CN102914440B - 一种摩擦学系统稳定性判定系统与方法 - Google Patents

Abstract

一种摩擦学系统稳定性判定系统和方法，具有：摩擦磨损试验机，加速度传感器，信号采集设备，降噪单元和中央处理单元，采集摩擦学系统运行过程中产生的摩擦震动信号，降噪后依据该信号绘制Nyquist曲线，根据该Nyquist曲线的特征判断待测摩擦学系统组件的稳定性。由于采用了以上技术方案，本发明所提出的一种摩擦学系统稳定性判定系统与方法，可以在摩擦过程中对摩擦学系统进行稳定性检测，不必拆解摩擦系统零件，更不必破坏式样，避免了因测试而造成摩擦磨损过程无法继续的情况发生。同时，适应范围广，可以适用在润滑油提取困难的实验条件。

Description

一种摩擦学系统稳定性判定系统与方法

技术领域

本发明涉及一种摩擦学系统稳定性判定系统与方法。

背景技术

摩擦学系统的磨损过程一般可分为：磨合(跑合)阶段，稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段。当摩擦学系统处于稳定磨损阶段时，系统内各部件之间的磨损缓慢且稳定，磨损率保持基本不变，通常认为处于此阶段的摩擦学系统处于稳定状态。现有判定摩擦学系统稳定性的方法主要有两种：一种方法是通过分析摩擦学系统组件的表面磨损状态来分析判定摩擦系统的稳定性，另一种方法是通过油液分析，即通过摩擦前后系统所用润滑油中磨粒及金属元素等的变化分析判定摩擦学系统的稳定性。

所述的两种方法，都存在一定的弊端。表面的分析测量必须中断摩擦磨损过程，拆解摩擦副零件，甚至需要将其破坏制成试样，致使摩擦磨损过程无法连续进行。油液分析目前尚无法实现实时在线监测磨损过程，而且某些摩擦学系统在实验过程中润滑油用量极少或采用更接近固态的润滑脂，提取符合实验分析用量的润滑油非常困难或无法提取。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制的一种摩擦学系统稳定性判定系统，具有：

摩擦磨损试验机，为待测的摩擦学系统组件提供摩擦实验环境，该摩擦磨损试验机主要具有：用于承载待测摩擦学系统的水平托盘和位于该水平托盘上方的夹具，实验进行过程中，该夹具为待测的摩擦学系统提供水平旋转的动力；

加速度传感器，固定于所述水平托盘的底部，采集摩擦学实验进行过程中，摩擦学系统组件加速度变化的信号；

信号采集设备，接收加速度传感器采集的摩擦振动信号；

降噪单元，利用谐波小波变换对采集的原始的加速度变化的信号进行降噪；

中央处理单元，接收所述信号采集设备上传的信号，并依据该信号绘制Nyquist曲线，根据该Nyquist曲线的特征判断待测摩擦学系统组件的稳定性；

所述动力试验装置、加速度传感器、信号采集设备、降噪单元和中央处理单元之间电连接。

与中央处理单元相连接，将待测摩擦学系统组件稳定性的判断结果输出的显示单元。

所述加速度传感器的采样频率＞20000Hz。

一种摩擦学系统稳定性判定方法，具有如下步骤：

S1.将待测的摩擦学系统组件置于如权利要求1所述的一种摩擦学系统稳定性判定系统中，启动所述摩擦磨损试验机，利用所述的加速度传感器，采集不同时间点摩擦学系统组件运行时产生的摩擦振动信号；

S2.对于采集到的不同时间点的摩擦振动信号，采用谐波小波包变换对采集到的摩擦振动信号进行降噪，得到降噪后的每个时间点的重构信号；

S3.根据降噪后的重构信号，将重构信号的实部作为横坐标，虚部作为纵坐标，绘制每一个时间点的Nyquist曲线图，观察所绘制的Nyquist曲线图，若Nyquist曲线图未包围(-1，j0)点，则判定此时，摩擦学系统处于稳定磨损阶段；若Nyquist曲线图包围(-1，j0)点，则判定此时，摩擦学系统处于不稳定磨损阶段。

所述步骤S2，利用谐波小波包变换对采集的摩擦振动信号进行9层分解，分解至100个频段，每个频段带宽为512Hz，对第16频段，该频段频率为4096～8192Hz，进行时域重构，完成对原始信号的降噪。

由于采用了以上技术方案，本发明所提出的一种摩擦学系统稳定性判定系统与方法，可以在摩擦过程中对摩擦学系统进行稳定性检测，不必拆解摩擦系统零件，更不必破坏式样，避免了因测试而造成摩擦磨损过程无法继续的情况发生。同时，适应范围广，可以适用在润滑油提取困难的实验条件。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的判定系统的模块图

图2为本发明的判定方法的流程图

图3为本发明摩擦磨损试验机的结构简图

图4为本发明摩擦学系统运行时，摩擦系数μ随磨合时间的变化图

图5-图17为本发明实验过程中每个时间点的实验数据图，包括该时间点采集的摩擦振动原始信号图、降噪后的重构信号图和Nyquist曲线图。

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1所示：摩擦学系统稳定性测试系统，包括相互之间电连接的摩擦磨损试验机、加速度传感器、信号采集设备，降噪单元、中央处理单元和显示单元。

本发明中所采用的摩擦磨损试验机，为旋转摩擦磨损试验机，如图3所述主要具有：用于承载待测摩擦学系统的水平托盘2，水平托盘2的下方连接有竖直的支撑轴3，在实验进行过程中，该支撑轴3可根据需要，为水平托盘2施加竖直方向的力。在水平托盘2的上方，设有用于夹持待测的摩擦学系统8的夹具4，夹具4通过传动轴5与固定在其上方的异步电动机6相连接，在实验过程中，所述支撑轴3提供竖直向上的压力，水平托盘2和夹具4夹紧待测的摩擦学系统8，开启异步电机6，异步电机6通过传动轴5驱动夹具3做水平旋转运动，为摩擦学系统提供旋转的动力。

进一步的，在水平托盘2固定在油缸1里面，可以使本摩擦磨损试验机完成浸油润滑、滴油润滑和无油润滑条件下的各种实验。

在水平托盘2的底部安装有加速度传感器7，采集实验进行过程中，产生的摩擦振动信号。由于摩擦振动信号通常都比较微弱，进一步的，加速度传感器7的采样频率大于20000Hz。

信号采集设备，收集加速度传感器7采集到的摩擦振动信号，传送至降噪单元，采用谐波小波包变换降噪后得到重构信号，传送至中央处理单元，中央处理单元绘制重构信号的Nyquist曲线，通过观察Nyquist曲线即可判定当前测试的摩擦学系统是否处于稳定状态。

关于谐波小波包变换去除原始摩擦振动信号噪声的原理及详细方法请详见[李国宾，任宗英，王宏志，魏海军.摩擦振动信号谐波小波包特征提取[J].摩擦学报，第31卷，第5期，2011.9]。

在本发明的试验中，利用谐波小波包变换对采集的摩擦振动信号进行9层分解，分解至100个频段，每个序列的频段带宽为512Hz。对第16频段，该频段的频率为4096～8192Hz进行时域重构，去除对原始振动信号噪声。

对于摩擦学系统可以通过对其激励f(t)测其振动响应x(t)获得它的动力学特性。传递函数是系统动态特性的准确描述，可反映系统输出与输入之间在复域中的关系，其定义为：初始条件为零时系统输出信号x(t)的拉普拉斯变换与输入信号f(t)的拉氏变换之比，记作H(s)。

$H\left(s\right)=\frac{X\left(s\right)}{F\left(s\right)}---\left(1\right)$

式中：X(s)—输出信号x(t)的拉氏变换；

F(s)—输入信号f(t)的拉氏变换。在振动信号处理中，频域分析更为有效，为了描述磨合动力学系统特性，在充分考虑系统非线性影响下，将磨合动力学系统近似为线性定常系统，用系统频响函数H(jω)来代替传递函数H(s)有

$H\left(j\mathrm{\ω}\right)=\frac{X\left(j\mathrm{\ω}\right)}{F\left(j\mathrm{\ω}\right)}---\left(2\right)$

即X(jω)＝H(jω)F(jω)

式中：X(jω)—输出信号x(t)的傅立叶变换；

F(jω)—输入信号f(t)的傅立叶变换。

H(jω)称为频响函数，或称为传递函数，有时也称为导纳。频响函数是从频域角度描述系统的动力学特性，并且与激励方式无关。频响函数是复函数，可以按幅值、位相角分解为

H(jω)＝A(ω)e^jθ(ω) (3)

式中：A(ω)－幅频特性

θ(ω)－相频特性

也可按其实部、虚部写为

H(jω)＝H_R(ω)+H_I(ω)j (4)

式中：H_R(ω)－实频特性(ω的实函数)

H_I(ω)－虚频特性(ω的虚函数)

若以水平轴、铅直轴分别表示实频特性、虚频特性的值，给定一个ω值，决定一个矢量，当频率ω变化时，矢端的迹线称作Nyquist曲线图(导纳矢端迹线)。因此频响函数可以用幅相特性、实虚特性、Nyquist曲线表示。

在经典控制理论中，判断系统稳定性的方法有多种，其中Nyquist稳定判据是用频率特性来判断系统稳定性的方法，即用开环Nyquist图来判断闭环系统的稳定性。Nyquist稳定判据实施步骤：

①应用分析法或频率特性实验法获得开环频率特性曲线，即通过X(jω)获得F(jω)H(jω)曲线(Nyquist曲线)。

②根据幅角原理，通过判断Nyquist曲线对(-1,j0)点的包围情况即可分析闭环系统的稳定性。当Nyquist曲线包围(-1,j0)点时，闭环系统是不稳定的，否则处于稳定状态；当Nyquist曲线通过(-1,j0)点时，闭环系统处于临界稳定状态。由于不需求取闭环系统的特征根，Nyquist稳定判据使用方便而得到广泛的应用。

在本发明的实验过程中，每5分钟设定一个时间点，共设定13个时间点，检测每个时间点的摩擦振动信号，进行降噪并绘制相应的Nyquist曲线图，如图5-图17所示：

可以看出，磨合进行到5min和10min时，摩擦振动Nyquist曲线均未包围(-1,j0)点，表明磨合系统处于稳定磨损阶段。可见，磨合前10min可认为是磨合开始阶段，在这一阶段，经机械加工的摩擦副表面存在较硬的表面层，如氧化层和加工硬化层，摩擦副开始磨合时是较硬的表面层的摩擦磨损，磨损轻微，摩擦自激振动微弱，由其引起的系统震荡不明显，因此磨合系统尚处于稳定状态。

磨合过程中(10～40min)

随着磨合过程的进行，当磨合进行到10min以后，摩擦副表面磨损剧烈，产生强烈的摩擦自激振动，引起磨合系统不稳定的自激震荡，如图所示，磨合进行到15min、25min及35min时，摩擦振动Nyquist曲线均包围(-1,j0)点，表明磨合系统处于不稳定磨损阶段。同时，还可以看出，磨合进行到25min时，摩擦振动Nyquist曲线是通过(-1,j0)点，表明磨合系统出现了临界稳定状态。当磨合系统处于临界稳定状态时，继续进行磨合，系统可能出现两种状态，一是摩擦副达到磨合，系统进入稳定状态；二是摩擦副未达到磨合，系统重新回到不稳定状态。本文的试验结果表明，磨合25min后，系统仍处于不稳定状态。磨合过程中系统临界稳定性出现的原因及对系统稳定性变化的影响尚有待深入研究。

摩擦学系统达到磨合阶段(40min后)

当磨合进行到40min后，摩擦振动Nyquist曲线如图所示，可以看出，磨合40min后测得的摩擦振动Nyquist曲线均未包围(-1,j0)点，表明磨合系统处于稳定状态。稳定的磨合系统预示由摩擦自激振动产生的系统震荡消失，摩擦副表面进入稳定低磨损率阶段，已达到磨合。

为了验证本发明所述的摩擦学系统稳定的结果，在实验进行的过程中，同时利用摩擦磨损试压机，采集摩擦学系数在实验过程中的变化，如图5-图17所示：摩擦振动Nyquist曲线和摩擦系数的分析结果均表明，摩擦副磨合过程是机加工表面经过摩擦磨损达到动态应力平衡状态和稳定低磨损率之匹配表面的过程，这一过程中机加工表面经历了震荡的不稳定磨损到平稳的稳定磨损的过程。在震荡的不稳定磨损阶段，摩擦系数大，产生强烈的摩擦自激振动，造成磨合系统震荡激烈，表现出不稳定现象；在平稳的稳定磨损阶段，摩擦系数小，产生微弱的摩擦自激振动，磨合系统震荡消失，表现出现稳定现象。因此，应用Nyquist稳定判据，通过摩擦振动Nyquist曲线可对磨合系统稳定性进行分析。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种摩擦学系统稳定性判定系统，其特征在于具有：

摩擦磨损试验机，为待测的摩擦学系统组件提供摩擦实验环境，该摩擦磨损试验机主要具有：用于承载待测摩擦学系统的水平托盘和位于该水平托盘上方的夹具，实验进行过程中，该夹具为待测的摩擦学系统提供水平旋转的动力；

加速度传感器，固定于所述水平托盘的底部，采集摩擦学实验进行过程中，摩擦学系统组件加速度变化的信号；

信号采集设备，接收加速度传感器采集的摩擦振动信号；

降噪单元，利用谐波小波包变换对采集的原始的加速度变化的信号进行降噪，得到降噪后的重构信号；

中央处理单元，接收所述信号采集设备上传的重构信号，将重构信号的实部作为横坐标，虚部作为纵坐标，绘制每一个时间点的Nyquist曲线图，观察所绘制的Nyquist曲线图，若Nyquist曲线图未包围(-1，j0)点，则判定此时，摩擦学系统处于稳定磨损阶段；若Nyquist曲线图包围(-1，j0)点，则判定此时，摩擦学系统处于不稳定磨损阶段；

动力试验装置、加速度传感器、信号采集设备、降噪单元和中央处理单元之间电连接；

摩擦学系统通过对其激励f(t)测其振动响应x(t)获得它的动力学特性；传递函数是系统动态特性的准确描述，反映系统输出与输入之间在复域中的关系，其定义为：初始条件为零时系统输出信号x(t)的拉普拉斯变换与输入信号f(t)的拉氏变换之比，记作H(s)；每5分钟设定一个时间点，共设定13个时间点；

$H\left(s\right)=\frac{X\left(s\right)}{F\left(s\right)}---\left(1\right)$

式中：X(s)—输出信号x(t)的拉氏变换；

F(s)—输入信号f(t)的拉氏变换；在振动信号处理中，频域分析更为有效，为了描述磨合动力学系统特性，在充分考虑系统非线性影响下，将磨合动力学系统近似为线性定常系统，用系统频响函数H(jω)来代替传递函数H(s)有

$H\left(j\mathrm{\ω}\right)=\frac{X\left(j\mathrm{\ω}\right)}{F\left(j\mathrm{\ω}\right)}---\left(2\right)$

即X(jω)＝H(jω)F(jω)

式中：X(jω)—输出信号x(t)的傅立叶变换；

F(jω)—输入信号f(t)的傅立叶变换；

H(jω)称为频响函数，或称为传递函数，有时也称为导纳；频响函数是从频域角度描述系统的动力学特性，并且与激励方式无关；频响函数是复函数，按幅值、位相角分解为

H(jω)＝A(ω)e^jθ(ω) (3)

式中：A(ω)－幅频特性

θ(ω)－相频特性

按其实部、虚部写为

H(jω)＝H_R(ω)+H_I(ω)j (4)

式中：H_R(ω)－实频特性ω的实函数；

H_I(ω)－虚频特性ω的虚函数；

若以水平轴、铅直轴分别表示实频特性、虚频特性的值，给定一个ω值，决定一个矢量，当频率ω变化时，矢端的迹线称作Nyquist曲线图(导纳矢端迹线)，因此频响函数能够用幅相特性、实虚特性、Nyquist曲线表示；

每5分钟设定一个时间点，共设定13个时间点，磨合进行到5min和10min时，摩擦振动Nyquist曲线均未包围(-1,j0)点，表明磨合系统处于稳定磨损阶段；

当磨合进行到10min以后，摩擦副表面磨损剧烈，产生强烈的摩擦自激振动，引起磨合系统不稳定的自激震荡，磨合进行到15min、25min及35min时，摩擦振动Nyquist曲线均包围(-1,j0)点，表明磨合系统处于不稳定磨损阶段；

当磨合进行到40min后，摩擦振动Nyquist曲线均未包围(-1,j0)点，表明磨合系统处于稳定状态。

2.根据权利要求1所述的一种摩擦学系统稳定性判定系统，其特征在于还具有：与中央处理单元相连接，输出待测摩擦学系统组件的稳定性的判断结果的显示单元。

3.根据权利要求1所述的一种摩擦学系统稳定性判定系统，其特征还在于：所述加速度传感器的采样频率＞20000Hz。

4.一种应用如权利要求3所述的摩擦学系统稳定性判定系统的摩擦学系统稳定性判定方法，其特征在于具有如下步骤：

S1.将待测的摩擦学系统组件置于所述的一种摩擦学系统稳定性判定系统中，启动所述摩擦磨损试验机，利用所述的加速度传感器，采集不同时间点摩擦学系统组件运行时产生的摩擦振动信号；

S2.对于采集到的不同时间点的摩擦振动信号，采用谐波小波包变换对采集到的摩擦振动信号进行降噪，得到降噪后的每个时间点的重构信号；

S3.根据降噪后的重构信号，将重构信号的实部作为横坐标，虚部作为纵坐标，绘制每一个时间点的Nyquist曲线图，观察所绘制的Nyquist曲线图，若Nyquist曲线图未包围(-1，j0)点，则判定此时，摩擦学系统处于稳定磨损阶段；若Nyquist曲线图包围(-1，j0)点，则判定此时，摩擦学系统处于不稳定磨损阶段。

5.根据权利要求4所述的一种摩擦学系统稳定性判定方法，其特征还在于：所述步骤S2，利用谐波小波包变换对采集的摩擦振动信号进行9层分解，分解至100个频段，每个频段带宽为512Hz，对第16频段，该频段频率为4096～8192Hz，进行时域重构，完成对原始信号的降噪。