【摘要】：摩擦磨損行為表現(xiàn)出的系統(tǒng)依賴性和強(qiáng)烈的時(shí)變特征導(dǎo)致了摩擦磨損研究具有不同于其他研究的艱巨性和復(fù)雜性。同時(shí),影響磨合磨損特性的系統(tǒng)控制參量眾多,基于單一磨損機(jī)理建立的磨合磨損預(yù)測模型難以真實(shí)、客觀地揭示磨合過程的復(fù)雜動力學(xué)行為。因此,需要從系統(tǒng)科學(xué)角度出發(fā),將磨合磨損過程視為一個(gè)黑箱系統(tǒng),以磨合吸引子為依據(jù),在完成磨合磨損特性智能化表征的基礎(chǔ)上,探究系統(tǒng)狀態(tài)變量(磨合吸引子特征參數(shù))和磨合系統(tǒng)控制參量(載荷、速度等工況參數(shù)及表面形貌參數(shù))之間的系統(tǒng)依賴性,建立不依賴于磨損機(jī)理的磨合吸引子特征參數(shù)預(yù)測模型;提出磨合質(zhì)量的磨合吸引子評價(jià)方法,并結(jié)合磨合吸引子預(yù)測模型對磨合參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。研究成果可用于實(shí)現(xiàn)摩擦磨損狀態(tài)的定性識別及其動力學(xué)行為的定量表征,并有望為磨合參數(shù)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。本文的主要工作與成果如下:對R?ssler等理論混沌信號和實(shí)測摩擦系數(shù)信號序列進(jìn)行相空間重構(gòu),分析對比了現(xiàn)有的相空間重構(gòu)參數(shù)的計(jì)算方法,以確定最優(yōu)的參數(shù)選擇方法。結(jié)果表明,采用互信息法確定時(shí)間延遲和基于虛假最鄰近點(diǎn)法確定嵌入維數(shù)得到的相空間重構(gòu)參數(shù)具有較高的精度;進(jìn)一步的計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)兩組參數(shù)在較小的范圍內(nèi)波動時(shí),重構(gòu)得到的高維相空間的系統(tǒng)特性變化較小。因此,本文提出了一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的相空間重構(gòu)參數(shù)選取方法,即在采用滑動窗口方法計(jì)算磨合吸引子混沌特征量及其演化規(guī)律時(shí),首先采用互信息法和虛假最鄰近點(diǎn)法計(jì)算出各計(jì)算窗口內(nèi)時(shí)間序列的相空間重構(gòu)參數(shù),再選取出現(xiàn)頻數(shù)最多的參數(shù)進(jìn)行摩擦信號的相空間重構(gòu)。通過改變載荷和轉(zhuǎn)速開展了多組旋轉(zhuǎn)式滑動摩擦磨損試驗(yàn),對試驗(yàn)采集到的摩擦系數(shù)信號進(jìn)行降噪處理和相空間重構(gòu),在高維空間內(nèi)重現(xiàn)摩擦系統(tǒng)的動力學(xué)特性并得到磨合吸引子。分別采用相軌跡、遞歸特性分析和雷達(dá)圖示方法實(shí)現(xiàn)了磨合吸引子的定量表征及隨磨損過程的演化規(guī)律研究。結(jié)果表明:不同表征方法得到的磨合吸引子演化規(guī)律基本一致:在磨合磨損階段,相軌跡由較為發(fā)散的非平衡態(tài)逐漸收斂成具有穩(wěn)定形態(tài)和體積的吸引子,遞歸圖宏觀模式也由突變模式向穩(wěn)態(tài)模式轉(zhuǎn)變,雷達(dá)圖重心軌跡也逐漸收斂到較小的形態(tài)和體積;在穩(wěn)定磨損階段,磨合吸引子的相軌跡、遞歸圖宏觀模式和雷達(dá)圖重心軌跡均保持較為穩(wěn)定的體積和(或)形態(tài);在劇烈磨損階段,吸引子的相軌跡和雷達(dá)圖重心軌跡發(fā)散,磨合吸引子消失,遞歸圖也恢復(fù)突變模式。基于相軌跡、遞歸圖宏觀模式和雷達(dá)圖方法可以實(shí)現(xiàn)磨合吸引子的定性表征。進(jìn)一步研究并提出新的磨合吸引子表征參數(shù),并對比分析了多種表征方法之間的優(yōu)劣性。將定量遞歸分析引入磨合吸引子的定量表征,采用定量遞歸分析參數(shù)表征了磨合吸引子的遞歸特性及其隨磨損過程的演化規(guī)律。結(jié)果表明,各定量遞歸參數(shù)隨磨損過程呈現(xiàn)“減小-穩(wěn)定-增大”的“浴盆曲線”規(guī)律,各表征參數(shù)之間有較好的相關(guān)性和一致性。采用雷達(dá)圖重心軌跡矩參數(shù)刻畫了吸引子雷達(dá)圖重心軌跡的分布情況,結(jié)果表明各階矩參數(shù)隨磨損過程的演化規(guī)律基本一致,均可用于磨損狀態(tài)的表征研究。在現(xiàn)有表征參數(shù)的基礎(chǔ)上,提出了兩個(gè)新的磨合吸引子特征參數(shù),分別是基于遞歸度定義的磨合吸引子體積特征參數(shù)和基于灰色關(guān)聯(lián)分析方法定義的相點(diǎn)灰密度參數(shù)。體積特征參數(shù)定量刻畫了吸引子的有界性,而相點(diǎn)灰密度參數(shù)則表征了吸引子相軌跡的收斂或發(fā)散程度。上述兩個(gè)參數(shù)隨磨損過程均呈現(xiàn)“減小-穩(wěn)定-增大”的“浴盆曲線”規(guī)律,有效地反映了磨損過程中磨合吸引子“由遠(yuǎn)離平衡態(tài)的發(fā)散狀態(tài)-達(dá)到平衡態(tài)的收斂狀態(tài)-再到遠(yuǎn)離平衡態(tài)的發(fā)散狀態(tài)”的演化規(guī)律�；诙嘀胤中稳ペ厔莶▌臃治龇ㄑ芯苛四Σ料禂�(shù)信號非線性多重分形行為。結(jié)果表明,多重分形譜可用于磨損狀態(tài)的定性識別,多重分形譜寬度參數(shù)隨磨損過程呈現(xiàn)“減小-穩(wěn)定-增大”的變化規(guī)律;采用數(shù)據(jù)重排處理分析了摩擦系數(shù)信號產(chǎn)生多重分形特性的原因在于序列波動的長程相關(guān)性及厚尾分布,表明摩擦系統(tǒng)狀態(tài)不僅依賴于外部因素的影響,還會受到系統(tǒng)前一個(gè)狀態(tài)的影響。由于磨合吸引子混沌表征參數(shù)眾多,且各參數(shù)之間存在較為明顯的相關(guān)性和冗余性,在建立磨合吸引子特征參數(shù)預(yù)測模型之前,需要合理設(shè)定預(yù)測模型輸出狀態(tài)變量。結(jié)合分形與混沌理論,本文提出一種基于特征選擇方法的預(yù)測模型輸出變量確定方法,以摩擦信號多重分形譜寬為目標(biāo)特征,采用最大相關(guān)最小冗余特征選擇方法提取磨合吸引子預(yù)測模型輸出狀態(tài)變量,提取了包括豎直線段長度均值、確定度和體積特征參數(shù)等三組參數(shù)作為預(yù)測模型的輸出變量集。上述三組混沌特征參數(shù)是與摩擦信號多重分形特征參數(shù)最相關(guān)且與其他混沌參數(shù)冗余性最小的特征參數(shù)。該部分的內(nèi)容也為后續(xù)的磨合吸引子預(yù)測建模研究提供了變量基礎(chǔ)。對磨合磨損過程進(jìn)行自組織預(yù)測建模研究,建立磨合過程控制參量(接觸載荷、滑動速度、潤滑油粘度等工況參數(shù)及摩擦副表面形貌參數(shù)等)與磨合過程輸出變量(磨合吸引子混沌特征參數(shù))之間的相互關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了基于磨合參數(shù)的磨合吸引子特征參數(shù)預(yù)測建模研究。在分析各參數(shù)對磨合磨損特性的影響的基礎(chǔ)上,參照實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的實(shí)際條件選定了接觸載荷、滑動速度、潤滑油粘度和摩擦副初始表面粗糙度作為預(yù)測模型的控制參量;通過磨合過程正交試驗(yàn)方法得到訓(xùn)練數(shù)據(jù),并根據(jù)方差分析方法分析了各參數(shù)對磨合吸引子特征參數(shù)的影響程度;最后根據(jù)自組織數(shù)據(jù)挖掘方法建立了磨合吸引子特征參數(shù)的GMDH預(yù)測模型,實(shí)現(xiàn)了基于磨合參數(shù)的磨合吸引子特征參數(shù)預(yù)測建模研究。提出磨合質(zhì)量的磨合吸引子評價(jià)方法,并結(jié)合上述磨合吸引子特征參數(shù)預(yù)測模型,對磨合參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先根據(jù)遞歸圖中描述豎直/水平線段的三組特征參數(shù)(層狀度、最長豎直線段長度和豎直線段長度均值)建立了時(shí)間序列信號的定量遞歸矩陣,采用主成分分析法得到了評價(jià)對象,并通過建立時(shí)間序列與平穩(wěn)的高斯白噪聲信號序列評價(jià)對象的灰色關(guān)聯(lián)度,作為時(shí)間序列信號穩(wěn)定性的評價(jià)指標(biāo)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析該評價(jià)指標(biāo)與磨合吸引子特征參數(shù)的相互關(guān)系,建立了磨合質(zhì)量的磨合吸引子評價(jià)方法。結(jié)果表明:豎直線段長度均值越大、確定度越小和體積特征參數(shù)越小的磨合吸引子對應(yīng)的磨合質(zhì)量越好。將豎直線段長度均值大、確定度小和體積特征參數(shù)小作為磨合參數(shù)設(shè)計(jì)的優(yōu)化目標(biāo),使用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法得到Pareto非劣解集及對應(yīng)的磨合參數(shù)組合。結(jié)果表明:對于摩擦副表面,較軟材料的初始表面粗糙度應(yīng)當(dāng)加工到較小的幅值,而較軟材料的初始表面粗糙度取值范圍較寬;磨合質(zhì)量隨接觸載荷的增大而增大,隨滑動速度的增大而減小;對于潤滑油粘度,較大或較小的潤滑油粘度都會造成磨合質(zhì)量的下降。該論文包含圖79幅,表23個(gè),參考文獻(xiàn)202篇。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TH117.1
【圖文】：

圖 2-15 磨合吸引子相點(diǎn)灰密度參數(shù)變化規(guī)律gure 2-15 Evolution of grey phase density of running-in attrac合吸引子相軌跡及相點(diǎn)灰密度參數(shù)隨磨損過程的演軌跡處于較為“粗放”的狀態(tài)，相點(diǎn)之間存在較為合過程的進(jìn)行，相點(diǎn)的分布逐漸趨于集中，相軌跡逐存在部分波動，因此參數(shù) dG呈振蕩減小的趨勢；在穩(wěn)的變化，相點(diǎn)分布保持集中且密集的狀態(tài)，相軌的幅值；當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入劇烈磨損階段，摩擦信號產(chǎn)生逸出穩(wěn)定區(qū)域，相軌跡再次發(fā)散，吸引子消失，參 (Chapter Summary)是摩擦系統(tǒng)在磨合過程中自組織形成的宏觀上的時(shí)由摩擦信號時(shí)間序列重構(gòu)得到的混沌吸引子和磨合擦系統(tǒng)行為隨時(shí)間的必然產(chǎn)物，也是磨損狀態(tài)識別和細(xì)闡述了摩擦系統(tǒng)的復(fù)雜性及磨合吸引子的基本

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2730990