專利名稱：一種摩擦學系統(tǒng)穩(wěn)定性判定系統(tǒng)與方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種摩擦學系統(tǒng)穩(wěn)定性判定系統(tǒng)與方法。
背景技術：
摩擦學系統(tǒng)的磨損過程一般可分為磨合(跑合)階段，穩(wěn)定磨損階段和劇烈磨損階段。當摩擦學系統(tǒng)處于穩(wěn)定磨損階段時，系統(tǒng)內(nèi)各部件之間的磨損緩慢且穩(wěn)定，磨損率保持基本不變，通常認為處于此階段的摩擦學系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。現(xiàn)有判定摩擦學系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法主要有兩種一種方法是通過分析摩擦學系統(tǒng)組件的表面磨損狀態(tài)來分析判定摩擦系統(tǒng)的穩(wěn)定性，另一種方法是通過油液分析，即通過摩擦前后系統(tǒng)所用潤滑油中磨粒及金屬元素等的變化分析判定摩擦學系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所述的兩種方法，都存在一定的弊端。表面的分析測量必須中斷摩擦磨損過程 ，拆解摩擦副零件，甚至需要將其破壞制成試樣，致使摩擦磨損過程無法連續(xù)進行。油液分析目前尚無法實現(xiàn)實時在線監(jiān)測磨損過程，而且某些摩擦學系統(tǒng)在實驗過程中潤滑油用量極少或采用更接近固態(tài)的潤滑脂，提取符合實驗分析用量的潤滑油非常困難或無法提取。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對以上問題的提出，而研制的一種摩擦學系統(tǒng)穩(wěn)定性判定系統(tǒng)，具有摩擦磨損試驗機，為待測的摩擦學系統(tǒng)組件提供摩擦實驗環(huán)境,該摩擦磨損試驗機主要具有用于承載待測摩擦學系統(tǒng)的水平托盤和位于該水平托盤上方的夾具，實驗進行過程中，該夾具為待測的摩擦學系統(tǒng)提供水平旋轉(zhuǎn)的動力；加速度傳感器，固定于所述水平托盤的底部，采集摩擦學實驗進行過程中，摩擦學系統(tǒng)組件加速度變化的信號；信號采集設備，接收加速度傳感器采集的摩擦振動信號；降噪單元，利用諧波小波變換對采集的原始的加速度變化的信號進行降噪；中央處理單元，接收所述信號采集設備上傳的信號，并依據(jù)該信號繪制Nyquist曲線，根據(jù)該Nyquist曲線的特征判斷待測摩擦學系統(tǒng)組件的穩(wěn)定性；所述動力試驗裝置、加速度傳感器、信號采集設備、降噪單元和中央處理單元之間電連接。與中央處理單元相連接，將待測摩擦學系統(tǒng)組件穩(wěn)定性的判斷結果輸出的顯示單
J Li ο所述加速度傳感器的采樣頻率> 20000Hz。一種摩擦學系統(tǒng)穩(wěn)定性判定方法，具有如下步驟SI.將待測的摩擦學系統(tǒng)組件置于如權利要求I所述的一種摩擦學系統(tǒng)穩(wěn)定性判定系統(tǒng)中，啟動所述摩擦磨損試驗機，利用所述的加速度傳感器，采集不同時間點摩擦學系統(tǒng)組件運行時產(chǎn)生的摩擦振動信號；S2.對于采集到的不同時間點的摩擦振動信號，采用諧波小波包變換對采集到的摩擦振動信號進行降噪，得到降噪后的每個時間點的重構信號；S3.根據(jù)降噪后的重構信號，將重構信號的實部作為橫坐標，虛部作為縱坐標，繪制每一個時間點的Nyquist曲線圖,觀察所繪制的Nyquist曲線圖,若Nyquist曲線圖未包圍(_l，j0)點，則判定此時，摩擦學系統(tǒng)處于穩(wěn)定磨損階段；若Nyquist曲線圖包圍(_1，jO)點，則判定此時，摩擦學系統(tǒng)處于不穩(wěn)定磨損階段。所述步驟S2，利用諧波小波包變換對采集的摩擦振動信號進行9層分解，分解至100個頻段，每個頻段帶寬為512Hz，對第16頻段，該頻段頻率為4096 8192Hz，進行時域重構，完成對原始信號的降噪。由于采用了以上技術方案，本發(fā)明所提出的一種摩擦學系統(tǒng)穩(wěn)定性判定系統(tǒng)與方法，可以在摩擦過程中對摩擦學系統(tǒng)進行穩(wěn)定性檢測，不必拆解摩擦系統(tǒng)零件，更不必破壞式樣，避免了因測試而造成摩擦磨損過程無法繼續(xù)的情況發(fā)生。同時，適應范圍廣，可以適用在潤滑油提取困難的實驗條件。


為了更清楚的說明本發(fā)明的實施例的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖做一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I為本發(fā)明的判定系統(tǒng)的模塊2為本發(fā)明的判定方法的流程3為本發(fā)明摩擦磨損試驗機的結構簡4為本發(fā)明摩擦學系統(tǒng)運行時，摩擦系數(shù)μ隨磨合時間的變化5-圖17為本發(fā)明實驗過程中每個時間點的實驗數(shù)據(jù)圖，包括該時間點采集的摩擦振動原始信號圖、降噪后的重構信號圖和Nyquist曲線圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚完整的描述如圖I所示摩擦學系統(tǒng)穩(wěn)定性測試系統(tǒng)，包括相互之間電連接的摩擦磨損試驗機、加速度傳感器、信號采集設備，降噪單元、中央處理單元和顯示單元。本發(fā)明中所采用的摩擦磨損試驗機，為旋轉(zhuǎn)摩擦磨損試驗機，如圖3所述主要具有用于承載待測摩擦學系統(tǒng)的水平托盤2，水平托盤2的下方連接有豎直的支撐軸3，在實驗進行過程中，該支撐軸3可根據(jù)需要，為水平托盤2施加豎直方向的力。在水平托盤2的上方，設有用于夾持待測的摩擦學系統(tǒng)8的夾具4，夾具4通過傳動軸5與固定在其上方的異步電動機6相連接，在實驗過程中，所述支撐軸3提供豎直向上的壓力，水平托盤2和夾具4夾緊待測的摩擦學系統(tǒng)8，開啟異步電機6，異步電機6通過傳動軸5驅(qū)動夾具3做水平旋轉(zhuǎn)運動，為摩擦學系統(tǒng)提供旋轉(zhuǎn)的動力。進一步的，在水平托盤2固定在油缸I里面，可以使本摩擦磨損試驗機完成浸油潤滑、滴油潤滑和無油潤滑條件下的各種實驗。
在水平托盤2的底部安裝有加速度傳感器7，采集實驗進行過程中，產(chǎn)生的摩擦振動信號。由于摩擦振動信號通常都比較微弱，進一步的，加速度傳感器7的采樣頻率大于20000Hz。信號采集設備，收集加速度傳感器7采集到的摩擦振動信號，傳送至降噪單元，采用諧波小波包變換降噪后得到重構信號，傳送至中央處理單元，中央處理單元繪制重構信號的Nyquist曲線，通過觀察Nyquist曲線即可判定當前測試的摩擦學系統(tǒng)是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。關于諧波小波包變換去除原始摩擦振動信號噪聲的原理及詳細方法請詳見[李國賓，任宗英，王宏志，魏海軍.摩擦振動信號諧波小波包特征提取[J].摩擦學報，第31卷，第 5 期，2011. 9]。 在本發(fā)明的試驗中，利用諧波小波包變換對采集的摩擦振動信號進行9層分解，分解至100個頻段，每個序列的頻段帶寬為512Hz。對第16頻段，該頻段的頻率為4096 8192Hz進行時域重構，去除對原始振動信號噪聲。對于摩擦學系統(tǒng)可以通過對其激勵f(t)測其振動響應x(t)獲得它的動力學特性。傳遞函數(shù)是系統(tǒng)動態(tài)特性的準確描述，可反映系統(tǒng)輸出與輸入之間在復域中的關系，其定義為初始條件為零時系統(tǒng)輸出信號X(t)的拉普拉斯變換與輸入信號f(t)的拉氏變換之比,記作H(S)。//⑴=柴(I)
I' (..V)式中X(s)_輸出信號x(t)的拉氏變換；F(S)-輸入信號f (t)的拉氏變換。在振動信號處理中，頻域分析更為有效，為了描述磨合動力學系統(tǒng)特性，在充分考慮系統(tǒng)非線性影響下，將磨合動力學系統(tǒng)近似為線性定常系統(tǒng)，用系統(tǒng)頻響函數(shù)H(jco)來代替?zhèn)鬟f函數(shù)H(S)有
U1 . λ_ Χ{； ω)H{j ω)= .
( 2)即X(jco) = H(j ω ) F (j ω )式中Χ ·ω)-輸出信號x(t)的傅立葉變換；F (j ω )-輸入信號f⑴的傅立葉變換。H(j ω)稱為頻響函數(shù),或稱為傳遞函數(shù),有時也稱為導納。頻響函數(shù)是從頻域角度描述系統(tǒng)的動力學特性，并且與激勵方式無關。頻響函數(shù)是復函數(shù)，可以按幅值、位相角分解為H(j ω) = A(co)eJ0 (ω) (3)式中A ( ω )-幅頻特性θ (ω)-相頻特性也可按其實部、虛部寫為H(j ω ) = He( ω ) +H1 ( ω ) j (4)式中Ηκ(ω)-實頻特性(ω的實函數(shù))H1 ( ω )-虛頻特性(ω的虛函數(shù))若以水平軸、鉛直軸分別表示實頻特性、虛頻特性的值，給定一個ω值，決定一個矢量，當頻率ω變化時，矢端的跡線稱作Nyquist曲線圖(導納矢端跡線)。因此頻響函數(shù)可以用幅相特性、實虛特性、Nyquist曲線表示。在經(jīng)典控制理論中，判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法有多種，其中Nyquist穩(wěn)定判據(jù)是用頻率特性來判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法，即用開環(huán)Nyquist圖來判斷閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Nyquist穩(wěn)定判據(jù)實施步驟①應用分析法或頻率特性實驗法獲得開環(huán)頻率特性曲線，即通過X(j )獲得F(jo)H(jco)曲線(Nyquist 曲線)。②根據(jù)幅角原理,通過判斷Nyquist曲線對(_1，jO)點的包圍情況即可分析閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當Nyquist曲線包圍(_1，jO)點時，閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，否則處于穩(wěn)定狀態(tài)；當Nyquist曲線通過(_1，jO)點時，閉環(huán)系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。由于不需求取閉環(huán)系統(tǒng)的特征根，Nyquist穩(wěn)定判據(jù)使用方便而得到廣泛的應用。在本發(fā)明的實驗過程中，每5分鐘設定一個時間點，共設定13個時間點，檢測每個時間點的摩擦振動信號，進行降噪并繪制相應的Nyquist曲線圖,如圖5_圖17所示可以看出，磨合進行到5min和IOmin時,摩擦振動Nyquist曲線均未包圍(_1，jO)點，表明磨合系統(tǒng)處于穩(wěn)定磨損階段?？梢姡ズ锨癐Omin可認為是磨合開始階段，在這一階段，經(jīng)機械加工的摩擦副表面存在較硬的表面層，如氧化層和加工硬化層，摩擦副開始磨合時是較硬的表面層的摩擦磨損，磨損輕微，摩擦自激振動微弱，由其引起的系統(tǒng)震蕩不明顯，因此磨合系統(tǒng)尚處于穩(wěn)定狀態(tài)。磨合過程中(10 40min)隨著磨合過程的進行，當磨合進行到IOmin以后，摩擦副表面磨損劇烈，產(chǎn)生強烈的摩擦自激振動，引起磨合系統(tǒng)不穩(wěn)定的自激震蕩，如圖所示，磨合進行到15min、25min及 35min時，摩擦振動Nyquist曲線均包圍(_1，jO)點，表明磨合系統(tǒng)處于不穩(wěn)定磨損階段。同時,還可以看出，磨合進行到25min時，摩擦振動Nyquist曲線是通過(_1，jO)點，表明磨合系統(tǒng)出現(xiàn)了臨界穩(wěn)定狀態(tài)。當磨合系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)時，繼續(xù)進行磨合，系統(tǒng)可能出現(xiàn)兩種狀態(tài)，一是摩擦副達到磨合，系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)；二是摩擦副未達到磨合，系統(tǒng)重新回到不穩(wěn)定狀態(tài)。本文的試驗結果表明，磨合25min后，系統(tǒng)仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。磨合過程中系統(tǒng)臨界穩(wěn)定性出現(xiàn)的原因及對系統(tǒng)穩(wěn)定性變化的影響尚有待深入研究。摩擦學系統(tǒng)達到磨合階段(40min后)當磨合進行到40min后,摩擦振動Nyquist曲線如圖所示,可以看出，磨合40min后測得的摩擦振動Nyquist曲線均未包圍(_1，jO)點，表明磨合系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定的磨合系統(tǒng)預示由摩擦自激振動產(chǎn)生的系統(tǒng)震蕩消失，摩擦副表面進入穩(wěn)定低磨損率階段，已達到磨合。為了驗證本發(fā)明所述的摩擦學系統(tǒng)穩(wěn)定的結果，在實驗進行的過程中，同時利用摩擦磨損試壓機，采集摩擦學系數(shù)在實驗過程中的變化，如圖5-圖17所示摩擦振動Nyquist曲線和摩擦系數(shù)的分析結果均表明，摩擦副磨合過程是機加工表面經(jīng)過摩擦磨損達到動態(tài)應力平衡狀態(tài)和穩(wěn)定低磨損率之匹配表面的過程，這一過程中機加工表面經(jīng)歷了震蕩的不穩(wěn)定磨損到平穩(wěn)的穩(wěn)定磨損的過程。在震蕩的不穩(wěn)定磨損階段，摩擦系數(shù)大，產(chǎn)生強烈的摩擦自激振動，造成磨合系統(tǒng)震蕩激烈，表現(xiàn)出不穩(wěn)定現(xiàn)象；在平穩(wěn)的穩(wěn)定磨損階段，摩擦系數(shù)小，產(chǎn)生微弱的摩擦自激振動，磨合系統(tǒng)震蕩消失，表現(xiàn)出現(xiàn)穩(wěn)定現(xiàn)象。因此，應用Nyquist穩(wěn)定判據(jù),通過摩擦振動Nyquist曲線可對磨合系統(tǒng)穩(wěn)定性進行分析。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術方案及其發(fā)明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發(fā) 明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種摩擦學系統(tǒng)穩(wěn)定性判定系統(tǒng)，其特征在于具有 摩擦磨損試驗機，為待測的摩擦學系統(tǒng)組件提供摩擦實驗環(huán)境，該摩擦磨損試驗機主要具有用于承載待測摩擦學系統(tǒng)的水平托盤和位于該水平托盤上方的夾具，實驗進行過程中，該夾具為待測的摩擦學系統(tǒng)提供水平旋轉(zhuǎn)的動力； 加速度傳感器，固定于所述水平托盤的底部，采集摩擦學實驗進行過程中，摩擦學系統(tǒng)組件加速度變化的信號； 信號采集設備，接收加速度傳感器采集的摩擦振動信號； 降噪單元，利用諧波小波包變換對采集的原始的加速度變化的信號進行降噪，得到降噪后的重構信號； 中央處理單元，接收所述信號采集設備上傳的重構信號，將重構信號的實部作為橫坐標，虛部作為縱坐標，繪制每一個時間點的Nyquist曲線圖，觀察所繪制的Nyquist曲線圖，若Nyquist曲線圖未包圍(_1，jO)點，則判定此時，摩擦學系統(tǒng)處于穩(wěn)定磨損階段；若Nyquist曲線圖包圍(_1，jO)點，則判定此時，摩擦學系統(tǒng)處于不穩(wěn)定磨損階段； 所述動力試驗裝置、加速度傳感器、信號采集設備、降噪單元和中央處理單元之間電連接。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種摩擦學系統(tǒng)穩(wěn)定性評價裝置，其特征在于還具有與中央處理單元相連接，將待測摩擦學系統(tǒng)組件的Nyquist曲線和穩(wěn)定性的判斷結果輸出的顯示單元。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種摩擦學系統(tǒng)組件穩(wěn)定性評價裝置，其特征還在于所述加速度傳感器的采樣頻率> 20000Hz。
4.一種摩擦學系統(tǒng)穩(wěn)定性判定方法，其特征在于具有如下步驟 · 51.將待測的摩擦學系統(tǒng)組件置于如權利要求I所述的一種摩擦學系統(tǒng)穩(wěn)定性判定系統(tǒng)中，啟動所述摩擦磨損試驗機，利用如權利要求3所述的加速度傳感器，采集不同時間點摩擦學系統(tǒng)組件運行時產(chǎn)生的摩擦振動信號； · 52.對于采集到的不同時間點的摩擦振動信號，采用諧波小波包變換對采集到的摩擦振動信號進行降噪，得到降噪后的每個時間點的重構信號； · 53.根據(jù)降噪后的重構信號，將重構信號的實部作為橫坐標，虛部作為縱坐標，繪制每一個時間點的Nyquist曲線圖，觀察所繪制的Nyquist曲線圖，若Nyquist曲線圖未包圍(-1，jO)點，則判定此時，摩擦學系統(tǒng)處于穩(wěn)定磨損階段；若Nyquist曲線圖包圍(_1，jO)點，則判定此時，摩擦學系統(tǒng)處于不穩(wěn)定磨損階段。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種摩擦學系統(tǒng)穩(wěn)定性判定方法，其特征還在于所述步驟S2，利用諧波小波包變換對采集的摩擦振動信號進行9層分解，分解至100個頻段，每個頻段帶寬為512Hz，對第16頻段，該頻段頻率為4096 8192Hz，進行時域重構，完成對原始信號的降噪。
全文摘要
一種摩擦學系統(tǒng)穩(wěn)定性判定系統(tǒng)和方法，具有摩擦磨損試驗機，加速度傳感器，信號采集設備，降噪單元和中央處理單元，采集摩擦學系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的摩擦震動信號，降噪后依據(jù)該信號繪制Nyquist曲線，根據(jù)該Nyquist曲線的特征判斷待測摩擦學系統(tǒng)組件的穩(wěn)定性。由于采用了以上技術方案，本發(fā)明所提出的一種摩擦學系統(tǒng)穩(wěn)定性判定系統(tǒng)與方法，可以在摩擦過程中對摩擦學系統(tǒng)進行穩(wěn)定性檢測，不必拆解摩擦系統(tǒng)零件，更不必破壞式樣，避免了因測試而造成摩擦磨損過程無法繼續(xù)的情況發(fā)生。同時，適應范圍廣，可以適用在潤滑油提取困難的實驗條件。
文檔編號G01M99/00GK102914440SQ20121019125
公開日2013年2月6日 申請日期2012年6月11日 優(yōu)先權日2012年6月11日
發(fā)明者李國賓, 魏海軍, 王宏志, 孫樹德 申請人:大連海事大學