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(shí)際缸套-活塞環(huán)摩擦副為研究對象,以實(shí)際采集得到的摩擦信號和表面形貌為載體,綜合運(yùn)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(jìn)行分析與表征計(jì)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(jìn)行內(nèi)燃機(jī)的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)具有參考意義。
　　在混沌特征量計(jì)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(jìn)行關(guān)聯(lián)維數(shù)計(jì)算來驗(yàn)證所提出方法的有效性。計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)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(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明

3、關(guān)聯(lián)維數(shù)的計(jì)算值隨著采樣長度的增加而增加,但當(dāng)數(shù)據(jù)長度達(dá)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(shí)際采集信號中的噪聲成分以提高信噪比。
　　在對實(shí)際系統(tǒng)中的信號運(yùn)用混沌理論進(jìn)行研究分析之前必須驗(yàn)證信號是否具有混沌特性

4、。本文綜合運(yùn)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(jìn)行檢驗(yàn)。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(yùn)用混沌理論對實(shí)際摩擦信號進(jìn)行研究。
　　進(jìn)行了多種工況條件下的缸套-活塞環(huán)摩擦磨損試驗(yàn)并獲取摩擦信號時間序列,運(yùn)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(jìn)行了計(jì)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(dá)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(yùn)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(jìn)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(jì)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(yùn)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(jìn)行了表征計(jì)算。結(jié)果表明:隨著磨合過程的進(jìn)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(yùn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jì)算結(jié)果表明了上述所建模型的有效性。這為進(jìn)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)。