【摘要】:摩擦磨损行为表现出的系统依赖性和强烈的时变特征导致了摩擦磨损研究具有不同于其他研究的艰巨性和复杂性。同时,影响磨合磨损特性的系统控制参量众多,基于单一磨损机理建立的磨合磨损预测模型难以真实、客观地揭示磨合过程的复杂动力学行为。因此,需要从系统科学角度出发,将磨合磨损过程视为一个黑箱系统,以磨合吸引子为依据,在完成磨合磨损特性智能化表征的基础上,探究系统状态变量(磨合吸引子特征参数)和磨合系统控制参量(载荷、速度等工况参数及表面形貌参数)之间的系统依赖性,建立不依赖于磨损机理的磨合吸引子特征参数预测模型;提出磨合质量的磨合吸引子评价方法,并结合磨合吸引子预测模型对磨合参数进行优化设计研究。研究成果可用于实现摩擦磨损状态的定性识别及其动力学行为的定量表征,并有望为磨合参数设计提供理论指导。本文的主要工作与成果如下:对R?ssler等理论混沌信号和实测摩擦系数信号序列进行相空间重构,分析对比了现有的相空间重构参数的计算方法,以确定最优的参数选择方法。结果表明,采用互信息法确定时间延迟和基于虚假最邻近点法确定嵌入维数得到的相空间重构参数具有较高的精度;进一步的计算结果表明,当两组参数在较小的范围内波动时,重构得到的高维相空间的系统特性变化较小。因此,本文提出了一种基于统计学方法的相空间重构参数选取方法,即在采用滑动窗口方法计算磨合吸引子混沌特征量及其演化规律时,首先采用互信息法和虚假最邻近点法计算出各计算窗口内时间序列的相空间重构参数,再选取出现频数最多的参数进行摩擦信号的相空间重构。通过改变载荷和转速开展了多组旋转式滑动摩擦磨损试验,对试验采集到的摩擦系数信号进行降噪处理和相空间重构,在高维空间内重现摩擦系统的动力学特性并得到磨合吸引子。分别采用相轨迹、递归特性分析和雷达图示方法实现了磨合吸引子的定量表征及随磨损过程的演化规律研究。结果表明:不同表征方法得到的磨合吸引子演化规律基本一致:在磨合磨损阶段,相轨迹由较为发散的非平衡态逐渐收敛成具有稳定形态和体积的吸引子,递归图宏观模式也由突变模式向稳态模式转变,雷达图重心轨迹也逐渐收敛到较小的形态和体积;在稳定磨损阶段,磨合吸引子的相轨迹、递归图宏观模式和雷达图重心轨迹均保持较为稳定的体积和(或)形态;在剧烈磨损阶段,吸引子的相轨迹和雷达图重心轨迹发散,磨合吸引子消失,递归图也恢复突变模式。基于相轨迹、递归图宏观模式和雷达图方法可以实现磨合吸引子的定性表征。进一步研究并提出新的磨合吸引子表征参数,并对比分析了多种表征方法之间的优劣性。将定量递归分析引入磨合吸引子的定量表征,采用定量递归分析参数表征了磨合吸引子的递归特性及其随磨损过程的演化规律。结果表明,各定量递归参数随磨损过程呈现“减小-稳定-增大”的“浴盆曲线”规律,各表征参数之间有较好的相关性和一致性。采用雷达图重心轨迹矩参数刻画了吸引子雷达图重心轨迹的分布情况,结果表明各阶矩参数随磨损过程的演化规律基本一致,均可用于磨损状态的表征研究。在现有表征参数的基础上,提出了两个新的磨合吸引子特征参数,分别是基于递归度定义的磨合吸引子体积特征参数和基于灰色关联分析方法定义的相点灰密度参数。体积特征参数定量刻画了吸引子的有界性,而相点灰密度参数则表征了吸引子相轨迹的收敛或发散程度。上述两个参数随磨损过程均呈现“减小-稳定-增大”的“浴盆曲线”规律,有效地反映了磨损过程中磨合吸引子“由远离平衡态的发散状态-达到平衡态的收敛状态-再到远离平衡态的发散状态”的演化规律。基于多重分形去趋势波动分析法研究了摩擦系数信号非线性多重分形行为。结果表明,多重分形谱可用于磨损状态的定性识别,多重分形谱宽度参数随磨损过程呈现“减小-稳定-增大”的变化规律;采用数据重排处理分析了摩擦系数信号产生多重分形特性的原因在于序列波动的长程相关性及厚尾分布,表明摩擦系统状态不仅依赖于外部因素的影响,还会受到系统前一个状态的影响。由于磨合吸引子混沌表征参数众多,且各参数之间存在较为明显的相关性和冗余性,在建立磨合吸引子特征参数预测模型之前,需要合理设定预测模型输出状态变量。结合分形与混沌理论,本文提出一种基于特征选择方法的预测模型输出变量确定方法,以摩擦信号多重分形谱宽为目标特征,采用最大相关最小冗余特征选择方法提取磨合吸引子预测模型输出状态变量,提取了包括竖直线段长度均值、确定度和体积特征参数等三组参数作为预测模型的输出变量集。上述三组混沌特征参数是与摩擦信号多重分形特征参数最相关且与其他混沌参数冗余性最小的特征参数。该部分的内容也为后续的磨合吸引子预测建模研究提供了变量基础。对磨合磨损过程进行自组织预测建模研究,建立磨合过程控制参量(接触载荷、滑动速度、润滑油粘度等工况参数及摩擦副表面形貌参数等)与磨合过程输出变量(磨合吸引子混沌特征参数)之间的相互关系,实现了基于磨合参数的磨合吸引子特征参数预测建模研究。在分析各参数对磨合磨损特性的影响的基础上,参照实验室试验的实际条件选定了接触载荷、滑动速度、润滑油粘度和摩擦副初始表面粗糙度作为预测模型的控制参量;通过磨合过程正交试验方法得到训练数据,并根据方差分析方法分析了各参数对磨合吸引子特征参数的影响程度;最后根据自组织数据挖掘方法建立了磨合吸引子特征参数的GMDH预测模型,实现了基于磨合参数的磨合吸引子特征参数预测建模研究。提出磨合质量的磨合吸引子评价方法,并结合上述磨合吸引子特征参数预测模型,对磨合参数进行了优化设计。首先根据递归图中描述竖直/水平线段的三组特征参数(层状度、最长竖直线段长度和竖直线段长度均值)建立了时间序列信号的定量递归矩阵,采用主成分分析法得到了评价对象,并通过建立时间序列与平稳的高斯白噪声信号序列评价对象的灰色关联度,作为时间序列信号稳定性的评价指标。根据试验结果分析该评价指标与磨合吸引子特征参数的相互关系,建立了磨合质量的磨合吸引子评价方法。结果表明:竖直线段长度均值越大、确定度越小和体积特征参数越小的磨合吸引子对应的磨合质量越好。将竖直线段长度均值大、确定度小和体积特征参数小作为磨合参数设计的优化目标,使用多目标粒子群优化算法得到Pareto非劣解集及对应的磨合参数组合。结果表明:对于摩擦副表面,较软材料的初始表面粗糙度应当加工到较小的幅值,而较软材料的初始表面粗糙度取值范围较宽;磨合质量随接触载荷的增大而增大,随滑动速度的增大而减小;对于润滑油粘度,较大或较小的润滑油粘度都会造成磨合质量的下降。该论文包含图79幅,表23个,参考文献202篇。
【学位授予单位】:中国矿业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TH117.1
【图文】: 图 2-15 磨合吸引子相点灰密度参数变化规律gure 2-15 Evolution of grey phase density of running-in attrac合吸引子相轨迹及相点灰密度参数随磨损过程的演轨迹处于较为“粗放”的状态,相点之间存在较为合过程的进行,相点的分布逐渐趋于集中,相轨迹逐存在部分波动,因此参数 dG呈振荡减小的趋势;在稳的变化,相点分布保持集中且密集的状态,相轨的幅值;当系统进入剧烈磨损阶段,摩擦信号产生逸出稳定区域,相轨迹再次发散,吸引子消失,参 (Chapter Summary)是摩擦系统在磨合过程中自组织形成的宏观上的时由摩擦信号时间序列重构得到的混沌吸引子和磨合擦系统行为随时间的必然产物,也是磨损状态识别和细阐述了摩擦系统的复杂性及磨合吸引子的基本
【参考文献】
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本文编号:
2730990
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