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论文学习｜第九篇(1)-研究论文-螺栓连接微动磨损声发射实验研究（引言和实验方法）

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本篇研究论文针对螺栓连接结合面的摩擦和微动磨损行为，使用声发射信号探究了声发射信号特征和结合面微动磨损之间的关系。适合于摩擦磨损机理研究、故障诊断、信号处理研究领域者学习。

本篇将介绍第1篇：引言与实验方法

论文原文连接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0022460X23002225

正文共： 6145字5图

预计阅读时间：16分钟

论文信息

论文题目：Experimentalinvestigation on acoustic emission in fretting friction and wear of boltedjoints

期刊、年份：Journal of Sound and Vibration,2023

作者：Jiaying Sun^a,Huiyi Yang^a, Dongwu Li^a, Chao Xu^a,b,*

机构：

^a_{School of Astronautics, Northwestern Polytechnical University, China}

^bYangtze River Delta R&D Institute, NorthwesternPolytechnical University, China

1. 引言

2. 实验方法

2.1 微动磨损实验装置

2.2 声发射信号采集装置

2.3 实验测试过程

3. 结果与讨论

3.1 原始声发射响应

3.2 声发射与摩擦接触

3.2.1 粘滑和声发射信号

3.2.2 激励幅值效应

3.3 声发射与微动磨损

3.4 频率特征分析

4. 结论

摘要

螺栓连接结合面间的微动会改变结构在振动载荷作用下的动力特性。声发射（acoustic emission，AE）技术已成功地用于研究不同类型的接触副之间的摩擦和磨损机制。本文通过对螺栓连接结构在摩擦和长时间微动磨损过程中声发射信号的实验研究，探讨声发射特征与界面微动行为之间的关系。利用一套螺栓连接微动性能试验装置和声发射采集系统进行了微动试验研究。同时获得相对位移、切向摩擦力以及相关的声发射信号波形特征，将声发射信号与滞回曲线相关联。研究了外激励幅值和微动磨损循环次数对微动磨损性能的影响。分析了不同激励幅值和不同磨损阶段下单个突发型声发射事件的频率特征。结果表明，声发射事件主要发生在微滑移区和粗滑移区，声发射技术对微滑移区向粗滑移区的转变点更为敏感。随着外激励幅值的增大，大多数声发射参数的值逐渐增大。随着微动磨损循环次数的增加，螺栓预紧力、摩擦系数和声发射参数的变化首先表现出显著的变化，然后趋于渐近稳定。此外，频率强度和范围将随着激励振幅的增加而增加，随着磨损循环而减小。

关键词: 声发射，螺栓结合面，摩擦，微动磨损，滞回曲线

Ⅰ 引言

螺栓连接通常用于各种工程结构中，并且接触界面可能在振动载荷下经历微动[1-4]。实时监测接触界面对结构的安全至关重要。然而，直接接触界面测量总是难以执行，并且在实践中会改变实际接触界面。声发射（acoustic emission，AE）是一种与固体中产生的应力波有关的现象，由于各种机制释放应变能[5-7]。众所周知，接触界面之间的摩擦会产生声发射现象。因此，声发射信号模式的变化很可能指示界面接触状况，这是一种更灵敏和方便的方式。因此，研究螺栓连接摩擦和微动磨损过程中的声发射特征，进一步了解声发射信号特征与连接界面摩擦行为之间的关系具有重要意义。

过去，AE技术通常用于研究不同滑动条件下球-平面接触的摩擦学行为[8-15]。AE信号的许多参数可以用来分析以获得摩擦学信息的。声发射信号和声发射能量的均方根值（root mean squared，RMS）对摩擦特性敏感。Liao等人[8]研究了O形密封圈试样的粘滑摩擦，发现AE RMS的斜率和摩擦系数（coefficient of friction， CoF）在不同行程长度和不同材料下一致变化。Jlaiel等人[9]使用CoF、实时图像和声发射的累积绝对能量来区分三个不同的摩擦阶段。结果表明，这三种特征在接触机构识别中具有很好的同步性。为了定量研究声发射信号和摩擦试验之间的关系，在一些研究中使用了滑动过程中的摩擦功。观察到AE能量和AE RMS与不同条件下的摩擦功成正比[10，11]。耗散能量是另一个量化微动试验期间总能量的参数。Ito等人[12]发现，在不同激励位移下，总耗散能量与总AE RMS之间具有良好的相关性。Yahiaoui等人[13]研究了钢-PEKK接触在往复或单向运动中的法向载荷、滑动速度和距离方面的摩擦学行为。在不同的摩擦学行为下，可以观察到不同的撞击分布、绝对能量分布、CoF和磨损痕迹。除了使用参数CoF来表示摩擦状态外，Wade等人[14]使用Fouvry等人[15]确定的微动能量比来研究不同切向位移下AE与机械响应之间的关系。结果表明，声发射响应与微动参数有很强的正相关性。

销-块摩擦试验台也被广泛用于摩擦声发射的研究。Hase等人[16，17]分别使用销-柱和销-块试验台来研究机械磨损机制。结果表明，声发射参数的特征，如声发射累计计数，声发射平均值，峰值频率，高度依赖于由不同的材料产生的磨粒类型。另一个结论是AE信号的不同振幅与滑动和磨损颗粒的形成有关[18]。Sun等人[19]使用AE和静电（ES）监测实时摩擦接触。AE和ES结果被发现与摩擦水平和磨损机制密切相关。从上述研究中，很明显，摩擦和磨损活动与各种AE参数有很强的相关性。

在上述摩擦接触中，总是涉及两个物体之间的大的滑动。然而，在许多实际结构中，界面总滑动是不允许的，界面微滑动摩擦和微动磨损更受关注。在文献[20]中，测量并分析了两个平面之间在粘滑接触中摩擦产生的AE信号。Asamene等人[21-23]研究了两个扁钢表面之间摩擦产生的声发射。研究了不同表面粗糙度、相对速度和法向压力下声发射事件的持续时间、振幅和累积能量。声发射信号的频率成分和持续时间随摩擦条件的不同而变化。

对于螺栓连接，由于螺栓预紧力的存在，其接触和摩擦行为与平面对平面接触有所不同。例如，螺栓预紧力在摩擦和磨损下会发生变化，并且标称接触压力的分布不均匀。这些特征将给摩擦接触带来复杂性，自然也会给由此产生的声发射信号带来复杂性，这可能是很少有研究将螺栓连接中的AE特征与摩擦行为相关联的原因。最近，Ramasso等人[24]提出了一个名为ORION-AE的数据集，该数据集由三个不同的AE传感器和激光测振仪通过改变两个螺栓板的紧固条件收集的原始AE数据流组成，但本文仅获得了测振仪数据，难以找到摩擦状态与AE流之间的关系。虽然许多研究使用AE技术以帮助理解微动接触，但是缺乏螺栓连接滞回曲线与声信号准确的相关性分析，以及使用AE参数识别准确的机制演化。本文通过同步测量螺栓连接摩擦试验中的相对位移、切向力和声发射信号，创新性地研究了螺栓连接结构中声发射特性与摩擦滑移状态之间的关系。通过对迟滞回线、滑移速度和声发射参数的不同关联，更好地探索界面微动行为与声发射特征之间的关系。

在本文中，微动试验进行捕获的滞回曲线，接触参数和相关的AE信号。本文的工作得益于作者设计的螺栓连接摩擦微动试验台，应用参数激励幅值分析了声发射参数和接触行为的影响。进行了长期磨损试验，以研究声发射参数和摩擦行为的演变。本文的结构如下：

第2节介绍了由微动试验装置和声发射信号采集系统组成的微动试验装置，并对试验过程进行了说明。

第3节讨论了声发射信号与界面微动行为的关系。分析了激励幅值对滞回曲线和声发射参数的影响。展示了所测得的滞回曲线、螺栓预紧力、AE和接触参数随磨损循环的演变。并研究了不同激励幅值和增加磨损循环次数对频率特征的影响。

第4节根据前文研究得出了一些结论。

Ⅱ 实验方法

西北工业大学曾研制出一种专用于研究螺栓连接摩擦磨损性能的微动试验台[25，26]。该试验台分别使用高分辨率的称重传感器和激光振动传感器精确地测量切向摩擦力和相对位移。本文对螺栓连接往复摩擦声发射试验台进行了改造，以分析螺栓连接往复摩擦声发射信号。

2.1 微动磨损实验装置

先前开发的实验装置的总体视图如图1所示。它包括两个主要部分，激励和测量系统。激振系统由压电制动器（PSt 150/14/100 VS 20）组成，由信号发生器驱动，PI伺服控制器通过集成反馈传感器进行闭环控制。应该注意的是，压电致动器不能承受会导致内置压电陶瓷失效的剪切力。因此，设计了一种解耦系统，参考文献[25]中介绍了详细的设计原理。此外，片簧被设计成驱动纵向运动并使横向位移最小化。

图1 (a)实验装置照片（b）试验装置及主要部件示意图

测量系统分别测量切向摩擦力、螺栓预紧力和相对位移。切向摩擦力由动态测力传感器测量，并在采集前用信号调节器调节。螺栓预紧力由一个测力垫圈和一个高精度的6.5位数字万用表测量。用单台激光多普勒测振仪（laser doppler vibrometer, LDV）、棱镜和反射镜测量界面相对位移。图1（a）描绘了相应测量原理的示意图。激光束通过棱镜反射到目标测量点上。这个棱镜连接到固定的样品和一个小镜子的移动样品。棱镜和反射镜很轻很小，所以它们不会影响测量。参考文献[25]中描述了仅使用一个激光束测量相对位移的原始方法的详细原理。

2.2 声发射信号采集装置

AE信号采集装置由传感器（G150）、放大器（2/4/6 c）和数据采集卡组成。G150 AE传感器（频率范围20-400 kHz）用于检测与摩擦和磨损相关的AE信号[7]。根据参考文献[17]，它具有适用于摩擦相关AE信号的宽谐振频率范围。传感器的尺寸为Φ19mm×19.5mm，正好适合本研究的试件。声发射传感器放置在固定试样上，以减少摩擦运动对声发射响应的影响，如图1所示。使用甘油磷脂将AE传感器附着在试样上，避免在接触过程中形成气泡，有利于弹性波到传感器的传播。此外，PVC胶带用于防止传感器在振动过程中脱落，而不会增加不必要的额外质量。

然后，采集的AE信号通过一个放大器（40dB增益，频率范围为10kHz-2MHz）。值得注意的是，该款单片机可以与外部24伏直流电源相匹配，因此适用于大多数信号采集设备。

2.3 实验测试过程

螺栓连接试样由ASTM304不锈钢制成。接触区域是一个20 mm×20mm的正方形，带有一个直径为7mm的通孔，如图2所示。受试螺栓为M6，碳钢，8.8级。使用便携式粗糙度测量仪（Hommel-Etamic W10）测量接头样品的接触表面的粗糙度Ra，如表1所示。实验中使用的移动和固定试样的接触表面的平均粗糙度约为3.45μm。所有试样和螺栓在超声波清洗器中用酒精清洗，然后干燥。

图2 (a)接头样本照片（b）接头样本示意图

表1 四次测量过程中接头表面粗糙度Ra(um)

AE信号，切向摩擦力和相对位移的同时获得的采样率2MHz，使用数据采集系统（NI PXIe-1082）和内部代码。移动的样品以正弦曲线模式往复运动。实验设备放置在光学隔振台上，以减少外部振动对测量的影响。所有实验均在室温下进行。实验1和实验2研究了激励幅值对摩擦声发射信号的影响，结果分析对应于3.2.2节。进行了实验3和实验4，研究了摩擦参数和声发射参数随磨损循环的演变，结果分析对应于3.3节。这两个实验具有相同的模式的一些基本参数。摩擦条件和声发射采集的基本参数见表2。放大器的增益为40dB。螺栓N₀的预紧力设定为400N。往复频率为25Hz。

表2 摩擦条件基本参数和声发射采集

使用作为相对位移的函数的测得的切向力来呈现滞回曲线。图3显示了实验1中获得的滞回曲线，此时激励电压6V，转换为40μm的标称切向位移。该回路经历三种摩擦状态。从点A到点B，试样经历粘着和微滑移状态。在粘着状态下，力随相对位移线性变化，接触表面仅发生弹性变形。

图3 典型滞回曲线及接触参数提取方法原理图(激励电压为6V）

粘着和大滑移状态之间的过渡是微滑移状态。在微滑动期间，接触区域的一部分滑动，而另一部分仍然被卡住。从点B到点C，相对位移连续增加，直到整个接触区域滑动，指示粗滑动状态。在此区域，相对位移和切向力达到最大值。在本文中，切向力在大滑移区不是恒定的，但略有增加的相对位移，这可以表征为剩余刚度。剩余刚度是由于螺母-螺栓头之间、垫圈-螺栓头之间的接触面处的刚度以及螺栓杆的变形[25]。摩擦系数（CoF）通过图3中两条橙色线之间的距离与两倍螺栓预紧力的比值来估算，CoF= ΔF/2N₀ 。使用MATLAB函数“polyarea”将能量耗散计算为滞回曲线所限定的面积。在进行后续实验之前，进行了重复性测试，以验证实验装置和操作的标准化。

下一篇重点介绍第三节，关于声发射信号与摩擦和微动磨损之间的关系。

注明

1、本篇介绍论文的第一部分。

2、若需引用本文的公式、专业术语等内容建议再细读原论文核实；若本文对您的论文idea有帮助，建议引用原论文～

参考文献

[1] Sun J , Yang H , Li D ,et al.Experimental Investigation on Acoustic Emission in Fretting Friction and Wear of Bolted Joints[J].Journal of Sound and Vibration, 2023.

编辑：张勇

校核：李正平、张泽明、王畅、陈凯歌、赵栓栓、董浩杰

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来源：故障诊断与python学习

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首次发布时间：2023-12-22