含有脂类物质以及纤维等的杂质，容易造成图像模糊， 影响磨粒的识别判断；同时，谱片上磨粒时常相互邻接或叠落，难于自动分 割。“分割”的难度甚至更胜于“识别”。 ( 2 ) 二维的表征参数已形成一个较为完备体系，而磨粒表面纹理的表征 尚未形成统一的参数描述，对于一些边缘相似的磨粒就很难识别判断。 ( 3 ) 表征磨粒的特征参数很多，有形状方面的、尺寸方面的、颜色方面 的、纹理方面的。由于磨粒的表征参数过多，在设计磨粒分类器时，就必须 对磨粒的特征参数进行优化，选择合理的输入特征参数。 1 3 本课题研究的目的、思路与主要内容 课题研究的主要目的是在磨损颗粒特征参数的研究基础上，进一步针对 磨粒表面纹理进行分析研究进而提取磨粒表面纹理参数，继而开发和完善磨 粒自动识别系统。 课题针对铁谱分析技术的研究现状与铁谱自动识别系统开发中存在的问 题，在总结前人研究方法的基础上，通过试验分析提出提取表征磨粒表面纹 理方法；并从磨损理论、图像处理技术、磨粒的模式识别方法等方面对磨粒 自动识别系统加以分析和研究。本论文的研究思路，如图1 1 所示。 图1 1课题的研究思路 f i gl 一1 t h er e s e a r c ht h o ug h t so ft h i ss u b je c t 基于上述的研究思路，本课题的主要研究内容如下： 1 磨粒识别的理论基础，主要探讨当前存在的典型摩擦磨损、磨粒分类、 不同磨粒的特征及形成机理；阐述磨粒特征参数的数学描述。 2 铁谱图像的数字化预处理，介绍磨粒数字图像处理的基本概念；探讨 系统中所运用的邻域平均滤波、中值滤波、图像锐化等图像增强方法以及图 像分割与二值化。 3 磨粒表面纹理的表征研究及其特征参数的提取，主要对磨粒表面纹理 的表征进行深入分析研究，提出磨粒表面方向系数来表征磨粒的纹理方向性； 并探讨磨粒的区域圆面积、等效圆直径、区域周长、圆形度、纵横比等特征 参数的提取方法。 4 磨粒的模式识别研究，主要论述三层b p 神经网络设计与网络训练次 数的确定以及三层b p 神经网络串联方式在铁谱图像识别系统中的应用。 5 磨粒识别系统的整体设计及应用分析，介绍系统的硬件组成和软件整 体框架以及各功能模块，并简介了系统的应用识别。 最后，课题以m i c r o s o f tw i n d o w sx p 操作系统为开发平台，采用v c + + 6 0 可视化开发工具，开发出面向用户、界面友好的磨粒自动识别系统 w d a i s ( w e a rd e b r i sa n a l y s i sa n di d e n t i t ys y s t e m ) 。但是由于本人知识水平和 实验条件的局限，该系统还存在些问题，还需今后进步完善和改进。 第二章磨粒识别的理论基础 2 1 导言 磨损颗粒的形成与机械摩擦磨损过程紧密相关。任何机件在接触状态下 的相对运动( 滑动、滚动或滑动和滚动) 时都会产生摩擦，相对运动表面的物质 不断损失或产生残余变形过程即磨损，在磨损过程中这些从机件表面脱落物 质形成磨损颗粒。磨粒的形成与摩擦磨损过程及机理密切相关，因此，对磨 损机理的研究对分析判断磨粒有着重要意义。同时，磨损机理的研究为磨损 颗粒的分类提供理论依据，而磨粒分类的正确与否直接影响磨粒识别的准确 性以及对机械故障合理判断。本章就磨损机理、磨粒分类以及磨粒特征参数 的数学描述进行了研究和探讨。 。 2 2 主要磨损类型 磨损机( w e a rm e c h a n i s m ) 就是指磨损的微观机制或过程。磨损通常按损 坏机理分类为：粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、摩擦化学磨损等几种磨损 类型。 2 2 1粘着磨损 粘着磨损一般指由于粘着作用使两摩擦表面的材料迁移而引起的机械磨 损。材料的接触表面凹凸不平，两表面的接触实际上是点接触，如图2 1 所示。 图2 1 粘着磨损 f i 9 2 - 1 a d h e s i o nw e a r 在定载荷作用下，当物体摩擦表面相对滑动时，在接触点发生塑性变形或 剪切，表面膜、油膜破裂，表面温度升高，严重时表层金属软化或熔化，导 致接触点固相焊合，即粘附o 随着磨损过程接触点会出现粘附一剪断一再粘 附一再剪断的不断循环过程，最终使表面材料从一个表面转移到另一个表面 上。粘着磨损与其他磨损形式的很大不同在于，其他磨损形式一般都需要一 些时间来扩展或达到l 临界破坏值，而粘着磨损则发生的非常突然；这主要发 生在滑动副或滚动副之间没有润滑剂时，或期间油膜受到过大负荷或过高温 度而破坏时。严重时，机械系统中运动零件的“咬死 将导致灾难性失效， 如轴承抱死、剧烈磨损等。 2 2 2磨粒磨损 磨粒磨损指由硬质物体或硬质颗粒的切削或刮擦作用引起的机械磨损。 又可分为两体磨损和三体磨损。磨粒磨损主要是由于硬质磨粒对金属表面的 微切过程导致磨损，或者由于磨粒与金属表层材料接触，导致局部瞬时接触 应力、接触变形，甚至将表层挤出形成剥落物。久而久之经常产生变形的表 层材料会疲劳剥落产生磨损。如图2 - 2 所示，为简化圆锥形微凸体切削模型， 其圆锥体的项角为2 0 ，硬质颗粒插入软体材料的深度为h 。 图2 - 2简化圆锥形微凸体切削模型【3 3 】 f i 9 2 - - 2 t h es i m p l i f i e dc o n i cm i c r o c o n v e xc u t t i n gm o d e l 实际中，磨粒磨损主要发生在采矿、物料运输、农机或工程机械作业和 原材料加工处理过程中。若沙粒或尘粒进入零件副的滑动面或滚动面上，则 同样会发生严重的磨粒磨损，如开式齿轮传动等。若磨屑不能从它形成的地 方被润滑油带走并过滤掉，也会导致磨粒磨损。 2 2 3疲劳磨损 疲劳磨损是指由于摩擦表面材料微体积受循环接触应力作用在重复变形 时发生疲劳破坏而引起的机械磨损。疲劳磨损包括两个阶段：裂纹的萌生阶 段和裂纹的扩展阶段。疲劳裂纹通常萌生于金属表面的应力集中处，在较高 的循环应力作用下，材料内部形成滑移带。循环滑移的结果在金属表面形成 滑移台阶、挤出、挤入、峰和谷，导致金属表面粗糙不平和显微裂纹的萌生。 金属材料显微裂纹在外力的继续作用下发生裂纹扩展，最后导致材料表面物 质的脱落形成一些颗粒状或片状磨屑，结果留下一些麻点和坑穴。表面疲劳 裂纹的产生及其部位与接触处表面下方应力场的性质有关。静弹性接触的赫 芝理论表明，最大压应力发生在表面，而最大单向切应力则发生在表面下方 深度为z m 处( 平行圆柱体的z m = o 7 8 a ，tm a x = 0 3 p m a x ) 。在滚动接触条件 下，重要的应力参数是最大交变切应力，它比最大单向切应力更接近于表面。 如果表面还承受相当大的摩擦力，则这些切应力最大值的位置就变动而向表 面区移动。 2 2 4 摩擦化学磨损 摩擦化学磨损是在摩擦促进作用下，摩擦副的一方或双方与中间物质或 环境介质中的某些成分发生化学或电化学作用而引起的磨损。根据材料和介 质的性能不同，化学磨损可分为氧化磨损和腐蚀磨损。 大多数金属在空气中，表面都会形成一层几十个分子厚的氧化膜，但是 在两相互作用的金属表面产生相对运动时，机械的摩擦作用或氧化膜本身的 内应力作用会使氧化膜破裂，甚至脱落从而形成氧化磨损颗粒，这一过程称 为氧化磨损。腐蚀磨损通常指金属表面在有酸、碱、盐等特殊介质工作时， 表面材料发生化学腐蚀作用，形成各种化合物在摩擦过程中不断被磨损。腐 蚀表面呈现一大片明显的点状或丝状的腐蚀痕迹。 摩擦化学反应形成的表面层的脆性随表面层厚度达到一临界值时就发生 磨损，因此这些表面层的脆性随厚度的增加而增大。对于铁质材料，常常用肉 眼就可以辨认出红棕色或黑色的覆盖层；如用光学显微镜则可看得更清晰。这种覆盖 层由q f e ：0 。和f e 。0 。构成。 2 3 磨损颗粒的分类及其形成机理 机械的磨损过程都伴随着磨损颗粒的产生，但磨损颗粒形成机理又各不 相同。目前，关于磨损颗粒形成研究较深入的理论主要有：( 1 ) r a b i n o w i c z 从 能量的观点分析过粘着磨损中磨屑的形成的理论，指出磨屑形成条件是分离 前所存储的变形能必须大于分离后新生表面的表面能；( 2 ) 苏联学者的疲劳 磨损理论指出：在磨损过程中，接触峰点受到很大的周期性变化的应力作用， 当应力循环次数达到一定时产生疲劳裂纹，进而扩展形成磨粒，即对于粘着 磨损、微动磨损和疲劳磨损而言，磨屑的产生是由于在摩擦过程中，剪切变 形不断积累，使表面下一定深度处出现位错堆积，进而导致形成裂纹或空穴， 裂纹扩展到一定尺度时，在裂纹与表面之间的材料将以片状磨屑的形式剥落 下来。在这些基本理论基础上，结合各具体磨损类型，有助于理解和探讨各 种不同类型磨损颗粒的形成过程。 在2 0 世纪7 0 年代中期，美国的b o w e n 和w e s t c o t t 对磨粒的分类及形成 机制进行了研究，编制了磨粒图谱第一卷，对钢铁材料的磨粒做了分类。到 了8 0 年代中期，美国海空工程中心总结了自铁谱技术问世以来，大约1o 年 内英美两国科技工作者在铁谱技术工作中积累的资料，编制了更完善的磨粒 图谱，成了识别各种磨粒的基础。根据磨损类型及机理的不同，磨损过程中 形成的磨损颗粒也不尽相同，按磨损故障机理以及磨粒的形态特征可将磨损 过程中产生的磨粒分为正常滑动磨粒、切削磨粒、滚动疲劳磨粒、滚滑磨粒、 严重滑动磨粒、有色金属磨粒，铁的氧化物磨粒以及腐蚀磨粒等【3 4 1 。表2 一l 列出了磨粒特征、分类及形成机理。 表2 1磨粒的特征、分类及形成机制 t a b l e 2 1t h ef e a t u r e s 、c l a s s i f i c a t i o na n df o r m i n gm e c h a n i s mo fd e b r i s 类别特征形成机制 黑正常形状：薄片状，具有高度抛由小于1 微米厚的切混层疲劳剥落 色磨损光的表面，沿磁力线呈链状形成。在正常磨损期内，切混层边 金 颗粒分布。尺寸：长度小于l5 a m ；剥落边形成，达到动态平衡状态， 属 厚度约0 1 5 1 a m稳定地、不断地产生正常磨粒 (切削形状：切削状，可呈螺旋形、大磨粒：硬表面的锐边、凸起、裂 钢磨损圆圈形、曲线形。尺寸：1 纹插入软表面，从而切削软表面而 和 磨粒大磨粒：长度2 5 一1 0 0 a m ，宽形成。 铁 度2 5 a m ；小磨粒：长度小小磨粒：润滑系统中的磨料微粒嵌 ) 于1 0 a m ，宽度小于1 a m入较软的表面，切削软表面而形 磨成，其尺寸与磨料微粒尺寸成正 粒 比。 滚动1 疲劳剥片：扁平的片状磨1 疲劳剥片：表面疲劳裂纹以与表 疲劳粒，具有光滑的表面和不规面成一很小夹角向内扩展，随后转 磨损则的轮廓线；尺寸：最大可向与表面平行方向延伸。裂纹相连 颗粒达10 0 a m ；长厚比约10 1 。后剥落成疲劳剥片。 2 球形磨粒：直径1 5 a m 。2 球形磨粒产生于滚动疲劳裂纹内 3 层状磨粒：极薄的游离金部。裂纹内表面的切混层剥落及随 属磨粒，表面有孔穴、空洞油进入的片状磨粒，经内表面相对 等缺陷；尺寸：2 0 5 0j _ t m ，或运动的反复揉搓而成为球形磨粒。 更大；长厚比：约3 0 13 层状磨粒：剥落的磨粒粘附于滚 动件表面，在滚动摩擦副中进一步 受碾压而成。 滚滑有两种不同形状1 疲劳剥块产生于齿轮的节圆处， 复合1 疲劳剥块：比滚动疲劳剥表面成裂纹沿法线方向发展到一 磨损片厚的剥块。定深度后，转向与表面平行方向延 颗粒尺寸：数a m 到上百a m 。伸，相连后形成剥块。 长厚比： 2 0 9 m严重表面塑性流动，产生大的游离 长厚比：约10 1金属磨粒。大表面又造成表面很深 的犁沟 。 有自色具有明显的非铁磁性沉积特 彦有色征，它们的沉积方向是随机 金金属的，长轴方向不一定与磁力 属磨粒线方向一致，并有可能沉积 磨在铁磁性磨粒沉积链之间； 粒它们在铁谱片的全长上均可 能沉积，不服从铁磁性沉积 的尺寸分布规律 指a 1 、a g 、c r 、c d 、m o 、 t i 、z n 铜合在白色反色光下呈微红的黄来自含铜件的摩擦副，如滑动轴 金磨色承、滚动轴承的保持架 粒 铅锡低倍镜下呈黑色，4 0 0 x 或轴承表面的铅锡镀层在润滑油瞬 合金1 0 0 0 x 下可见蓝色或橘黄色时中断时，因擦伤而剥落，常伴随 磨粒的氧化斑。没有清晰的轮廓热效应，因熔点极低，故形成过程 边缘系在熔融状态下形成呈熔融状态，出现高温表面氧化或 腐蚀磨损 氧红色有两种不同的形式1 锈蚀颗粒是因水分进入润滑油引 化氧化1 修饰颗粒：与普通铁锈相 起锈蚀而产生 铁 铁磨似的u f e 2 0 3 多晶体，在反2 红色氧化铁磨粒是因润滑不良的 磨粒 射白光下呈橘黄色：顺磁性。磨损接触，发生氧化磨损而产生 粒2 红色氧化铁磨粒：反色光 下呈灰色，有较高的反光效 应，光泽较差。 黑色表面粗糙不平的堆