第 7 卷第 5 期中国表面工程 Vol.7 No.5 04 年 0 月 CHINASURFACEENGINEERING October 04 doi:0.3969/j.issn.007 989.04.05.007 缸套磨损表面波纹度和粗糙度形貌特征变化规律 朱亚琼, 沈岩, 金梅, 徐久军 大连海事大学船机修造工程交通行业重点实验室, 辽宁大连 606) 摘要 : 以硼磷合金铸铁缸套与氮化铬活塞环为研究对象, 通过设计贫油试验, 获得了缸套从磨合磨损到正常磨损直至异常磨损的三维表面形貌 基于多分辨率二维离散小波获得三维表面形貌的各层高频系数, 以二维功率谱密度进行高频系数分类, 重构出磨损表面的形状误差 波纹度和粗糙度形貌 采用算术平均偏差 坡度参数 峰顶曲率参数, 量化描述波纹度和粗糙度形貌几何特征的变化规律 结果表明 : 多分辨率二维离散小波可以提取不同磨损阶段的波纹度和粗糙度形貌 ; 随着磨损的进行, 波纹度和粗糙度形貌的算术平均偏差 坡度参数 峰顶曲率参数均增大 ; 当出现异常磨损时, 波纹度形貌的算术平均偏差变化幅度大于粗糙度形貌, 粗糙度形貌的坡度变化幅度大于波纹度形貌, 波纹度和粗糙度形貌的峰顶曲率参数变化幅度相近 关键词 : 二维离散小波 ; 波纹度 ; 粗糙度中图分类号 : TH7. 文献标志码 : A 文章编号 : 007 989 04)05 0059 06 犕犲狋狉狅狅犵犻犮犪犆犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狊狅犳犆狔犻狀犱犲狉犔犻狀犲狉犠犲犪狉犛狌狉犳犪犮犲犠犪狏犻狀犲狊犪狀犱犚狅狌犵犺狀犲狊 ZHU Ya qiong,shen Yan,JIN Mei,XUJiu jun KeyLabofShip MachineryMaintenance& Manufacture,DalianMaritimeUniversity,Dalian606,Lia oning) 犃犫狊狋狉犪犮狋 : Thestarvationexperimentofboronphosphorusaloycastironcylinderandchromiumnitridepis tonringwasdesigned.thecylinderlinersamplesincludingrunning innormalwearandabnormalwearwere obtainedinthestarvationexperiment.layersofhigh frequencycoeficientsforthree dimensionalsurfaceto pographywereobtainedbytwo dimensionaldiscretewaveletandclassifiedbytwo dimensionalpowerspectral density.thencylindershapeerror,wavinessandroughnesswerereconstructed.thegeometriccharacteristics ofwavinessandroughnesswereanalyzedbythearithmeticmeandeviation,theslopeparameter,andthepeak curvatureparameter.theresultsshowthatthewavinessandroughnessofdiferentwearstatecanbeextrac tedbymultiresolutiontwo dimensionaldiscretewavelet.asthewearprogresses,thearithmeticmeandevia tion,slopeparameter,andpeakcurvatureparameterofwavinessincrease.whenabnormalwearoccurs,the changemagnitudeofthearithmeticmeandeviationforwavinessisgreaterthanroughness.thechangemagni tudeoftheslopeparameterforroughnessisgreaterthanthatofwaviness.thechangemagnitudeofpeakcur vatureparametersforwavinessissimilartothatofroughnessduringtheperiod. 犓犲狔狑狅狉犱狊 : two dimensionaldiscretewavelet ;waviness;roughness 0 引言 在缸套与活塞环往复运动过程中, 摩擦表面微凸体之间以及微凸体与润滑油之间会产生相 互作用, 相应的摩擦磨损规律会反映在摩擦副的表面形貌上, 其中表面形貌的波纹度和粗糙度与摩擦副的局部承载能力和摩擦副界面的摩擦学 收稿日期 :04 07 3; 修回日期 :04 09 0; 基金项目 : 国家重点基础研究发展计划 973) 计划 编号略 ); 中央高校基本科研业务费专项资金 330433) 作者简介 : 朱亚琼 988-), 女 汉 ), 河北张家口人, 硕士生 ; 研究方向 : 船机摩擦学 网络出版日期 :04 09 08 7; 网络出版地址 :htp://www.cnki.net/kcms/detail/.3905.tg.04094.099.00.html 引文格式 : 朱亚琼, 沈岩, 金梅, 等. 缸套磨损表面波纹度和粗糙度形貌特征变化规律 [J]. 中国表面工程,04,75):59 64.
60 中国表面工程 04 年 特性直接相关 近年来, 王伟伟等采用了纹理谱 [] 方法描述工件表面纹理特征, 李小兵等基于多尺度理论对不同分形维数的 WM 函数三维表面 [] 进行了表征, 胡凤英研究了描述波纹度的主要 [3] 参数及波纹度的检测 张志航等基于小波变换的能量守恒特性得到粗糙度评定基准表面, 从 [4] 而分离出粗糙度形貌 Grzesik 等采用连续小波变换对不同材料的一维粗糙度轮廓进行了提 [5] 取,Pawel 等比较了 3 种滤波器提取一维表面 [6] 轮廓粗糙度和波纹度的差别 而对于磨损过程中三维表面形貌的特征提取和量化研究较少 文中利用多分辨率二维离散小波的多尺度分析特性, 对不同磨损状态下缸套的三维表面形貌进行特征提取, 采用统计学参数量化描述波纹度和粗糙度形貌的几何特征在磨损过程中的变化规律, 为摩擦副表面形貌设计及抗黏着磨损性能的 即拉缸 ) 提升提供指导 材料与方法. 试验材料所用材料为带有珩磨纹的硼磷合金铸铁缸套, 其布氏硬度为 9 HB, 珠光体的维氏硬度为 68HV0.0, 表面粗糙度为 0.7μm 物理气相沉积法制备的氮化铬活塞环, 氮化铬沉积层的厚度约为 30μm, 其维氏硬度为 704HV.0 润滑油牌号为 RP 465D, 粘度等级相当于国际标准 SAE5W 40 采用电火花线切割机直接从缸套和活塞环零件切割得到试样, 即将内径为 0mm 长度为 43 mm 壁厚为 0 mm 的缸套, 沿圆周方向分 40 等份, 沿长度方向切割 43 mm 得到缸套试样, 将内径为 70mm 外径为 0mm 厚度为 3mm 的活塞环沿圆周方向分 0 等份得到活塞环试样. 试验方法 在对置往复式摩擦磨损试验机上进行硼磷 合金铸铁缸套氮化铬活塞环配对副试样的摩擦试验, 试验机往复运动行程为 30mm 采用贫油 [7] 试验方法模拟缸套活塞环试样的摩擦状态转化过程, 试验条件如表 所示, 每组试验重复 3~ 5 次 每组试验分为 3 个阶段, 在磨合期连续充分供油, 流量保持在每分钟 3 滴 约 ml), 高载磨合阶段结束时停止供油, 其余试验参数保持不变直至试样拉缸, 试验结束 表 贫油试验各阶段试验参数 Table Parametersofthestarvationexperiment Experimentperiod Temperature/ Speed/r min ) Load/MPa Time/min Lowloadrun inperiod 0 00 0 0 Highloadrun inperiod 80 00 40 60 Stopoil 80 00 40 Toscufing 图 是贫油试验过程中摩擦力的演变趋势, 分别在高载磨合阶段 正常磨损阶段和异常磨损阶段得到相应的缸套试样, 即图 矩形框标记处 采用 OLYMPUS OLS4000 三维共聚焦激光扫描显微镜分别在原始试样 磨合试样 正常磨损试样和异常磨损试样的止点处进行形貌数据采集, 其中采样大小为 468μm 468μm, 采样点数为 768 768 波纹度和粗糙度的形貌提取 图 摩擦力演变趋势 Fig. Evolutionofthefrictionforce. 二维离散小波变化通过三维共聚焦激光扫描显微镜得到 4 种形貌的三维数值信号 由于是三维数值信号故采用二维离散小波 为保持每次分解的信号分辨率不变, 故采用多分辨率分析 多分辨率的二 [8] 维离散小波的 Malat 分解算法如下 :
第 5 期朱亚琼, 等 : 缸套磨损表面波纹度和粗糙度形貌特征变化规律 6 犪犼 + 狀, 犿 )= 犺 犿 - ) 犺 狀 - ) 犪犼 犱犼 + 狀, 犿 )= 犵 犿 - ) 犺 狀 - ) 犪犼 犱犼 + 狀, 犿 )= 犺 犿 - ) 犵 狀 - ) 犪犼 3 犱犼 + 狀, 犿 )= 犵 犿 - ) 犵 狀 - ) 犪犼 ) 其中犪犼 + 对应犪犼的低频成分, 犱犼 + 对应纵向 高频成分 水平边缘 ), 犱犼 + 对应横向高频成分 3 垂直边缘 ), 而犱犼 + 则对应两个方向上的高频成分 斜线方向 ) [8] Malat 重构算法如下 : 犪犼 + 狀, 犿 )= 犺 狀 - ) 犺 犿 - ) 犪犼 + 犵 狀 - ) 犺 犿 - ) 犱犼 + 犺 狀 - ) 犵 犿 - ) 犱犼 + 3 犵 狀 - ) 犵 犿 - ) 犱犼 ). 功率谱密度为获得每层小波系数的频率成分, 故选择功 [9] 率谱密度进行分析 功率谱密度可直接由 Fou rier 变换的形式计算得到, 由于所得到的小波系数仍是二维数值信号, 故采用二维傅里叶变换 : 犎 )= lim, 狔 狔 - - 犼 π 狓犳狓 + ) 狔狕 狓, 狔 ) 犲犱狓犱狔 3) - 狔式中, 犳狓和分别是狓和狔两个垂直方向的空间频率, 和狔是在狓和狔方向上三维连续表面的长度, 狕 狓, 狔 ) 是位置 狓, 狔 ) 处的垂直坐标 功率谱密度则是 : 犌 )= lim, 狔 = lim, 狔 = lim, 狔 4 狔 4 狔 狘犎 ) 狘 0 0 4 狔狘 狔狕 狓, 狔 ) 犲 犎 ) 犎 ) - 犼 π 狓犳狓 + 狔 ) 犱狓犱狔狘 4) 式中, 犎 ) 是傅里叶变换的共轭.3 波纹度和粗糙度形貌的提取 通过对小波基幅值特性和相位特性的分 [0] 析, 并结合表面形貌特征提取的要求, 选择 bior6.8 小波基对试验获得的不同磨损状态下表面形貌数据进行分解, 得到 0 层高频系数和 层低频系数 由于超过 0 层以后信息量较少, 基本达到分解要求, 故小波分解层数为十层, 然后通过功率谱密度计算各层高频小波系数的频率成分 图 是原始表面形貌经小波分解后得到的各层高频系数的功率谱密度 从图中可以看出第一层高频系数的频率成分均有, 将其化为噪音信号, 可能是由于仪器误差造成, 第二层到第四层高频系数的频率成分较多, 相对集中在高频处, 故将其化为粗糙度, 第五层到第八层高频系数的频率成分较为单一, 相对集中在低频处, 故将其化为波纹度, 第九层和第十层的高频系数的频率均为单一峰, 且频率较低, 故将其和低频系数化为形状误差 图 3 为提取的原始试样形状误差 波纹度和粗糙度 从图中可以看出多分辨率二维离散小波变换可以提取波纹度和粗糙度形貌 为了比较不同磨损状态的波纹度和粗糙度形貌特征的变化, 故将不同磨损状态的波纹度和粗糙度也按上述方法进行了提取, 如图 4 所示 3 波纹度与粗糙度的几何特征 由于三维图形有很好的视觉效果, 但是难于定量的描述, 故根据统计学参数的原理对波纹度和粗糙度的几何特征进行了提取, 即算术平均偏差 坡度参数 峰顶曲率参数 3. 算术平均偏差 算术平均偏差犚 a 是形貌上各点高度的算术平均值, 其反映了形貌高度变化的连续性 犚 a = 狀狀 狘狕 狓犻 ) 狘 5) 犻 - 式中 : 狀为采样点数, 狕 狓犻 ) 为各点轮廓高度 3. 坡度参数 坡度参数犚 s 是表面形貌上各点斜率的均方根, 其反应了形貌坡度的陡峭程度 犚 s = 狀 狕 狓犻 +)- 狕 狓犻 ) ) 6) 狀 犺 槡 犻 = 式中 : 犺表示轮廓上相邻两采样点的间距 3.3 峰顶曲率参数 峰顶曲率参数犚 c 表示各点粗糙峰顶曲率的算术平均值, 其反映了形貌峰顶的尖平与否 犚 c = 狀 狕 狓犻 +)- 狕 狓犻 )+ 狕 狓犻 -) ) 7) 狀 犺 槡 犻 =
６２ 中 国 表 面 工 程 图 ２ 各层高频系数的功率谱密度 ２ Ｐｏｗ ｐ ｃ ｄｎ ｈｈ ｏ ｃ ｎ ｙｏ ｇｈ ｑｕｎｃｙｃ 图 ３ 原始试样的表面三维形貌 ３ Ｔｈ ｄ ｍｎ ｏｎ ｕ ｃ ｍｏ ｏｇ ｏ ｈｏ ｎ ｃｙ ｎｄ ｍｐ ｐｈｏ ｇ ２０１４ 年
第５期 朱亚琼 等 缸套磨损表面波纹度和粗糙度形貌特征变化规律 ６３ 图 ４ 不同磨损状态的波纹度和粗糙度形貌 ４ Ｗｖ ｎ ｎｄ ｏｕｇｈｎ ｍｏ ｏｇ ｕｎｄ ｄ ｎ ｗ ｐｈｏ ３ ４ 波纹度和粗糙度的几何特征 图 ５ 是不 同 磨 损 状 态 下 波 纹 度 和 粗 糙 度 算 术平均偏差的变 化 规 律 可 以 看 出 不 同 磨 损 状 态下的波 纹 度 和 粗 糙 度 的 算 术 平 均 偏 差 均 是 先 下降后升高 但是 波 纹 度 的 变 化 幅 度 较 大 这 表 明在充分 供 油 的 条 件 下 随 着 磨 损 的 进 行 由 于 珩磨纹 尖 峰 及 毛 刺 等 被 磨 合 的 较 为 平 整 故 波 纹度和粗 糙 度 的 高 度 降 低 停 止 供 油 后 波 纹 度 和粗糙度的高度 略 微 增 加 随 着 磨 损 的 加 剧 直 至 图 ６ 是不 同 磨 损 状 态 下 波 纹 度 和 粗 糙 度 坡 度参数的变化规 律 可 以 看 出 不 同 磨 损 状 态 下 的粗糙度的坡度参 数 均 大 于 波 纹 度 的 其 中 原 始 试样波纹度的坡度 参 数 大 于 磨 合 试 样 的 磨 合 试 样波纹度的坡度参 数 与 正 常 磨 损 试 样 的 相 近 异 常磨损试样波纹度 的 坡 度 参 数 急 剧 增 加 原 始 试 样粗糙度的坡度参 数 和 磨 合 试 样 正 常 磨 损 试 样 的相近 异常磨损试 样 粗 糙 度 的 坡 度 参 数 也 是 急 剧增加 其变化幅度大于波纹度的 异常磨损 表 面 形 貌 又 变 得 凹 凸 不 平 故 波 纹 度 和粗糙度的高度急 剧 增 加 但 是 波 纹 度 的 高 度 变 化幅度较大 图 ６ 坡度参数变化规律 ６ Ｖ ｏｎｏ ｈ ｏｐｐ ｍ 图 ７ 是不 同 磨 损 状 态 下 波 纹 度 和 粗 糙 度 峰 图 ５ 算术平均偏差变化规律 顶曲率参数的变 化 规 律 可 以 看 出 不 同 磨 损 状 ５ Ｖ ｏｎｏ ｈ ｈｍ ｃｍ ｎｄ ｖ ｏｎ 态下的波 纹 度 和 粗 糙 度 峰 顶 曲 率 参 数 的 变 化 规
64 中国表面工程 04 年 律与坡度参数的变化规律基本相同, 不同的是异常磨损试样波纹度和粗糙度的峰顶曲率参数虽急剧增加但变化趋势相同 3) 当出现异常磨损时, 波纹度形貌的算术平均偏差变化幅度大于粗糙度形貌, 粗糙度形貌的坡度变化幅度大于波纹度形貌, 波纹度和粗糙度形貌的峰顶曲率参数变化幅度相近 参考文献 Fig.7 图 7 峰顶曲率参数变化规律 Variationofthepeakcurvatureparameters [] 王伟伟, 胡东. 基于纹理谱分析的工件表面质量识别研究 [J]. 机械制造,009,47535):44 47. [] 李小兵, 王清华. 基于多尺度理论的三维表面形貌表征研究 [J]. 机械设计与研究,04,30):9 0. [3] 胡凤英. 波纹度参数的研究及检测 [J]. 内燃机配件, 006,:38 39. [4] 张志航, 崔海, 丁海娟, 等.MWEDM 表面三维粗糙度的小波评定基准面 [J]. 哈尔滨工程大学学报,0,39): 85 9. [5] GrzesikW,BrolS.Waveletandfractalapproachtosurface 这表明不同磨损状态下, 波纹度形貌的坡度的陡峭程度和峰顶的尖锐程度都小于粗糙度的 在充分供油的条件下, 随着磨损的进行, 波纹度和粗糙度形貌的坡度的陡峭程度和峰顶的尖锐程度均减小, 但是波纹度的变化幅度较大 ; 停止供油后, 波纹度和粗糙度形貌的坡度的陡峭程度和峰顶的尖锐程度略微增加, 随着磨损的加剧直至异常磨损, 波纹度和粗糙度形貌的坡度的陡峭程度和峰顶的尖锐程度急剧增加, 但是粗糙度形貌的坡度的陡峭程度的变化幅度大于波纹度的, 两者峰顶的尖锐程度的变化幅度相近 4 结论以硼磷合金铸铁缸套与氮化铬活塞环为研究对象, 通过设计贫油试验, 获得了缸套从磨合磨损到正常磨损直至异常磨损的三维表面形貌 ) 多分辨率二维离散小波可以提取不同磨损阶段的波纹度和粗糙度形貌 ) 随着磨损的进行, 波纹度和粗糙度形貌的算术平均偏差 坡度参数 峰顶曲率参数均增大 roughnesscharacterizationafterfinishturningofdiferent workpiecematerials [J].JournalofMaterialsProcessing Technology,009,095):5 3. [6] PawelDobrzanski,PawekPawlus.Digitalfilteringofsur facetopography:parti.separationofone processsurface roughnessandwavinessbygaussianconvolution,gaussian regressionandsplinefilters [J].Precision Engineering, 00,343):647 650. [7] 金梅, 沈岩, 朱亚琼, 等. 基于贫油试验方法的镀铬缸套喷钼活塞环抗黏着性能研究 [J]. 车用发动机,0,03 6):43 45. [8] 王慧琴. 小波分析与应用 [M]. 北京 : 北京邮电大学出版社,0:4 69. [9] 李成贵. 三维表面微观形貌的二维功率谱表征 [J]. 计量学报,004,5): 5. [0]FuSY,MuralikrishnanB,RajaJ.Engineeringsurfacea nalysiswithdiferentwaveletbases[j].journalofmanu facturingscienceandengineering,003,5:844 85. 作者地址 : 辽宁省大连市甘井子区凌海路 号 606 大连海事大学船机修造工程交通行业重点实验室 Tel:04)8473376 E mail:dlmuzyq@63.com 责任编辑 : 常青 )