摩擦界面磨损状态超声在线检测关键技术研究

Friction wear of the interface state on-line detection is one of the most difficult problems in tribology research and engineering application. In this project, the interface complex stress field characterization and abrasion monitoring method based on ultrasonic acoustic elasticity will be investigated. The main contents include: (1) The finite element method is used to simulate contact stress field on the friction interface among the friction test and the characteristics of ultrasonic propagating behavior, which can provide a theoretical basis for the experimental study. (2) The experimental system of the ultrasonic testing of the friction interface will be constructed, we will focus on the extraction method of the ultrasonic signal characteristic information, and take into account the variation of the interface temperature and geometric characteristics to form an effective ultrasonic in-situ testing technology for the frictional interface stress field. (3) The friction and positive pressure of the friction interface are characterized by ultrasonic surface wave and transverse/longitudinal acoustic-elastic effect respectively. The method of separating the principal stress of the friction pair plane is studied to reveal the true distribution of the complex stress field of the friction pair in the process of friction and wear. (4) The complex coupling relationship between the wear status of the bearing friction pair and the ultrasonic signal propagating in the interface will be researched, and an on-line monitoring and evaluation method of bearing friction pair grinding process with the interfacial stress abrupt change as the main characteristic parameter will be proposed. The research results can be applied to on-line monitoring of the wear status of machinery and equipment under extreme conditions such as high-speed and heavy-load conditions, effectively improving the service performance of the equipment.

摩擦界面的磨损状态在线检测是摩擦学研究和工程应用中的难题，项目研究基于超声声弹性效应的界面复杂应力表征和磨损状态识别方法，主要内容包括：（1）采用有限元模拟摩擦实验过程中摩擦副界面接触应力场和超声波传播行为特征，为实验研究提供理论依据。（2）构建摩擦界面超声波检测实验系统，研究超声波信号特征信息提取方法，考虑界面温度和几何特征变化因素，形成有效的摩擦界面应力场的超声波原位检测实验技术。（3）分别采用超声表面波及横/纵波声弹性效应表征摩擦界面的摩擦力和正压力，研究摩擦副平面主应力分离方法，揭示摩擦副在摩擦、磨损过程中的界面复杂应力场的真实分布和变化规律；（4）研究轴承摩擦副的磨损状况与界面超声波传播信号间的复杂耦合关系，提出以界面应力突变为主要特征参量的轴承摩擦副磨损过程超声波在线检测评价方法。研究成果可应用于高速、重载等极端工况下机械设备的磨损状况检测，有效地提高设备服役性能保持能力。

长期以来，摩擦界面的力学特性检测和磨损状态评估是摩擦学领域的研究热点之一，探索新的摩擦副界面磨损状态原位在线检测方法，能进一步丰富摩擦学的基础研究实验手段，同时对于提高机械装备服役性能具有重要的工程应用价值。本项目聚焦摩擦界面的磨损状态在线检测难题，利用超声检测的全场扫描和非破坏性等突出优点，通过引入超声波声弹性方法，探索摩擦过程中界面材料和力学性能的变化对超声波传播物理场参数的影响，实现对摩擦界面关键参数的不停机直接测量，从而更精确的反映摩擦磨损过程中接触界面的真实状态。.项目采用有限元法模拟分析了摩擦过程中摩擦副界面的多物理场耦合问题，基于界面微观特征的摩擦副表面建模方法，施加了应力场、超声波场和温度场，探索了界面摩擦过程中的局部应力集中和早期塑性变形问题，获取了实验研究需要的关键参数，为实验台的设计提供了理论基础；研发了超声波摩擦界面实验系统，采用LABVIEW开发了超声波信号实时采样程序，为提取超声波声弹性效应的微弱信号，研究了回波信号的滤波降噪方法，提高了实验测量的分辨率，研究探明了磨损过程中超声表面波声弹性的温度效应，为界面磨损过程中的力学和温度效应解耦奠定了基础；研究了摩擦副界面接触应力检测中的多维应力场解析方法，忽略剪应力对表面波波速的影响，提出了摩擦副表面的平面主应力分离方法，推导获得了主应力求解方程，实现了超声声弹性表征技术对界面复杂应力场的精确测量，分别利用超声表面波的声弹性效应测量摩擦界面的平面应力—摩擦力、利用超声纵波和横波的声弹性效应测量界面的法向应力—正压力，从而揭示了摩擦副在摩擦、磨损过程中的界面复杂应力场的分布和变化规律；研究了轴承摩擦副的磨损状况与界面超声波传播信号间的复杂耦合关系，形成了基于界面应力突变的轴承摩擦副磨损过程超声波在线检测评价技术，研发了交变载荷滚动轴承应力超声原位监测试验台，开展了相关验证性实验研究。