基于混沌與分形理論的缸套—活塞環(huán)磨損過程動力學(xué)行為研究.pdf

1、本文以實際缸套-活塞環(huán)摩擦副為研究對象,以實際采集得到的摩擦信號和表面形貌為載體,綜合運用混沌與分形理論對磨損過程中的摩擦信號與磨損表面形貌進行分析與表征計算,以此揭示缸套-活塞環(huán)磨損過程中存在的非線性行為規(guī)律并為缸套-活塞環(huán)的磨損狀態(tài)的識別和預(yù)測提供理論依據(jù)。研究結(jié)果對豐富摩擦學(xué)理論和對相關(guān)技術(shù)人員進行內(nèi)燃機的摩擦學(xué)設(shè)計具有參考意義。
　　在混沌特征量計算時,無標(biāo)度區(qū)間的選取極為重要。為此,本文首先提出研究無標(biāo)度區(qū)間識別的新方法

2、。通過對Lorenz等理論混沌吸引子信號及W-M分形函數(shù)產(chǎn)生的信號進行關(guān)聯(lián)維數(shù)計算來驗證所提出方法的有效性。計算結(jié)果均表明新方法能夠客觀準(zhǔn)確并自動快速地識別無標(biāo)度區(qū)間。這為混沌特征參數(shù)計算結(jié)果的準(zhǔn)確性提供了保證。
　　時間序列信號的采樣長度、采樣間隔和噪聲等因素對混沌特征量關(guān)聯(lián)維數(shù)的計算結(jié)果具有重要影響,本文分別對不同采樣長度和采樣間隔的理論混沌時間序列和實測時間序列,以及含有不同信噪比的混沌時間序列的關(guān)聯(lián)維數(shù)進行了計算。結(jié)果表明

3、關(guān)聯(lián)維數(shù)的計算值隨著采樣長度的增加而增加,但當(dāng)數(shù)據(jù)長度達到一定值后,維數(shù)值趨于穩(wěn)定;維數(shù)值隨著采樣間隔的增大而增大,僅在一定的間隔范圍內(nèi)保持相對穩(wěn)定;維數(shù)值隨著信噪比的減小而增大。對此,本文提出了合理確定采樣長度的維數(shù)飽和方法和通過建立延遲坐標(biāo)時間差與采樣間隔關(guān)系曲線來確定采樣間隔的方法,并采用小波分析技術(shù)來消除實際采集信號中的噪聲成分以提高信噪比。
　　在對實際系統(tǒng)中的信號運用混沌理論進行研究分析之前必須驗證信號是否具有混沌特性

4、。本文綜合運用功率譜法、主分量法、最大Lyapunov指數(shù)法、替代數(shù)據(jù)法及Kolmogorov熵法對缸套-活塞環(huán)系統(tǒng)的摩擦信號進行檢驗。結(jié)果表明摩擦信號具有顯著的混沌特性,如連續(xù)寬帶的功率譜、正的最大Lyapunov指數(shù)和Kolmogorov熵等,因此可以運用混沌理論對實際摩擦信號進行研究。
　　進行了多種工況條件下的缸套-活塞環(huán)摩擦磨損試驗并獲取摩擦信號時間序列,運用相空間重構(gòu)理論研究磨損過程的動力學(xué)行為。結(jié)果表明:缸套-活塞環(huán)

5、的摩擦磨損過程存在混沌行為的“磨合吸引子”,通過磨合吸引子的相軌跡演變可以定性地觀察摩擦系統(tǒng)的磨損狀態(tài)。對不同工況條件下磨合吸引子的關(guān)聯(lián)維數(shù)進行了計算,結(jié)果表明:速度對吸引子關(guān)聯(lián)維數(shù)值的影響最大,其次為載荷與溫度。隨著速度的增加,吸引子的關(guān)聯(lián)維數(shù)先在一定范圍內(nèi)變化不大隨后迅速增大;隨著載荷的增加,吸引子的關(guān)聯(lián)維數(shù)先是線性減小隨后迅速增大;隨著溫度的增加,關(guān)聯(lián)維數(shù)呈現(xiàn)出先緩慢減小后快速增加的趨勢。磨合吸引子關(guān)聯(lián)維數(shù)隨著載荷與速度的乘積先逐

6、漸減小后在一定的范圍內(nèi)保持相對穩(wěn)定,當(dāng)載荷與速度乘積達到一定值后,吸引子的關(guān)聯(lián)維數(shù)值急劇增大。該結(jié)論對磨合狀態(tài)識別和磨損過程預(yù)測具有應(yīng)用意義。
　　綜合運用混沌和分形理論對缸套-活塞環(huán)摩擦磨損過程中的摩擦信號進行研究來識別磨損狀態(tài)。結(jié)果表明混沌和分形特征參數(shù)均能有效地表征不同磨損階段摩擦信號的復(fù)雜性與不規(guī)則程度。因而可以用混沌與分形特征參數(shù)來定量識別磨損狀態(tài)。在磨合磨損、正常磨損和急劇磨損三個階段,關(guān)聯(lián)維數(shù)、Kolmogorov熵

7、、多重分形譜寬和譜值差呈“正浴盆曲線”的變化規(guī)律,而最大Lyapunov指數(shù)的變化規(guī)律呈“倒浴盆曲線”的變化規(guī)律。通過計算關(guān)聯(lián)維數(shù)與多重分形譜寬研究工況條件對磨損過程時間影響的結(jié)果表明,溫度對磨損過程時間的影響最大,其次分別為速度與載荷;磨合時間與磨損過程總時間均隨著速度、載荷及載荷與速度的乘積的增大而呈總體下降的趨勢,當(dāng)速度與載荷乘積在一定范圍內(nèi),磨合時間與總磨損時間變化不大。因此,應(yīng)恰當(dāng)?shù)剡x取缸套-活塞環(huán)工況參數(shù)的大小。
　　

8、研究了分形粗糙表面的生成與表征方法,并運用單重分形和多重分形參數(shù)分別對磨合過程不同時刻的缸套磨損表面形貌進行了表征計算。結(jié)果表明:隨著磨合過程的進行,缸套表面的分形維數(shù)逐漸增大,多重分形譜的譜寬參數(shù)逐漸減小,并且譜線的形狀逐漸由“倒鐘狀”過渡到向左的鉤狀。這表明在磨合過程中缸套表面形貌變得越來越均勻。并且運用多重分形譜能夠更加全面地表征表面形貌的變化規(guī)律。
　　此外,為了進一步研究缸套-活塞環(huán)磨損過程中表面間的接觸、傳熱等行為規(guī)律

9、,本文對表面接觸模型和接觸熱導(dǎo)模型進行了初步研究。采用三維W-M分形函數(shù)模擬粗糙表面,綜合考慮接觸微凸體的彈性、彈塑性和塑性三種變形形式,建立了一個表面接觸分形模型;在該模型的基礎(chǔ)上,進一步建立了預(yù)測接觸界面熱導(dǎo)的分形模型;最后還對單個微凸體的接觸模型進行了修正,使得基于分形理論和基于傳統(tǒng)理論建立的微凸體接觸模型相統(tǒng)一。計算結(jié)果表明了上述所建模型的有效性。這為進一步研究缸套-活塞環(huán)摩擦副表面間的接觸、磨損和熱學(xué)等行為奠定了理論基礎(chǔ)。