一种摩擦副磨损过程摩擦振动检测方法
【专利摘要】本发明涉及一种摩擦副磨损过程摩擦振动检测方法，属于摩擦学研究领域。一种摩擦副磨损过程摩擦振动检测方法，包括下述步骤：采集磨损表面的法向振动信号和切向振动信号；利用谐波小波包变换对采集的法向和切向振动信号进行分解，得到不同频段的法向和切向振动信号；对不同频段的法向和切向振动信号进行互相关分析，然后提取互相关系数最大频段的法向和切向振动信号；重构互相关系数最大频段的法向和切向振动信号，即可获得检测出的法向和切向摩擦振动信号。该方法应用谐波小波包变换对振动信号的频段进行精细分解，将噪声和微弱摩擦振动信号分解在不同频段上，实现二者的分离；通过法向和切向信号的互相关分析，自动检测出微弱的摩擦振动信号。
【专利说明】
一种摩擦副磨损过程摩擦振动检测方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种摩擦副磨损过程摩擦振动检测方法，属于摩擦学研究领域。
【背景技术】
[0002] 磨损是造成机械零件失效和材料损耗的主要原因。具统计，摩擦消耗掉全世界1/3 的一次性能源，约有80%的机械零部件都是因磨损而失效，50%以上的机械设备的恶性事 故起因于润滑失效和过度磨损。为保障机械设备的安全运行，必须准确评价摩擦副材料的 摩擦学性能，揭示材料的磨损机理，正确运用摩擦学知识进行合理维护与保养。2006年我国 消耗在摩擦、磨损和润滑方面的资金估计为9500亿元，如果正确运用摩擦学知识，通过节 能、降耗和减排，估计可以节省人民币3270亿元，占2006年我国国内生产总值（GDP)的 1.55 %。因此，材料摩擦学性能的研究无论是对机械的节能减耗、合理运行，还是对生产的 经济性、安全性和可靠性均具有重要的意义。
[0003] 材料摩擦学性能的评价通常借助摩擦磨损试验机测取摩擦副磨损过程中产生的 摩擦学特征信息来实现。目前，通过摩擦磨损试验机测取的摩擦学特征信息如摩擦系数、磨 损量、磨损表面形貌等均不能反映摩擦副磨损过程中的动态信息，难以满足高速条件下材 料摩擦学性能的研究。摩擦振动是摩擦副摩擦磨损过程中产生的一种物理现象，蕴涵着反 映摩擦副磨损状态变化的摩擦学信息和动力学信息，其信号可实时在线采集，而不影响摩 擦副的运行。因此，摩擦振动是材料摩擦学性能研究十分重要的特征信息。然而，摩擦振动 是低信噪比的微弱信号，具有时频变化的特点。在摩擦副实际运行中，摩擦振动信号往往被 强背景噪声所掩盖，带有强背景噪声的摩擦振动信号难以客观地反映摩擦副的磨损状态。 因此，如何识别和提取摩擦振动信号尤为关键。目前微弱信号的检测方法如频谱分析、小波 分析、独立分量分析等均难以实现摩擦振动信号的自动识别与提取。
【发明内容】
[0004] 针对上述问题，本发明提出一种摩擦副磨损过程中摩擦振动的检测方法，结合小 波的多分辨率和互相关分析自动地从背景噪声中检测出时频变化的微弱摩擦振动信号。该 方法可操作性强，实用性强。
[0005] -种摩擦副磨损过程摩擦振动检测方法，包括下述步骤：
[0006] ①采集磨损表面的法向振动信号和切向振动信号，其中，采样频率20~30KHZ，采 样间隔1~5Hz;
[0007] ②利用谐波小波包变换对采集的法向和切向振动信号进行6~8层分解，分解至64 ~256个频段，得到不同频段的法向和切向振动信号；
[0008] ③对不同频段的法向和切向振动信号进行互相关分析，选用下述公式计算互相关 系数;然后提取互相关系数最大频段的法向和切向振动信号：
[0010] 式中，n-信号米样点数;X-切向振动信号;y-法向振动信号；
[0011] ④重构互相关系数最大频段的法向和切向振动信号，即可获得检测出的法向和切 向摩擦振动信号。
[0012] 上述技术方案中，步骤①中，所述磨损表面的法向指与摩擦副表面垂直的方向；所 述磨损表面的切向指与摩擦副运行方向平行的方向。
[0013] 上述技术方案中，优选所述步骤①中，采样频率25.6KHZ，采样间隔1Hz。
[0014] 上述技术方案中，优选所述步骤②中，所述步骤②中，利用谐波小波包变换对采集 的法向和切向振动信号进行7层分解，分解至128个频段，得到不同频段的法向和切向振动 信号。
[0015] 上述技术方案中，优选所述步骤①中磨损表面的法向振动信号和切向振动信号按 如下方式采集：
[0016] 将三轴加速度传感器安装在摩擦副非磨损面上，并与磨损表面垂直;应用集成了 放大器和A/D转换的数据采集装置采集三轴加速度传感器的数据，获得磨损表面的法向振 动信号和切向振动信号。
[0017] 本发明的有益效果为:本发明所述方法应用谐波小波包变换对振动信号的频段进 行精细分解，将噪声和微弱摩擦振动信号分解在不同频段上，实现二者的分离;通过法向和 切向信号的互相关分析，自动检测出微弱的摩擦振动信号。该方法可操作性强，实用性强。
【附图说明】
[0018] 图1本发明所述摩擦副磨损过程摩擦振动检测方法的流程示意图；
[0019] 图2谐波小波包频域分解示意图，图中：B-分析频带带宽；fn-信号的最高分析频 率;s-频段数;j-谐波小波包分解层数；
[0020] 图3摩擦磨损试验机，附图标记如下：1加载装置;2力传感器;3三轴加速度传感器； 4电机;5a销试样;5b球试样;6盘试样;7信号米集系统;8CPU;
[0021 ]图4销-盘摩擦副:5a销试样;6盘试样；
[0022] 图5球-盘摩擦副:5b球试样;6盘试样；
[0023] 图6实施例1于步骤1采集的某一时刻的GCrl5_高熵合金摩擦副磨损过程中的振动 信号：（a)切向振动信号的时域波形；（b)切向振动信号的频谱；（c)法向振动信号的时域波 形；（d)法向振动信号的频谱；
[0024] 图7实施例lGCrl5_高熵合金摩擦副磨损过程中检测出的图6所述时刻的摩擦振动 信号：（a)切向摩擦振动信号的时域波形；（b)切向摩擦振动信号的频谱；（c)法向摩擦振动 信号的时域波形；（d)法向摩擦振动信号的频谱；
[0025] 图8实施例lGCrl 5-高熵合金摩擦副磨损过程中摩擦振动信号混沌吸引子，a~f分 别为摩擦开始、2min、4min、6min、8min、10min时摩擦副磨损过程中切向摩擦振动信号混纯 吸引子;j~1分别为摩擦开始、2min、4min、6min、8min、10min时摩擦副磨损过程中法向摩擦 振动信号混沌吸引子；
[0026] 图9实施例2GCrl5_铸铁摩擦副磨损过程中某一时刻的振动信号：（a)切向振动信 号的时域波形；（b)切向振动信号的频谱；（c)法向振动信号的时域波形；（d)法向振动信号 的频谱；
[0027]图10实施例2GCrl5_铸铁摩擦副磨损过程中检测出图9所述时刻的摩擦振动信号： (a)切向摩擦振动信号的时域波形；（b)切向摩擦振动信号的频谱；（c)法向摩擦振动信号的 时域波形；（d)法向摩擦振动信号的频谱；
[0028]图11实施例2GCrl5_铸铁摩擦副磨损过程中摩擦振动信号混沌吸引子，a~g分别 为摩擦开始、lOmin、20min、30min、40min、50min、60min时摩擦副磨损过程中摩擦切向振动 信号混纯吸引子;h~n分别为摩擦开始、lOmin、20min、30min、40min、50min、60min时摩擦副 磨损过程中摩擦法向振动信号混沌吸引子；
[0029] 图12实施例3缸套-活塞环摩擦副磨损过程中某一时刻的振动信号：（a)切向振动 信号的时域波形；（b)切向振动信号的频谱；（c)法向振动信号的时域波形；（d)法向振动信 号的频谱；
[0030] 图13实施例3缸套-活塞环摩擦副磨损过程中检测出图12所述时刻的摩擦振动信 号：（a)切向摩擦振动信号的时域波形；（b)切向摩擦振动信号的频谱；（c)法向摩擦振动信 号的时域波形；（d)法向摩擦振动信号的频谱；
[0031] 图14实施例3缸套-活塞环摩擦副磨损过程中摩擦振动信号混沌吸引子，a~e分别 为摩擦开始、1〇11^ 11、2〇111111、3〇111111、4〇111111时摩擦副磨损过程中摩擦切向振动信号混沌吸引 子;f~j分别为摩擦开始、l〇min、20min、30min、40min时摩擦副磨损过程中摩擦法向振动信 号混沌吸引子。
【具体实施方式】
[0032] 下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以 任何方式限制本发明。
[0033] 下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法;所述试剂和材料，如 无特殊说明，均可从商业途径获得。
[0034]下述实施例中摩擦副摩擦磨损试验在高速往复摩擦磨损试验机（下文简称试验 机)上进行。如图3所示，所述试验机通过加载装置1实现摩擦副销试样5a(或球试样5b)与盘 试样6之间加载;摩擦副销试样5a(或球试样5b)与盘试样6通过电机4实现高速往复运动;力 传感器2固定于加载装置1与摩擦副销试样5a(或球试样5b)的夹具间；三轴加速度传感器3 固定于摩擦副盘试样6的非磨损面(在下述实施例中，摩擦副盘试样6的非磨损面为其下表 面）；三轴加速度传感器3采集的振动信号通过DASP信号采集系统7实现数据的采集与存储。
[0035] 实施例lGCrl5_高熵合金摩擦副磨损过程中摩擦振动检测
[0036] 摩擦副摩擦磨损试验在高速往复摩擦磨损试验机上进行，试验机结构如图3所示。 采用球-盘摩擦副（即摩擦副试样为球试样5b，摩擦副试样为盘试样6，其他实施例也采用相 同的表达方式），如图5所不。球试样5b材料为GCrl 5，盘试样6材料为高熵合金，润滑方式为 有油润滑，摩擦副平均滑动线速度O.lm/s。三轴加速度传感器3为356A16型ICP传感器(PCB PIEZOTRONICS Company)，信号采集系统7为DASP信号采集系统（东方振动和噪声技术研究 所)。
[0037] 在具体实施中，一种摩擦副磨损过程中摩擦振动的检测方法按照下面步骤进行：
[0038] 步骤1将三轴加速度传感器3安装在摩擦副盘试样6的非磨损面上，并与磨损表面 垂直，本例安装在盘试样6的下端面，如图3所示；
[0039] 步骤2应用集成了放大器和A/D转换的数据采集装置采集三轴加速度传感器3测取 法向振动信号和切向振动信号，每间隔2min米集一次振动信号，米样频率25.6KHz，米样间 隔1Hz，并将采集的振动信号输入计算机储存；
[0040] 步骤3利用谐波小波包变换对采集的法向和切向振动信号进行7层分解，分解至 128个频段，每个频段带宽为100Hz，分析频率12.8Hz;
[0041 ]步骤4对不同频段的法向和切向信号进行互相关分析，选用公式
计算互相关系数，式中n-信号采样点数;x-切向振动信 号;y-法向振动信号;提取互相关系数最大频段的法向和切向信号；
[0042]步骤5重构互相关系数最大频段的法向和切向信号，即可获得检测出的法向和切 向摩擦振动信号。
[0043] 通过上述方法检测出的法向和切向摩擦振动信号能够准确反映摩擦副磨损过程 中的动态信息。利用混沌理论得到的摩擦副磨损过程中法向和切向摩擦振动信号的混沌吸 引子，如图7所示。图8为检测出的摩擦副磨损过程中法向和切向摩擦振动信号的混沌吸引 子，可以看出，摩擦振动信号的混沌吸引子呈现逐渐收缩并趋于稳定的变化，反映了摩擦副 从磨合磨损到稳定磨损的动态变化过程。
[0044] 实施例2 GCrl5-铸铁摩擦副磨损过程中摩擦振动检测
[0045] 摩擦副摩擦磨损试验在高速往复摩擦磨损试验机上进行，试验机结构如图3所示。 采用球-盘摩擦副，如图5所示。球试样5b材料为GCrl5,盘试样6材料为铸铁，润滑方式为有 油润滑，摩擦副平均滑动线速度0.08m/s。三轴加速度传感器3为356A16型ICP传感器，信号 采集系统7为DASP信号采集系统。
[0046] 在具体实施中，一种摩擦副磨损过程中摩擦振动的检测方法按照下面步骤进行：
[0047] 步骤1将三轴加速度传感器3安装在摩擦副盘试样6的非磨损面上，并与磨损表面 垂直，本例安装在盘试样的下端面，如图3所示；
[0048]步骤2应用集成了放大器和A/D转换的数据采集装置采集三轴加速度传感器3测取 法向振动信号和切向振动信号，每间隔lOmin米集一次振动信号，米样频率25.6KHz，米样间 隔1Hz，并将采集的振动信号输入计算机储存；
[0049] 步骤3利用谐波小波包变换对采集的法向和切向振动信号进行7层分解，分解至 128个频段，每个频段带宽为100Hz，分析频率12.8Hz;
[0050] 步骤4对不同频段的法向和切向信号进行互相关分析，选用公式
计算互相关系数，式中n-信号采样点数;x-切向振动信 号;y-法向振动信号;提取互相关系数最大频段的法向和切向信号；
[0051] 步骤5重构互相关系数最大频段的法向和切向信号，即可获得法向和切向摩擦振 动信号。
[0052] 通过上述方法检测出的法向和切向摩擦振动信号能够准确反映摩擦副磨损过程 中的动态信息。图11为检测出的摩擦副磨损过程中法向和切向摩擦振动信号的混沌吸引 子，可以看出，摩擦振动信号的混沌吸引子呈现逐渐趋于稳定的变化，反映了摩擦副从磨合 磨损到稳定磨损的动态变化过程。
[0053]实施例3缸套-活塞环摩擦副磨损过程中摩擦振动检测
[0054] 摩擦副摩擦磨损试验在高速往复摩擦磨损试验机上进行，试验机结构如图3所示。 采用销-盘摩擦副，如图4所示。销试样5a材料为船用柴油机活塞环，盘试样6材料为船用柴 油机缸套，润滑方式为有油润滑，摩擦副平均滑动线速度O.lm/s。三轴加速度传感器3为 356A16型ICP传感器，信号采集系统为DASP信号采集系统。
[0055] 在具体实施中，一种摩擦副磨损过程中摩擦振动的检测方法按照下面步骤进行：
[0056] 步骤1将三轴加速度传感器3安装在摩擦副盘试样6的非磨损面上，并与磨损表面 垂直，本例安装在盘试样的下端面，如图4所示；
[0057] 步骤2应用集成了放大器和A/D转换的数据采集装置采集三轴加速度传感器3测取 法向振动信号和切向振动信号，每间隔lOmin米集一次振动信号，米样频率25.6KHz，米样间 隔1Hz，并将采集的振动信号输入计算机储存；
[0058] 步骤3利用谐波小波包变换对采集的法向和切向振动信号进行7层分解，分解至 128个频段，每个频段带宽为100Hz，分析频率12.8Hz;
[0059] 步骤4对不同频段的法向和切向信号进行互相关分析，选用公式
:计算互相关系数，式中n-信号采样点数;x-切向振动信 号;y-法向振动信号。提取互相关系数最大频段的法向和切向信号；
[0060] 步骤5重构互相关系数最大频段的法向和切向信号，即可获得法向和切向摩擦振 动信号。
[0061] 通过上述方法检测出的法向和切向摩擦振动信号能够准确反映摩擦副磨损过程 中的动态信息。图13为检测出的摩擦副磨损过程中法向和切向摩擦振动信号的混沌吸引 子，可以看出，摩擦振动信号的混沌吸引子呈现逐渐趋于稳定的变化，反映了摩擦副从磨合 磨损到稳定磨损的动态变化过程。
【主权项】
1. 一种摩擦副磨损过程摩擦振动检测方法，包括下述步骤： ① 采集磨损表面的法向振动信号和切向振动信号，其中，采样频率20~30KHz，采样间 隔1~5Hz; ② 利用谐波小波包变换对采集的法向和切向振动信号进行6~8层分解，分解至64~ 256个频段，得到不同频段的法向和切向振动信号； ③ 对不同频段的法向和切向振动信号进行互相关分析，选用下述公式计算互相关系 数;然后提取互相关系数最大频段的法向和切向振动信号：式中，n-信号采样点数;x-切向振动信号;y-法向振动信号； ④ 重构互相关系数最大频段的法向和切向振动信号，即可获得检测出的法向和切向摩 擦振动信号。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述步骤①中，采样频率25.6KHz，采样间 隔 lHz〇3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述步骤②中，利用谐波小波包变换对采 集的法向和切向振动信号进行7层分解，分解至128个频段，得到不同频段的法向和切向振 动信号。4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述步骤①中磨损表面的法向振动信号和 切向振动信号按如下方式采集： 将三轴加速度传感器安装在摩擦副非磨损面上，并与磨损表面垂直;应用集成了放大 器和A/D转换的数据采集装置采集三轴加速度传感器的数据，获得磨损表面的法向振动信 号和切向振动信号。
【文档编号】G01N19/00GK106053275SQ201610346114
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】柳霆, 李国宾, 邢鹏飞
【申请人】大连海事大学