机械设备状态监测中的铁谱磨粒分形识别.pdfVIP

机械设备状态监测中的铁谱磨粒分形识别 华绍春王汉功 汪刘应 江良洲 (第一炮兵工程学院501教研室，西安710025) 摘要本文利用几何分形理论对铁谱磨粒进行了有效的炽别，针对不刚的辟粒特性采取不同的识别模式对于正 常滑动磨粒、切削磨粒和球状磨粒，其边缘轮廓相差比较大，采用边缘轮廓分形维数进行识别；对十疲劳剥落磨损磨粒、层 状疲劳磨损磨粒和严重滑动磨损磨粒的边缘形态相差不大，但它们的表面形貌特征的差别却较大，则采用表面形貌分形 维数进行识别。 美键词铁谱分析磨粒识别分形维数 1引言 铁谱分析技术是以磨粒分析为基础的状态监测与故障诊断技术，通过监测还可以对磨损故障进行早 期诊断。这项技术已经广泛应用于机械、交通、能源、石化、冶金、军事等领域，对各类机械设备的运行状态 进行监测，判断主要磨损形式，预测磨损发展趋势，诊断故障类型和故障部位，预测故障，预防事故，有着广 泛的应用前景。 但是，由于磨粒产生的复杂性、随机性等原凼，目前磨粒识别与磨损诊断主要是依靠具有牛富经验的 铁谱争业分析人员米进行。基于磨粒分析的监测结果的客观性与准确性低等因素，这就极大地限制了铁 谱技术的发展与推广。之所以如此，其中最根本的原因之一是还没有找到能客观、唯一表征磨粒形态特征 的数字化参数。传统I．，人们把塘粒看成是欧氏几何体，但对磨粒的显微观测研究表明，磨粒并非欧氏几 何物体，而是展示出了分形特性。由于磨粒的多尺度性，就要求对磨粒进行尺度不变性表征，即在不同的 尺度上能提供同样的描述，也就是说，描述磨粒的参数应该不随尺度而变化。因此，传统上基于欧氏空间 所汁箅出的边缘轮廓参数(周长、面积、结构长度、纵横比的参数等)和表面形貌参数(粗糙表面评定的各种 参数、高度纵横比等)与分析尺度密切相关，对于特定的磨粒而不具有唯一性；用这样的参数米表征具有多 尺度分形特征和磨粒有时会产生白相矛盾的结果。所以，利用分形理论对磨粒识别，可以提高铁谱分析的 准确性和町靠性，利用计算机完成图像分析、处理与分形维数的计算，实现铁谱分析的自动化和实用化。 2磨粒的分形表征 在欧氏卒问。h人们习惯把卒lHJ看成三维的，平面或球面看成二维的，而把直线或曲线看成·维。也 可以稍加推广，认为点是零维的，还可以引人高维空间，但通常人们习惯于整数的维数。分形理论把维数 视为分数，这类维数是物理学家在研究混沌吸引子等理论时需要引入的重要概念。为了定量地描述客观 事物的“非规则”程度，1919年，数学家从测度的角度引入，维数概念，将维数从整数扩大到分数，从而突 破了一般拓扑集维数为整数的界限。 分形几何的出现，为磨粒识别拓展了一个新的方向。分形是一种典型的非线性方法，而自然界本身就 是非线性的，线性只是对自然物质的简化。同样，一然物质形体本质土是以分数维的形式存在的，整数维 的情况只是理想化的特例。磨粒图像的轮廓形状可由边界曲线充分表征。通过大量铁谱片上显微图像视 点中磨粒形状的分维数计算与总结归纳，论证了磨粒的轮廓形状、不同磨粒类型(反映r没备摩擦副内部 不同磨损状况和程度)，均具有相应的各阶分维数特征。 机械设备状态监测中的铁谱磨粒分形识别 -307 针对磨粒分形维数可以从不同方面加以描述，有关学者对单个磨粒提出了“多阶分形维数”的概念。 这里的“多阶”是指同时提取磨粒的形状，即边界曲线(二阶)的分维数D[1，2]，和表面形貌(二阶)分维数 D[2，3]。 2．1磨粒边缘轮廓的分形表征 多，本文采用小岛法。小岛法是根据周长与面积测度关系来求分形维数D： 规则图形的周长P与面积A有如下关系： P％A1“ (1) 不规则图形的周长与面积的关系为 Pl”。cA1“ (2) 对式(2)两边取对数，则有： k妒=D／2LogA+C (3) 式(3)中的C为常数，作LogP—h神曲线，如存在相当长的直线部分，采用最小二乘法进行线性拟合， 则直线斜率K=D／2，即D=2K。 2．2磨粒表面形貌的