Multiresolution analysis in tribology : filtering of experimental data and decomposition of rough surfaces

Abstract

Die auf der orthogonalen Wavelet-Transformation beruhende Multiresolutionsanalyse (MRA) wurde in der Tribologie angewandt, da sie die eindeutige Zerlegung eines Signals oder eines Bildes auf einer beliebigen Auflösungsstufe ermöglicht. In dieser Arbeit wurden mittels MRA erstmals zwei in der Praxis relevante Problemstellungen gelöst. Erstens wurden Gammaspektren, welche der Ermittlung von Verschleiss; in Kolbenring/Zylinder-Systemen dienen, durch eine Voraussage auf Basis der Poisson-Statistik von Rauschen befreit. Zweitens wurde das Signal akustischer Emission gefiltert, welches in Rad/Schiene-Kontakt Ermüdungstests auftritt, um einzelne mechanische Ereignisse zu identifizieren. Diese entstehen durch die Wechselwirkung des Rads mit Rissen, die während des Tests auftreten und dabei zur Emission eines akustischen Signals führen. Die MRA wurde außerdem angewandt, um tribologische Oberflächen auf allen möglichen Aufösungsstufen in Form, Welligkeit und Rauheit zu zerlegen. Mithilfe solch einer Zerlegung gibt die MRA Aufschluss über den Einfluss von Rauheit in tribologischen Systemen. Einerseits wurden die Effekte von Rauheit auf die Simulation von winkelaufgelösten Röntgen-Photoemissionsspektren untersucht, während andererseits die Welligkeit von verschlissenen Kugeln eines HFRR-Tests (high-frequency reciprocating rig) betrachtet wurde, um Fingerabdrücke der verwendeten Schmierstoffe zu definieren. Indem die Rauheit einer Stahlkugel aus einem Kugel-Platte Tribometer mittels MRA herausgefiltert wurde, konnte schließlich gezeigt werden, dass man wohlbekannte Kontaktmodelle in einander überführen kann.

Using the orthogonal wavelet transform, the resulting multiresolution analysis (MRA) has been applied in tribology because it allows one to uniquely decompose a signal or an image for a given level of resolution. Here MRA is firstly applied for signal filtering in two practical cases. In the first case, the gamma spectra obtained for the determination of wear in piston ring/cylinder systems are denoised using a prediction based on the Poisson statistics. In the second case, the acoustic emission signal appearing in rail contact fatigue tests is filtered to identify single mechanical events. They occur due to the interaction of the wheel with crack created during the tests which lead to the emission of an acoustic signal. MRA is then used for decomposing tribological/engineering surfaces into form, waviness and roughness at all possible levels of resolution. Using such a decomposition, MRA is applied for the analysis of the influence of roughness in tribological systems. Firstly, the effects of roughness on the simulation of angle-resolved X-ray photoemission spectra is investigated. Secondly, the waviness of worn balls in high-frequency reciprocating rig tests is considered to introduce the fingerprints of lubricants. Finally, by removing the roughness of a steel ball with MRA in a ball-on-plate configuration, it is shown that one can switch between well-known models in contact mechanics.