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超声波电机摩擦和磨损特性探究沈申生1华亮12

时间:2017-11-18 15:19:00   来源:本网   添加人:admin

  电磁电机是利用旋转磁场以非接触方式驱动转子运转的,超声波电机则是通过定子与转子的直接摩擦耦合传递驱动力。以目前常用的行波旋转式超声波电机为例,当其定子上的2组压电陶瓷被同频异相的高频交流电激励时,由于逆压电效应使压电振子产生超声振动,定子的中性面则会出现旋转的振动行波。该行波的振动力可以分解为2个力,一个是垂直于转子平面的法向力,一个是与转子表面相切的切向力。定子表面质点的切向力与转子相对运动而产生摩擦力,驱动转子旋转,输出力矩和转矩。基于上述工作原理,超声波电机具备其固有的特性:转速低转矩大、定位精度高、结构简单、能量密度和转换效率高、无电磁干扰。然而USM独特的摩擦驱动方式亦产生难以克服的缺陷,即输出特性中的非线性和不稳定性,尤其在大功率工况下更为严重;另外,相对电磁电机,它的使用寿命亦比较短暂。USM的运行完全倚赖于定子和转子之间的干摩擦,定转子的材料性能、力学性能、温度效应及摩擦行为直接影响到电机输出特性中各项指标的优劣。故有必要对USM构件在材料学、力学、热学和摩擦学等学科范畴内进行理论探索和研究,揭示其中奥秘,从而最大限度地遏制非线性因素的影响,提升USM的输出特性。

  1干摩擦原理从宏观上观测一个已精加工过的机械零件,其表面一般都很光洁、平滑。然而从微观角度放大仔细察看,构件表面凹凸不平,这是加工过程中材料的弹性变形和塑性变形所为,从而在表面形成大小不一的微凸体。由于微凸体的存在,固体表面之间的接触是不连续的,具有离散性。所以实际接触面积很小。依据原子结构理论分析,材料表面的结晶点阵的原子处于极度不稳定状态,具有很高的活性和表面能,吸附周围介质,因此,精加工过的机械零件表面或多或少存在金属夹杂物及结晶格子中其它元素原子。同时残余应力、微观缺陷亦均会存在,如金属结晶中的位错和空位。

  种材料的实际接触面积很小,当接触面相互压紧时,微凸体上的压力很高,足以引起塑性变形和“冷焊”

  (粘着)现象。滑动摩擦是粘着结点的形成和剪切交替发生的跃动过程,摩擦力是粘着点被剪切时克服的阻力,即F=Avh刚性材料上的微凸体在法向负载的作用下嵌入较软材料表面,滑动时还会形成犁沟,为滑动摩擦模型。犁沟效应产生的阻力亦是摩擦力的组分。尤其在材料温度较高时,犁沟面积扩展,犁沟阻力不能忽略,因此总的滑动摩擦模型摩擦力为力,s为犁沟面积。

  实验证明:T的数值与滑动速度相关联,且十分接近摩擦副中软材料的剪切强度极限,这表明粘着结点的剪切一般发生于软材料内部,造成材料迁移的磨损表象。p的数值决定于软材料的性质。实验又证明:p值与软材料的屈服极限成正比。坚硬的凸峰嵌入软材料的深度伴随软材料屈服极限的减小而增加。

  2超声波电机的摩擦磨损机制在一定的预压力或负载下,USM的定转子之间是理想的面接触,定子切向力产生足够大的摩擦力,由接触曲面上的质点向转子传递动力。摩擦特性直接影响电机的动力特性,鉴于此,定子的比强度和比刚度必须要高;转子材料则要求摩擦因数较大的柔性材料(相对定子材料)这样才能产生足够大的摩擦力,使电机输出更大的功率。然而任何摩擦都会造成材料的磨损。磨损种类很多,USM主要属于微动磨损。在预压力或负载作用下,定子和转子的微凸体产生塑性变形和粘着,超声微幅振动时的切向力使得粘着点被剪切并脱落。定子齿上脱落的磨粒在切向力驱动下如同刀具一样在接触表面高速切削,产生切屑。

  松散的磨屑像滚珠或滚柱具有减磨作用,使USM的摩擦因数明显下降,输出功率随之大大下挫。更为严重的是微动疲劳将使USM萌生裂纹源,并在交变应力下,裂纹渐渐向纵深扩展直至断裂;长时间的微动疲劳也很容易使定子与压电陶瓷间的凝结层局部脱落、压电陶瓷破裂,引起振子振幅减小,输出力矩下降。

  定子振动时的法向力亦铸就了对转子的冲蚀磨损。转子表面遭受定子材料中的粒子高频冲击时,将会发生弹性或塑性变形。当冲击强度一旦超越转子的屈服强度时,则在其表面产生压痕坑,部分材料被挤压到凹坑周围,形成凸起边缘,产生材料堆积。在压痕坑附近的亚表层中同时形成应变层,渐进过程中萌生裂纹源和位错等缺陷。

  综上所述,USM定子和转子表面的微凸体一是精加工所遗留,二是电机运行时法向力冲蚀磨损所致。

  3超声波电机堵转时的摩擦磨损特性超声波电机的犁沟效应USM堵转瞬间,即转子由转动进入静止的临界平衡状态时,转子表面承受的摩擦力达到最大值,定子以超声频率高速切削和挤压转子表面质点。堵转时电机快速升温,材料的塑性指标亦随之提高,定子嵌入转子面较深,犁沟面积扩展,犁沟效应凸现。根据Hertzian的接触模型,把行波状态下定子的半个波长视为圆柱体,转子等效为L宽、无限长的平板。电机发生堵转,定子在屈服极限较低的转子上滑动,转子表面产生犁沟柔性转子面的犁沟效应随着温度升高越发明显。为USM堵转时的犁沟效应,犁沟阻力为服压力。

  其中S为犁沟深度,由于定子宽度大于转子,因此A2的长即为转子宽度L定子上的预压力为F其中R为行波状态下定子圆柱体的半径。

  则犁沟时摩擦因数为根据分析,微面积为d4=LRd9dA上的粘着力为dF定子上的预压力又为Fn=LS2R-S粘着部分摩擦因数为则USM堵转时总的摩擦因数为犁沟阻力为Ff则USM堵转时总的摩擦阻力为犁沟阻力与粘着阻力之和,即粘着阻力与ST关;式(3)说明粘着摩擦因数与S无关。从式(5)可以看出,在一定的预压力下,USM堵转时的犁沟深度决定其摩擦力的数值。USM堵转时摩擦力很大,法向冲击能量亦相当可观,可以清晰地听到定子和转子的激烈碰撞声。因此,此时材料的冲蚀率居于高位,轻则仅对其表面严重磨损,重则定转子或压电陶瓷发生破裂,造成输出特性严重恶化,甚至无法使用。

  4摩擦的温度效应金属材料属于晶体范畴,因此它具有晶体的一般特性,即材料通过表面摩擦产生强烈的晶格振动,激发晶格原子而引起光子和电子辐射,形成摩擦发光。它在界面产生电场放电,或在机械激发下通过晶体振动离散晶格组分,从而向周围辐射化学能。摩擦发光消耗的能量90%以上在摩擦表面转化成热能,形成热辐射和热传导。USM定子与转子摩擦或滑动的行为都会引发温度效应和物理效应,改变定子和转子表面层的组织结构。由于定转子实际接触面只局限于少数微凸点上,电机运行时,微凸体上产生高度集中的能量,形成高于整个表面层的闪温。另外定子行波的法向力冲击转子表面时,动能转化成热能,亦会使接触面温升。

  晶体中粒子是紧密排列的。USM的振动行波产生超声频率的交变应力,在向转子传递驱动力的同时,它的交变微动亦在不间断地摧残自身,使用寿命因此大大降低。然而在众多的领域内,USM的优越性能独领风骚,发挥着电磁电机不可替代的作用:如宇宙飞船、人造卫星、机器人、高档照相机以及精密器等。美国已成功将USM应用于火星探测器中。

  电磁电机诞生发展的历史已有一百多年,而超声波电机仅有二十多年的历史。它的性能还不能说尽善尽美,目前摆在广大科研人员面前的主要任务是:提高USM的线性度、稳定度和输出功率,延长其使用寿命。深信不远的未来,USM将会在更广泛的领域得到重用。