磨粒分形维数与摩擦状态相关性的研究

　　0　引言

　　机器运转过程中产生的磨粒含有大量的摩擦学信息,磨粒不同的尺寸、形状、数量和成分反映和代表了不同的磨损形式和机理,因此,提取磨粒中所包含的摩擦磨损信息对机器状态监测和故障诊断具有重要意义[1,2]。但一般情况下磨粒形态复杂,特征隐含性强,并且磨粒群体中单个磨粒的出现及分布具有很强的不确定性,这给磨粒监测及有效信息的提取带来一定的困难[3-5]。研究表明,摩擦过程中产生的磨粒其轮廓形貌具有统计自相似性,用分形维数可对磨粒进行定量化表征[6-11]。但磨粒分形维数同磨损状态之间是否存在关联性以及存在什么样的关联性还有待于进一步探索。本文通过试验考察了磨粒轮廓分形维数在磨合期内的变化规律,并对磨粒传统表征参数和分形维数之间哪一个更能客观有效地表征磨粒进行了对比分析。

　　1　试验

　　试验在图1所示的环-端面接触摩擦磨损试验机上进行。试验偶副是外径为30mm、内径为16mm的铜环(w(Cu)=58·8%,w(Zn)=41·12%)及同样尺寸的45钢环。铜环硬度为163HB,表面初始粗糙度Ra=1·1μm。钢环经调质处理,硬度为240HB,表面初始粗糙度Ra=0·4μm。试验过程中偶副间的滑动速度为0·124m/s(主轴转速为103r/min),接触压力为0·124MPa,采用20号润滑油浸油润滑。每隔30min用滴管在距离容器底部5mm处取油样2mL,总试验时间为240min。相同条件下重复试验3次,把同时段所取油样合并,按文献[12]所示方法制成谱片后,置于由双光铁谱显微镜、彩色摄像头、计算机和相应处理软件组成的分析测试系统中统计分析磨粒的分形维数、周长、面积、长轴长度、形状因子等参数。磨粒分形维数的计算方法参考文献[13]。用S250MK-III型扫描电镜观察典型磨粒,并以AN10000能谱仪分析磨粒成分。

　　2　结果与分析

　　2.1　磨粒轮廓分形维数的分布特征

　　AN10000能谱仪分析结果显示,磨粒主要成分是Cu和Zn,铁磨粒质量分数不足1%,这表明润滑油中所含磨粒主要是铜磨粒。

　　不同磨损阶段磨粒群体分形维数的相对频数如表1所示。

　　将表1中的数据绘成直方图可见,磨粒群体的分形维数大致呈正态分布,如图2所示。利用χ2拟合优度检验法对表1中的数据进行验证[14],结果表明,在显著性水平0·1下磨粒群体的分形维数均呈正态分布,因此不同试验阶段磨粒群体分形维数的分布函数可用下式表示:

2.2　磨粒表征参数的对比分析

　　图3示出了摩擦力及磨粒周长、面积、长轴长度、形状因子和分形维数等表征参数的均值在试验过程中的变化趋势。由图3可见,随着磨合过程的进行,摩擦力逐渐下降,这与经典摩擦学中摩擦力的变化规律相一致。但磨粒周长、面积、长轴长度、形状因子和分形维数等表征参数却呈现出不同的变化趋势。由于摩擦力与磨损状态密切相关,因此可以认为与摩擦力变化趋势相关性最大的磨粒表征参数与磨损状态的联系也最密切。