磨合吸引子的演化规律及其系统依赖性研究

发布时间：2019-08-14 16:18

【摘要】：磨合吸引子是摩擦系统在磨合过程中自组织形成的时空有序的稳定结构。为了丰富磨合理论,实现对摩擦磨损过程的动力学诠释,并为机械系统磨合的主动设计提供理论依据,本文基于分形与混沌理论开展了磨合吸引子随时间的演化规律以及依赖于系统参数的形成规律研究。为了形象说明磨合吸引子,将混沌理论中的相轨迹理论应用到磨合吸引子的直观描述中。为了定量描述磨合吸引子及其演化过程,在现有关联维数表征参数的基础上将混沌理论中的预测度和熵引入到了磨合吸引子的表征中去,同时创新性地提出了包含半径和相点平均距离两个新的表征参数,极大地丰富了磨合吸引子的表征参数和研究方法。新提出的表征参数中,包含半径表征磨合吸引子的空间范围大小,相点平均距离表征磨合吸引子相轨迹的收敛或发散程度。分别进行了旋转摩擦下和往复摩擦下的磨损过程试验,使用相轨迹和混沌表征参数研究了由摩擦力(或摩擦系数)和摩擦温度的单变量时间序列信号重构得到的磨合吸引子在磨损过程中的动力学演化规律。在往复摩擦中,由于摩擦力的方向周期性地改变,摩擦力信号的混沌特性被周期性遮蔽,无法进行混沌分析,因此采用摩擦系数代替摩擦力进行分析。研究发现,无论是旋转摩擦还是往复摩擦,摩擦力、摩擦系数和摩擦温度信号的动力学演化规律是相同的。在磨合过程中,相轨迹收敛而形成磨合吸引子;在稳定磨损阶段,磨合吸引子具有稳定的轨迹形态;在剧烈磨损阶段,相轨迹发散,磨合吸引子逐渐消失。包含半径、相点平均距离和预测度在磨合阶段中随磨损时间的增大而减小,在稳定磨损阶段维持在较小的数值,在剧烈磨损阶段随磨损时间的增大而增大。关联维数和熵则具有相反的演化规律。同一摩擦系统中,摩擦信号的动力学演化具有一致性,表现在摩擦信号的相轨迹和混沌表征参数的演化规律是相同的,相轨迹的收敛、稳定、发散过程是同步的,动力学参数的增大或减小也是同步变化的。使用相轨迹和混沌表征参数证明了磨合吸引子具有低耗散性、有界性、高密度性、分维性和内随机性。有界性是磨合吸引子的外在约束力。有界性决定了相轨迹的运动范围,导致了低耗散性,将相点约束在狭小的范围内造成高密度性。内随机性是磨合吸引子结构复杂化的内在动力。内随机性使轨迹不规则运动,导致了分维性,使轨迹的空间填充能力增强,从而又导致了高密度性。当磨合吸引子的各种性质发生变化时,就意味着系统发生了动力学突变。将动力学突变识别方法分为三类,即基于界、基于密度和基于内随机性的突变识别方法,其中基于内随机的突变识别方法是灵敏度最高应用最广泛的方法,但是这种方法仅适用于相轨迹的空间位置和界的大小相近的两个时间序列的比较,而且动力学差异的显著程度取决于尺度的大小。针对这些问题,对基于内随机性的突变识别算法进行了改进,增加了标准化预处理和尺度独立化处理,拓展了算法的适用范围,使计算结果具有唯一性。使用改进后的算法对摩擦信号进行动力学突变识别,发现磨损过程中依次出现动力学突变区、动力学稳定区和动力学突变区,这三个区域分别对应于磨合吸引子的形成、维持和消失三个阶段。进行了不同工况下销-盘的磨合试验,研究了磨合吸引子依赖于系统参数的形成规律。研究发现:磨合吸引子的关联维数和熵随销的初始表面粗糙度的增大而减小,随载荷和速度的增大而增大;包含半径和相点平均距离随销的初始表面粗糙度,载荷和速度的增大而增大;预测度随销的初始表面粗糙度的增大而增大,随载荷和速度的增大而减小。硬度较低的盘的初始表面粗糙度对磨合吸引子表征参数的影响较小。为了定量描述磨合吸引子的系统依赖性,基于试验数据使用响应表面法建立了磨合吸引子表征参数的预测模型。将磨合吸引子应用到了磨合质量评价和磨合设计中。对于磨合吸引子,较大的关联维数总是伴随着较大的熵和较小的预测度,包含半径与相点平均距离变化趋势相同,因此选取磨合吸引子的关联维数和包含半径两个表征参数评价磨合质量,进而将磨合吸引子表征参数依赖于系统参数的变化规律用于指导磨合设计。理论分析和摩擦振动、摩擦噪声的试验结果表明,关联维数越大,包含半径越小,磨合吸引子越稳定,磨合质量越好。将关联维数大、包含半径小和磨合时间短作为磨合设计的三个目标,使用带精英策略的非支配排序遗传算法求解得到了Pareto最优解集及对应的最优磨合参数集。对最优磨合参数集分析可知,在磨合设计时,硬度高的摩擦表面应当选择较小的粗糙度,硬度低的摩擦表面无需加工至极小的粗糙度,粗糙度可选范围较大。对于较软的表面,尽管初始粗糙度可选范围大,但是应当避免较大粗糙度和较大载荷或速度的参数组合,以保证高磨合质量,避免低粗糙度和较小载荷或速度的参数组合,以保证高磨合速度。
【图文】：

摩擦磨损试验机,旋转式

常用的测温方法分为接触式和非接触式，接触式测温使用安装在被测物体上的热电偶或热电阻来测温，热量通过热传导传递到温度传感器。这种测量方法便于温度信号的实时在线测量。非接触式测温使用红外热像仪或红外点温计来测量，热量通过热辐射传递到温度传感器。红外热像仪可以测量到温度场，红外点温计用于测量某一点的温度。非接触式测温由于不经过热传导的过程响应速度更快，但是红外测温只能测量暴露在外的表面，由于摩擦界面被摩擦副遮蔽，无法使用这种测量方法。尽管摩擦副接触区域的边缘处可以使用红外测温，但是与热源距离远，温差大，并且在磨损过程中表面粗糙度的变化、磨粒的产生和润滑油的影响都会使辐射率改变，这使得无法使用红外设备在磨损过程中准确测温。因此，本文使用热电偶测量摩擦温度信号，将其安装在下试样距摩擦界面 1 mm 的孔中，为了减小接触热阻，使热电偶能够快速测出摩擦温度变化，在安装孔内填充导热系数为 2 Wm-1K-1的导热硅脂。热电偶选用针形 NiCr-NiSi 热电偶，分度号为 K（IEC 标准），直径为 1mm测温范围为 0~600oC，测量精度为 0.2%。这种热电偶属于小惯性热电偶，响应速度快，可用于测量瞬态温度变化。

安装图,试件,安装方法,摩擦温度

(a) 环试件的安装 (b) 盘试件的安装图 3-2 环试件和盘试件的安装方法Figure 3-2 Installation of ring and disc验机还可以使用加速度传感器测量摩擦振动，，使用声音传感器测量摩擦糙度测量仪测量表面轮廓。表面轮廓数据将用于第 5 章的动力学突变动和噪声数据将在第 6 章的磨合试验中使用与传感器配套的 Coco80 数集，并用于第 7 章的磨合质量评价。本章仅采集摩擦力和摩擦温度信力和摩擦温度信号在摩擦过程中的动力学演化规律。静态扭矩传感器的信号由数据采集卡采集并存储在计算机中，摩擦试验机和测量系统的3-3 所示。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH117.1

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