内燃机作为现代工业的核心动力装置，其活塞在极端工况下易磨损失效，严重时可导致恶性故障。为了防止活塞磨损失效造成的危害，基于混沌分形理论，理清活塞磨损全过程中摩擦信号与磨损形貌的非线性演化规律，多角度表征磨损截面微观组织结构特征及演变特性，构建磨损行为与微观组织结构之间的关联，揭示活塞磨损行为的微观演变机制，监测磨损行为。研究表明：（1）摩擦信号的相轨迹演化呈现明显的三阶段特征，即发散、收敛和再发散。摩擦信号的关联维数变化呈现出“倒浴盆曲线”特征。相轨迹与关联维数的演化特征与摩擦信号的磨合阶段、稳定磨损阶段及剧烈磨损阶段的变化规律呈现一一对应关系。因此，通过相轨迹与关联维数表征，可以定性和定量识别活塞磨损状态。（2）磨损表面二维轮廓分形维数d、特征粗糙度τ^*、三维形貌分形维数D_S与表面粗糙度的皮尔逊相关系数分别为-0.87、-0.82和-0.92，表明，磨损表面形貌分形特征参数与表面粗糙度呈强负相关关系。（3）随着磨损的进行，铝合金活塞试样表面硬度从初始的102.2 HV增加到226.3 HV，增幅为121.4%。截面亚表面硬度由102.1 HV增加到143.2 HV，增幅为40.2%。通过计算磨损截面的小角度晶界特征分形维数D_b，发现D_b由1.04增至1.63，表明小角度晶界随着磨损过程进行而增加，D_b可定量表征小角度晶界特征的形成过程。（4）对于同一摩擦系统而言，摩擦系数信号关联维数D的“增大-稳定-减小”演化过程与表面形貌三种分形特征参数的“减小-稳定-减小”的演化过程同步发生于相同阶段拐点，均受到磨损状态转变的影响。“磨合阶段-稳定磨损阶段”的斯皮尔曼相关系数分别为-1、-0.96和-0.89，“稳定磨损阶段-剧烈磨损阶段”的斯皮尔曼相关系数分别为0.64、0.68和0.75，均存在分阶段的强相关性。关联维数D与截面微观组织分形维数D_b的分阶段相关系数分别为0.67和-0.96，表明了两者的强相关性。表面形貌分形特征参数的“减小-稳定-减小”与截面微观组织分形维数Db的“增大-稳定-增大”演化阶段一一对应，呈现显著负相关。其斯皮尔曼相关系数分别为-0.89、-0.87和-0.89，证明了具有极强负相关性。因此，通过相关性分析，明确了摩擦系统宏观磨损行为与微观组织结构之间的关联机制，为在线监测磨损行为与宏观调控磨损状态提供理论依据。
 

混沌与分形理论；摩擦信号；表面形貌；截面微观组织结构；斯皮尔曼系数