内容简介
本书综合多相流体动力学、振动力学、知识工程以及机器学习等学科领域的前沿研究成果，通过污染油液的理化性能实验、污染油液的全耦合动力学模型构建、油液污染信号分析、污染油液的PIV 实验分析等方法体系的研究，对污染油液的特征进行提取，构建污染油液模糊辨识模型，以揭示油液污染机理，从而实现油中污染的辨识与预测。
本书可为油液污染理论与方法、机械故障诊断以及信号分析与处理等领域的研究人员提供参考，也可作为高等院校开设机械故障诊断等课程的参考资料。
目录
第1章 绪论 001
1.1 油液污染概念与分类 001
1.1.1 油液污染概念 001
1.1.2 油液污染分类 001
1.2 油液污染理论研究进展 003
1.2.1 离散相既定轨道模型 003
1.2.2 离散相随机轨道模型 006
1.2.3 离散相的其他模型 011
1.2.4 离散相模型中两相的耦合关系 012
1.2.5 模型的评价与展望 013
1.3 油液污染研究目的与意义 014
1.3.1 研究目的 014
1.3.2 研究意义 014
1.4 本章小结 015
第2章 污染油液理化性能实验 016
2.1 油液的理化性质 016
2.1.1 黏度与流动性 017
2.1.2 密度与组成 018
2.1.3 表面张力与润滑性能 018
2.1.4 闪点和凝点 019
2.1.5 酸值和碱值 020
2.1.6 氧化稳定性和腐蚀性 021
2.1.7 介质损耗因数 023
2.1.8 击穿电压 023
2.1.9 其他相关性质(如抗泡沫性、耐磨性等) 024
2.2 污染油液的理化性能实验 027
2.2.1 单污染物的理化性能 027
2.2.2 多污染物的理化性能 033
2.3 污染油液理化性能的仿真分析 040
2.3.1 油样电气性能的SVM 模型 040
2.3.2 油样流动性能的模型 045
2.3.3 油样氧化性能的PLS 模型 054
2.4 本章小结 058
第3章 油液污染理论建模 060
3.1 油液污染的理论模型 060
3.1.1 污染油液两相的相关定义 060
3.1.2 污染油液的连续介质理论模型 064
3.1.3 污染油液的扩散模型的特征线求解 073
3.2 油液污染的动态特性 084
3.2.1 数值计算的系统参数 084
3.2.2 数值计算的初始条件、边界条件 084
3.2.3 污染油液的运动特性 086
3.3 本章小结 103
第4章 油液污染振动信号分析 105
4.1 油液污染信号采集 106
4.1.1 采集系统 106
4.1.2 污染油样的配制 107
4.2 小波分析 107
4.2.1 污染油液信号的小波分析 107
4.2.2 污染浓度影响的小波分析 113
4.3 小波包分析 118
4.3.1 小波基的选择 118
4.3.2 污染油液的小波包分析 120
4.3.3 污染浓度影响的小波包分析 124
4.4 HHT 分析 129
4.4.1 污染油液的HHT 提取 129
4.4.2 不同污染物含量油液的振动信号的HHT 提取 134
4.5 VMD 分析 145
4.5.1 污染油液的VMD 提取 146
4.5.2 不同污染物浓度油液的振动信号的VMD 提取 157
4.6 本章小结 170
第5章 油液污染PIV 实验分析 171
5.1 污染油液流场特性分析 171
5.1.1 POD 方法 172
5.1.2 油液流动特征分析 182
5.1.3 涡识别与分布 188
5.1.4 湍动能和耗散率分析 194
5.1.5 污染油液脉动机理分析 199
5.2 污染浓度对油液流场特性影响分析 205
5.2.1 平均速度的分析 205
5.2.2 脉动速度的分析 211
5.2.3 湍动能、耗散率的分析 219
5.3 本章小结 225
第6章 油液污染辨识方法 227
6.1 油液污染的辨识系统 227
6.2 油液污染辨识实验 229
6.2.1 实验装置 229
6.2.2 实验方法 231
6.3 油液污染的SPA 预测 232
6.3.1 T-S 辨识模型的构建 233
6.3.2 T-S 预测 239
6.3.3 T-S 辨识分析 240
6.4 油液污染中红外光谱检测 240
6.4.1 实验仪器与方法 241
6.4.2 油中颗粒污染物中红外光谱建模 241
6.4.3 污染浓度模型的构建 243
6.4.4 中红外光谱检测结果分析 245
6.5 本章小结 245
参考文献 247
前言/序言
随着工业化进程的不断推进，机械设备向大型化、高速化、智能化和复杂化等方面发展，油液作为机械设备和系统中的关键介质，承担着润滑、冷却、密封等多重功能。油液在使用过程中不可避免地会遭受污染，污染物的存在不仅会影响油液的性能，而且是设备发生故障及元件过早磨损或损坏的主要原因。因此，进行油液污染分析是非常重要的。
由于机械设备的运转、油液流速变化、压力突变等原因，油液不可避免地呈现振动状态，颗粒污染物的含量、尺寸与油液振动具有相互依赖关系。即颗粒污染物的存在会影响油液的理化性能变化及其在设备中的动态特性，且在油液振动信号中都会有不同程度的反映，而油液振动参数比起设备的其他状态参数能更直接、快速、准确地通过测量而获取。因此，通过科学合理的油液污染分析方法，对油液污染状态进行特征提取，从而有效评估设备的健康状态，对实现设备安全可靠运行具有重要的科学意义。
油液污染分析是一个涉及多方面理论（如润滑、多相流体动力学、振动力学及统计学等）和技术（如信号处理、知识工程、机器学习等）的系统工程，因而需要对油液污染的构成（油液、颗粒污染物）进行系统的、全局的分析。首先对污染物油样理化性能进行实验测试，探讨油液与污染物的相互作用机理、传输模式以及状态特征，阐明油液理化性能的变化规律及其关键理化性能指标；从问题的本质——在油液振动状态下污染的形成和发展入手，利用Hamilton 原理导出描述油液污染的全耦合振动动力学模型；并利用特征线法进行数值求解，探讨油液与污染物、污染物跟随运动和交叉效应等多因素耦合作用问题，提取油液污染的运动特征；将“油液污染”问题转化为“油液污染特征提取”问题，为进一步实现油液污染监测提供理论依据。
然后运用小波（包）分析、希尔伯特-黄变换（Hilbert-Huang transform，HHT）、变分模态分解( variational mode decomposition，VMD)以及连续投影算法(successive projections algorithm, SPA)对油液污染信号进行定量分析，提取与污染物密切相关的油液振动频谱，揭示颗粒污染物与油液污染特征之间的内在关系。
再通过油液污染流场的PIV 实验测量，获取污染油液的瞬态速度矢量数据，利用POD技术进行流场重构，探讨涡波流场的流动、脉动、耗散率和展向涡等特性及其变化规律；并针对不同含量和粒径的污染油液，进行平均速度、脉动速度、时频分布以及湍动能耗散率等流动属性分析，探讨油液脉动强度、瞬态速度和平均速度的分布规律；采用大涡PIV 方法分析污染浓度对油液湍流动能和耗散率分布的影响，为掌握油液流场中污染物的运动特性提供基础。
最后针对含油液污染的辨识问题，提出基于VMD 分解的振动特征频率提取（以及中红外光谱数据）、SPA 变量选择与T-S 模糊模型相结合的油中颗粒物含量预测方法，进行模式辨识、实验验证等研究体系的研究。对油液振动特征的定量分析进行实验研究和实例验证，进而揭示油液污染机理。
本书综合应用摩擦润滑、多相流体动力学、振动力学、知识工程以及机器学习等多学科领域的前沿研究成果，通过实验测试、理论研究、模拟仿真和实验验证相结合的方法，学术上将设备振动监测的对象从“固体监测”向“流体监测”拓展，为设备系统的定量的故障诊断分析与预测提供理论依据，对解决设备故障诊断与预测问题更具有主动性，以及对丰富和完善油液污染分析方法体系具有重要应用价值。
本书共分为6章，第1章综述了油液污染种类、污染油液离散相模型以及油液污染分析方法，阐述了油液污染分析的重要意义。第2章分析了污染油液电气性能、流动性能和化学性能的变化规律，构建了污染物与油液理化性能之间的数学模型，进行了理化性能的仿真分析，为油液污染信号准确提取提供合理的物理参数。第3章构建了油液与污染物的全耦合振动动力学并进行数值求解，探讨了油液污染的动态特性，为油液污染振动信号分析以及PIV实验分析奠定前期理论基础和技术支撑。第4章运用小波（包）分析、HHT、VMD 定量分析了油液污染信号的特征，阐明了油液中污染物与油液污染特征之间的内在关系。第5章对污染油液流场进行了PIV 测量和POD 重构，获取了涡波流场的流动、脉动、耗散率和展向涡等特性及其变化规律，探讨了污染油液流场脉动强度以及瞬态速度和平均速度的分布规律。第6章构建了油液污染的辨识系统，对油液振动特征（频率以及幅值变化）进行实例验证，实现对油中污染物的辨识与预测。
本书可为油液污染理论与方法、机械故障诊断以及信号分析处理等领域的研究人员提供参考，也可作为高等学校开设机械故障诊断方面课程的参考资料。
本书是在作者取得的成果基础上进行加工和整理而成的，力求从油液污染的基本原理、污染特征和辨识角度出发，既有理论基础知识，又有工程应用的详细阐述，从而起到抛砖引玉的作用。希望它的出版对从事油液污染理论与方法、机械故障诊断以及信号分析与处理等领域工作的研究人员具有很好的参考价值。
