面接触润滑油膜厚度在线测量方法及其非稳态特性研究

摘要

面接触润滑油膜测量仪作为近年出现的一种新的润滑油摩擦学特性评价系统，已成功用于稳态下润滑油膜厚度的测量。由于所用光源和测量原理的局限，该系统无法完成动态膜厚测量。已有的球-盘接触光弹流润滑油膜在线测量技术，因为量程的限制，并不适用于面接触润滑油膜在线测量。由于面接触干涉条纹高度的局部相似性，使得目前主流的图像追踪算法也无法锁定固定膜厚对应的特征条纹位置。基于此，本文围绕面接触膜厚在线测量亟需解决的滑块倾角自动测量和干涉图像自动膜厚分析两个难题展开，提出了基于双色光干涉的新的测量方法，成功开发了面接触油膜厚度动态在线测量新技术。完成的主要工作包括： (1) 膜厚在线测量系统的研制：研究了多光束干涉理论用于面接触膜厚测量的可行性及双色光干涉的突出特性，升级了现有面接触润滑油膜测量仪的速度控制、实时速度检测、图像采集系统及控制软件等单元。 (2) 滑块倾角自动快速计算研究：根据滑块表面干涉条纹等距，光强呈周期性变化的特点，构造了干涉光强傅里叶变换的倾角测量算法，提出了基于Rife-Jain 和重叠FFT 相位差的复合算法进行频率估计，解决了频谱泄露问题，实现了滑块倾角的准确自动计算。实验表明倾角测量误差达到2%以下，计算速度快、抗干扰能力强。所提出的算法适合动态测量滑块倾角。 (3) 面接触润滑油膜厚度在线测量方法研究：以红绿双色激光为光源，对一维调制光强曲线上与膜厚具有对应关系的特定目标区域，提出了基于光流和动态时间弯曲技术(OF-DTW)的复合追踪算法，实现了膜厚在线动态测量；用相同的算法，以单色激光为光源，根据油膜厚度变化引起平行干涉条纹平移且干涉图像相邻帧之间位移微小的物理特征，计算相邻帧之间的油膜厚度差，从玻璃盘启动开始实时记录每一帧干涉图像对应的膜厚变化，实现了膜厚的在线测量。 作为在线动态膜厚测量的有效补充，对离线膜厚测量数据应用 Freeman 方向链码和均值滤波实现数据曲线的分段光滑，设计基于阈值的归一算法，通过模板对比方法，得到离线光强曲线始末端的形态，自动计算出干涉级次，实现了油膜厚度的离线自动计算。 (4) 面接触非稳态润滑膜厚特性实验研究：设计了不同的加减速、变速、变载方案，基于双色光在线测量技术分别进行了启动、停止、定载荷变速度、定速度变载荷等非稳态工况下的膜厚测量，讨论了不同因素对非稳态膜厚的影响，验证了双色光在线测量方法的可行性。 (5) 面接触流体动压润滑膜厚数值分析：用有限差分法对稳态和非稳态工况下面接触流体动压润滑膜厚进行了数值计算，对压力分布使用逐次超松弛迭代，给出了最佳松弛因子计算方法及合理压力迭代收敛判据，减少了迭代次数，用二分法求解膜厚，大大提高了程序的计算效率，理论计算结果验证了非稳态实验的可靠性。 本文开发的膜厚在线测量系统，为探索新型界面、新型润滑剂的流体动压润滑特性等基础研究及工业界提供了高效、易用的膜厚测量手段。

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