【摘要】：磨合吸引子是摩擦系統(tǒng)在磨合過(guò)程中自組織形成的時(shí)空有序的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。為了豐富磨合理論,實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦磨損過(guò)程的動(dòng)力學(xué)詮釋,并為機(jī)械系統(tǒng)磨合的主動(dòng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù),本文基于分形與混沌理論開(kāi)展了磨合吸引子隨時(shí)間的演化規(guī)律以及依賴(lài)于系統(tǒng)參數(shù)的形成規(guī)律研究。為了形象說(shuō)明磨合吸引子,將混沌理論中的相軌跡理論應(yīng)用到磨合吸引子的直觀描述中。為了定量描述磨合吸引子及其演化過(guò)程,在現(xiàn)有關(guān)聯(lián)維數(shù)表征參數(shù)的基礎(chǔ)上將混沌理論中的預(yù)測(cè)度和熵引入到了磨合吸引子的表征中去,同時(shí)創(chuàng)新性地提出了包含半徑和相點(diǎn)平均距離兩個(gè)新的表征參數(shù),極大地豐富了磨合吸引子的表征參數(shù)和研究方法。新提出的表征參數(shù)中,包含半徑表征磨合吸引子的空間范圍大小,相點(diǎn)平均距離表征磨合吸引子相軌跡的收斂或發(fā)散程度。分別進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)摩擦下和往復(fù)摩擦下的磨損過(guò)程試驗(yàn),使用相軌跡和混沌表征參數(shù)研究了由摩擦力(或摩擦系數(shù))和摩擦溫度的單變量時(shí)間序列信號(hào)重構(gòu)得到的磨合吸引子在磨損過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)演化規(guī)律。在往復(fù)摩擦中,由于摩擦力的方向周期性地改變,摩擦力信號(hào)的混沌特性被周期性遮蔽,無(wú)法進(jìn)行混沌分析,因此采用摩擦系數(shù)代替摩擦力進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn),無(wú)論是旋轉(zhuǎn)摩擦還是往復(fù)摩擦,摩擦力、摩擦系數(shù)和摩擦溫度信號(hào)的動(dòng)力學(xué)演化規(guī)律是相同的。在磨合過(guò)程中,相軌跡收斂而形成磨合吸引子;在穩(wěn)定磨損階段,磨合吸引子具有穩(wěn)定的軌跡形態(tài);在劇烈磨損階段,相軌跡發(fā)散,磨合吸引子逐漸消失。包含半徑、相點(diǎn)平均距離和預(yù)測(cè)度在磨合階段中隨磨損時(shí)間的增大而減小,在穩(wěn)定磨損階段維持在較小的數(shù)值,在劇烈磨損階段隨磨損時(shí)間的增大而增大。關(guān)聯(lián)維數(shù)和熵則具有相反的演化規(guī)律。同一摩擦系統(tǒng)中,摩擦信號(hào)的動(dòng)力學(xué)演化具有一致性,表現(xiàn)在摩擦信號(hào)的相軌跡和混沌表征參數(shù)的演化規(guī)律是相同的,相軌跡的收斂、穩(wěn)定、發(fā)散過(guò)程是同步的,動(dòng)力學(xué)參數(shù)的增大或減小也是同步變化的。使用相軌跡和混沌表征參數(shù)證明了磨合吸引子具有低耗散性、有界性、高密度性、分維性和內(nèi)隨機(jī)性。有界性是磨合吸引子的外在約束力。有界性決定了相軌跡的運(yùn)動(dòng)范圍,導(dǎo)致了低耗散性,將相點(diǎn)約束在狹小的范圍內(nèi)造成高密度性。內(nèi)隨機(jī)性是磨合吸引子結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的內(nèi)在動(dòng)力。內(nèi)隨機(jī)性使軌跡不規(guī)則運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致了分維性,使軌跡的空間填充能力增強(qiáng),從而又導(dǎo)致了高密度性。當(dāng)磨合吸引子的各種性質(zhì)發(fā)生變化時(shí),就意味著系統(tǒng)發(fā)生了動(dòng)力學(xué)突變。將動(dòng)力學(xué)突變識(shí)別方法分為三類(lèi),即基于界、基于密度和基于內(nèi)隨機(jī)性的突變識(shí)別方法,其中基于內(nèi)隨機(jī)的突變識(shí)別方法是靈敏度最高應(yīng)用最廣泛的方法,但是這種方法僅適用于相軌跡的空間位置和界的大小相近的兩個(gè)時(shí)間序列的比較,而且動(dòng)力學(xué)差異的顯著程度取決于尺度的大小。針對(duì)這些問(wèn)題,對(duì)基于內(nèi)隨機(jī)性的突變識(shí)別算法進(jìn)行了改進(jìn),增加了標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理和尺度獨(dú)立化處理,拓展了算法的適用范圍,使計(jì)算結(jié)果具有唯一性。使用改進(jìn)后的算法對(duì)摩擦信號(hào)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)突變識(shí)別,發(fā)現(xiàn)磨損過(guò)程中依次出現(xiàn)動(dòng)力學(xué)突變區(qū)、動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定區(qū)和動(dòng)力學(xué)突變區(qū),這三個(gè)區(qū)域分別對(duì)應(yīng)于磨合吸引子的形成、維持和消失三個(gè)階段。進(jìn)行了不同工況下銷(xiāo)-盤(pán)的磨合試驗(yàn),研究了磨合吸引子依賴(lài)于系統(tǒng)參數(shù)的形成規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn):磨合吸引子的關(guān)聯(lián)維數(shù)和熵隨銷(xiāo)的初始表面粗糙度的增大而減小,隨載荷和速度的增大而增大;包含半徑和相點(diǎn)平均距離隨銷(xiāo)的初始表面粗糙度,載荷和速度的增大而增大;預(yù)測(cè)度隨銷(xiāo)的初始表面粗糙度的增大而增大,隨載荷和速度的增大而減小。硬度較低的盤(pán)的初始表面粗糙度對(duì)磨合吸引子表征參數(shù)的影響較小。為了定量描述磨合吸引子的系統(tǒng)依賴(lài)性,基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用響應(yīng)表面法建立了磨合吸引子表征參數(shù)的預(yù)測(cè)模型。將磨合吸引子應(yīng)用到了磨合質(zhì)量評(píng)價(jià)和磨合設(shè)計(jì)中。對(duì)于磨合吸引子,較大的關(guān)聯(lián)維數(shù)總是伴隨著較大的熵和較小的預(yù)測(cè)度,包含半徑與相點(diǎn)平均距離變化趨勢(shì)相同,因此選取磨合吸引子的關(guān)聯(lián)維數(shù)和包含半徑兩個(gè)表征參數(shù)評(píng)價(jià)磨合質(zhì)量,進(jìn)而將磨合吸引子表征參數(shù)依賴(lài)于系統(tǒng)參數(shù)的變化規(guī)律用于指導(dǎo)磨合設(shè)計(jì)。理論分析和摩擦振動(dòng)、摩擦噪聲的試驗(yàn)結(jié)果表明,關(guān)聯(lián)維數(shù)越大,包含半徑越小,磨合吸引子越穩(wěn)定,磨合質(zhì)量越好。將關(guān)聯(lián)維數(shù)大、包含半徑小和磨合時(shí)間短作為磨合設(shè)計(jì)的三個(gè)目標(biāo),使用帶精英策略的非支配排序遺傳算法求解得到了Pareto最優(yōu)解集及對(duì)應(yīng)的最優(yōu)磨合參數(shù)集。對(duì)最優(yōu)磨合參數(shù)集分析可知,在磨合設(shè)計(jì)時(shí),硬度高的摩擦表面應(yīng)當(dāng)選擇較小的粗糙度,硬度低的摩擦表面無(wú)需加工至極小的粗糙度,粗糙度可選范圍較大。對(duì)于較軟的表面,盡管初始粗糙度可選范圍大,但是應(yīng)當(dāng)避免較大粗糙度和較大載荷或速度的參數(shù)組合,以保證高磨合質(zhì)量,避免低粗糙度和較小載荷或速度的參數(shù)組合,以保證高磨合速度。
【圖文】：

常用的測(cè)溫方法分為接觸式和非接觸式，接觸式測(cè)溫使用安裝在被測(cè)物體上的熱電偶或熱電阻來(lái)測(cè)溫，熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞到溫度傳感器。這種測(cè)量方法便于溫度信號(hào)的實(shí)時(shí)在線測(cè)量。非接觸式測(cè)溫使用紅外熱像儀或紅外點(diǎn)溫計(jì)來(lái)測(cè)量，熱量通過(guò)熱輻射傳遞到溫度傳感器。紅外熱像儀可以測(cè)量到溫度場(chǎng)，紅外點(diǎn)溫計(jì)用于測(cè)量某一點(diǎn)的溫度。非接觸式測(cè)溫由于不經(jīng)過(guò)熱傳導(dǎo)的過(guò)程響應(yīng)速度更快，但是紅外測(cè)溫只能測(cè)量暴露在外的表面，由于摩擦界面被摩擦副遮蔽，無(wú)法使用這種測(cè)量方法。盡管摩擦副接觸區(qū)域的邊緣處可以使用紅外測(cè)溫，但是與熱源距離遠(yuǎn)，溫差大，并且在磨損過(guò)程中表面粗糙度的變化、磨粒的產(chǎn)生和潤(rùn)滑油的影響都會(huì)使輻射率改變，這使得無(wú)法使用紅外設(shè)備在磨損過(guò)程中準(zhǔn)確測(cè)溫。因此，本文使用熱電偶測(cè)量摩擦溫度信號(hào)，將其安裝在下試樣距摩擦界面 1 mm 的孔中，為了減小接觸熱阻，使熱電偶能夠快速測(cè)出摩擦溫度變化，在安裝孔內(nèi)填充導(dǎo)熱系數(shù)為 2 Wm-1K-1的導(dǎo)熱硅脂。熱電偶選用針形 NiCr-NiSi 熱電偶，分度號(hào)為 K（IEC 標(biāo)準(zhǔn)），直徑為 1mm測(cè)溫范圍為 0~600oC，測(cè)量精度為 0.2%。這種熱電偶屬于小慣性熱電偶，響應(yīng)速度快，可用于測(cè)量瞬態(tài)溫度變化。

(a) 環(huán)試件的安裝 (b) 盤(pán)試件的安裝圖 3-2 環(huán)試件和盤(pán)試件的安裝方法Figure 3-2 Installation of ring and disc驗(yàn)機(jī)還可以使用加速度傳感器測(cè)量摩擦振動(dòng)，，使用聲音傳感器測(cè)量摩擦糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量表面輪廓。表面輪廓數(shù)據(jù)將用于第 5 章的動(dòng)力學(xué)突變動(dòng)和噪聲數(shù)據(jù)將在第 6 章的磨合試驗(yàn)中使用與傳感器配套的 Coco80 數(shù)集，并用于第 7 章的磨合質(zhì)量評(píng)價(jià)。本章僅采集摩擦力和摩擦溫度信力和摩擦溫度信號(hào)在摩擦過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)演化規(guī)律。靜態(tài)扭矩傳感器的信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡采集并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，摩擦試驗(yàn)機(jī)和測(cè)量系統(tǒng)的3-3 所示。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TH117.1

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本文編號(hào)：2526666