论文学习｜第九篇(2)-研究论文-螺栓连接微动磨损声发射实验研究（实验结果讨论以及结论）

首先对背景噪声进行分析，有助于确定触发阈值，区分信号中的有用成分。零输入电压下的声发射信号如图4所示。很明显，没有AE事件，因此记录的信号完全是背景噪声。噪声信号的幅值在0.003V左右，因此阈值设置为72.1dB，对应于0.004V。然后，以测试1中获得的AE信号为例，当激励电压为6V时，研究摩擦相关AE特性。整个摩擦实验过程中的AE信号如图5所示。很容易发现，大多数AE事件保持稳定的振幅，但仍有一定数量的随机高振幅。为了更清楚地显示不同种类的AE信号和每个周期的信号特征，图6显示了部分放大的AE信号。图6（a）显示了10-15s内放大的AE信号，其中每个声发射事件可以清楚地区分。图6（b）显示了两个时刻的声发射信号，稳幅声发射事件持续时间长，高幅声发射事件持续时间很短，而且这两种声发射事件的幅值变化很大。已经进行了研究以考虑不同类型的波形，即连续波形和突发波形[27]。连续波形归因于位错移动通过晶体，并可能伴随滑移运动。突发波形归因于故障，如孪生，微裂纹，块位错断裂和现有的裂纹的增长。因此，在本实验中，稳定振幅AE事件被命名为连续声发射，其归因于位错移动通过粗糙体，更具体地说，摩擦期间的粘滑事件。随机的高振幅AE事件被称为突发型声发射，归因于诸如位错块突破粗糙体的故障。此外，还发现在每个循环（0.04s）中有两个主要的AE事件序列，分别对应于加载阶段和卸载阶段。

此外，很容易发现AE计数的最大幅度通常发生在从微滑移到大滑移的过渡区域，如图8（b）所示。在参考文献[9]中报道的实验中也观察到了同样的现象。这是因为切向接触刚度迅速减小，此时只剩下残余刚度。因此，切向加速度在该状态下增加到最大值。并且由微凸体之间的碰撞释放的能量达到最大值，这使得所测声发射信号的幅值最高，如图9所示。值得注意的是，由于爆发型声发射可能出现在滑移区的任何时刻，其产生机制是相对随机的，因此这种现象只适用于连续型声发射。

滞回曲线的形状和总滑移区的长度将随激励幅值而变化[25]，AE参数也是如此[14]。为了更好地理解声发射特性与激励电压之间的关系，研究了激励幅值对声发射特性的影响。执行器的激励电压设置为2V至8V，间隔为0.5V。实验1和实验2中不同激励电压（2-8V）下的滞回曲线如图10所示。滞回曲线的形状都是平行四边形，具有几乎相同的切向力和摩擦系数。也就是说，在总滑移区，只有切向位移随着激励电压的增加而增加。两次实验之间的滞回曲线变化的一致性证明了实验装置的鲁棒性。

图11和图12分别显示出了在不同激励电压下的实验1和实验2的一个循环中摩擦滞回曲线与AE计数之间的关系。AE计数分散在滞回曲线上，圆圈颜色表示AE计数的幅度。当激励电压小于5V时，几乎没有AE事件发生，因为几乎没有滑移出现，如图11（a-b）和图12（a-b）所示。当激励电压从5V变化到8V时，如图11（c-f）和图12（c-f）所示，总滑移长度的段逐渐增加，并且AE计数的发生和幅度也逐渐增加。因此，换句话说，AE计数的出现可以被用作粗滑区开始的标志，由于AE计数和摩擦粗滑区的一致变化趋势。此外，当激励幅度相对较小时，由于整体连续声发射信号的幅度较低，AE计数仅发生在从微滑移到大滑移的过渡区域。当激励幅值逐渐增大时，整体连续声发射信号的幅值逐渐增大，从微滑移的中后区到粗滑移的全区都可以观察到声发射信号。

在前一部分中，AE信号与切向接触刚度和加速度之间的关系进行了探索，发现AE信号的最大点正好对应于切向加速度最大点的时刻。因此，在本部分中，研究了实验1的一个循环中的激励幅值、切向加速度和速度之间的关系。如图13所示，在激励频率不变的情况下，随着激励电压的增加，滑移距离、切向速度和切向加速度都增加。显然，切向加速度和速度的变化会引起声发射参数的显著变化。

图13 不同激励幅值下的切向速度和加速度曲线（实验1），（a）切向速度曲线，（b）切向加速度曲线

为了更全面地研究声发射参数与激励幅值之间的关系，图14和图15显示出了声发射计数和声发射均方根值随实验1和实验2的激励幅值的变化。AE计数是信号幅度超过参考阈值的次数。AE RMS的定义如等式(1)所示。其可以被认为是AE信号的平均能量。蓝色圆圈是后250个摩擦循环期间每个循环中的AE计数和RMS。AE计数和RMS在小于4V时变化不大，与图11和图12中的现象相同。从上述现象可以看出，声发射参数可以作为区分粘着区向粗滑区转变的有效工具。当激励电压超过4V时，在这两次实验中，AE计数和RMS都随着激励电压而增加。其中，增加的滑移距离导致更多的AE计数发生，这是因为大的滑移距离为微凸体彼此碰撞提供了更多的机会，如图14所示。更快的滑动加速导致AE幅度和AE RMS的增加。此外，值得注意的是，突发型声发射的数量和幅度也随着激励幅度的增加而增加，如图15所示。这是因为更快的滑动加速度导致更快的弹性应变能量从微凸体之间的碰撞和微凸体连接处的破裂释放，这增强了AE信号的能量，并增加了突发型声发射的数量。总之，激励电压的增加将引起声发射均方根值和声发射计数的同时变化。因此，定义VCount_RMS，如等式2所示。这个参数在一定程度上代表了信号的能量。此外，通过该参数可以更直观地区分连续声发射和突发型声发射，并且可以更明显地观察到从微滑移到大滑移状态的转变点，如图16所示。

微动磨损循环的增加导致材料去除和界面形貌的变化。因此，了解螺栓连接界面在磨损实验过程中的变化规律以及摩擦参数和声发射特征是非常重要的。本节使用两个具有几乎相同粗糙度的试样进行两次重复实验。基本实验参数如表2所示。实验3的激励电压为6V（Δx=40μm），实验4的激励电压为6.6V（Δx=45μm）。整个周期数为0.25×10⁶（1×10⁴ s）。由于硬盘内存有限，很难记录所有数据。因此，采用以下采集策略：对于第一个小时，记录所有数据，因为参数在开始周期中变化很大;从第二个小时到第三个小时，每30s记录1s数据。螺栓预紧力N₀初始设定为400N。在整个磨损实验过程中，螺栓预紧力通过每秒的力垫圈测量。图17显示了螺栓预紧力随磨损循环次数的变化。从这两个实验来看，螺栓预紧力总体上呈下降趋势。实验3中的预载荷减少为24.4%，实验4中的预载荷减少为20.0%。螺栓预紧力的降低可能是由于接触表面的粗糙度在初始磨损阶段被切割或变平以及螺栓的自旋松动造成的。当微凸体被压扁，螺栓连接相对稳定后，随着摩擦状态的稳定，预紧力呈现出相对稳定的趋势。

图18显示了0.25×10⁶次循环期间实验3和实验4中滞回曲线的演变。随着磨损循环次数的增加，滞回曲线的形状发生变化，主要原因是接触表面的改性。随着磨损循环次数的增加，滑移区的长度略有增加。还可以发现，当滞回曲线的形状在40×10³周左右突然变化时，AE和摩擦信号的参数逐渐趋于稳定，见图22。这表明各参数的变化主要受两接触面摩擦状态的影响。图18（b）和（d）显示了从30×10³次循环到70×10³次循环的滞回曲线演变，在此期间，滞回曲线的形状发生了显著变化。图19显示了在磨损实验之前和之后由Leica S9D立体显微镜拍摄的接触表面的显微图像。在这些图像中，磨损疤痕被黄色线条包围。在这两个测试中，磨痕是沿着与线切割程序一致的移动方向的垂直条纹。伤痕均分布在接触面左侧边界附近，可能是接触面边界附近的凸起和安装过程中的附加扭矩造成的。

                   

图19 接触面图像，（a）实验3中磨损前图像，（b）实验3中磨损后图像，（c）实验4中磨损前图像，（d）实验4中磨损后图像                      

为了更直观地显示不同磨损循环下声发射信号的变化，对实验3和实验4的不同磨损循环下的时域声发射信号进行了分析。由于滞回曲线在40×10³循环磨损周期附近变化较大，因此选取1×10³、40×10³和80×10³循环磨损周期，分别代表初始磨损阶段、过渡磨损阶段和稳定磨损阶段。在这三个阶段下的实验3和实验4的AE信号示于图20和图21中。在初始磨损阶段，如图20（a）和图21（a）所示，这两个实验中的AE信号都存在一定数量的高幅值突发发射，峰值幅值在0.5V左右。图20（b）和21（b），突发型声发射事件的数量和幅度明显下降，总体AE信号总体趋于稳定。在稳定磨损阶段，如图20（c）和21（c）所示，整个AE信号完全稳定。也就是说，AE信号仅由摩擦滑动产生，并且振幅不超过0.05V。

提取实验1中不同激励幅值下的单个突发型声发射事件，分别进行时频分析，如图23所示。结果表明，随着激励幅值的增大，频域信号强度逐渐增大，声发射事件的频率范围也逐渐增大。这是因为突发型声发射信号的振幅取决于当凹凸彼此碰撞和切割时释放的能量。随着激励幅值的增大，瞬态应变能的释放逐渐增大，相应的声发射信号强度变高。此外，由于微凸体之间的碰撞剧烈，瞬时加速度非常快，因此AE信号的频率范围变宽。