行波超声电机定、转子接触状态试验分析

行波超声电机的接触模型是建立在定、转子是光滑接触表面的假设上,而实际中定、转子的接触面是粗糙的.针对这一问题,通过试验研究行波超声电机定子表面摩擦层在预压力下的变形规律;利用Polytec公司PSV-300F-B型高频扫描激光测振系统测试工作状态下的定子振动的频率、幅值和速度随预压力变化的规律;并利用电接触法测试定、转子的接触状态.试验结果表明,Ф60行波超声电机的预压力在100 N以上,此时摩擦层的变形量同自由定子(未加上转子)的振幅在同一个数量级上;在预压力下定子的振动幅值和速度大幅下降;工作中定、转子不会产生脱离.这说明传统的接触模型不能够正确地反映定、转子的接触状态.     

高速冷轧机辊系非线性动力学模型及控制参数优化

综合运用轧制过程动态轧制力模型、轧机系统分段非线性弹性力模型和分段非线性摩擦力模型,建立了考虑非线性因素耦合的高速冷轧机辊系动力学模型,采用平均法求解幅频响应方程,研究了轧机系统主要参数对轧机垂直振动的影响。分析结果表明：动态轧制力一次项刚度越小,轧机系统固有频率越大;动态轧制力三次项刚度不为零时,轧机系统出现明显跳跃现象;非线性弹性力起主导作用时,易发生跳跃现象;非线性摩擦力越大,轧机系统振动幅值越小,分段特性减弱;外扰力幅值越大,振动幅值越大,振动越剧烈;线性阻尼越大,振动幅值越小且减小幅度越缓慢。     

旋转行波型超声电机定子的非线性动力学分析

超声电机作为一种新型电机,独特的性能使其在如太空探索、精密仪器等一些特殊领域有着广阔的应用前景。然而,超声电机的强机电耦合非线性特性使其在工作过程中往往会产生频率漂移、跳跃等非线性现象,从而影响电机工作的稳定性。用四阶Runge-Kutta法、Lyapunov指数、Poincaré截面等方法获得了旋转行波超声电机定子在单相激励下的非线性振动响应特性,研究了定子振动响应的Hopf分岔以及由Hopf分岔通向周期解的变化过程,该结果对进一步改善行波型超声电机输出特性的研究具有一定的参考意义。     

定子齿结构TRUM离散化动力学分析方法

基于目前行波型旋转超声电机定转子非线性接触动力学理论研究的复杂性,提出一种简易求解的界面离散化动力学分析方法。首先,着眼于定子齿的离散分布特性,化定转子齿面接触为离散点接触,在定子齿与转子的不同接触状态下,通过引入等效刚度的概念,对定子齿与转子间的轴向作用力进行求解,从而获得定转子的离散等效作用力,确立定转子的相对运动关系;然后,从离散接触点的三维运动特性出发,分析接触过程中的径向和周向摩擦力,从而研究输出机械特性和界面能耗;最后,通过仿真和实验,验证了该方法对接触界面动力学的准确描述。     

环形超声电机定子的振动模态与谐响应分析

振动模态分析和谐响应分析是超声电机优化设计的重要步骤。基于本实验室提出的压电定子和压电转子振型嵌合式环形超声电机,利用有限元软件Ansys10.0建立了直径为60 mm的环形超声定子的模型,并对此电机定子进行模态分析以及谐响应分析,得出了定子的固有频率和振型以及理论振幅值,特别阐述了此电机定子最优振动模态的选择。同时利用Agilent 35670A对制作的电机定子进行扫频测试,结果表明:分析结果与实测结果基本接近。研究结论为超声电机的优化设计提供了理论依据。     

超声电机中的非线性现象研究

研究了非线性现象对超声电机运行的平稳性、可靠性的影响，分析了超声电机在强电场作用下压电陶瓷材料特性的非线性现象、温度变化引起压电陶瓷特性的非线性现象和定子转子接触的非线性现象，以及驱动电路中的非线性现象等。在试验的基础上，定性分析了这些非线性现象影响电机性能的机理，从而提出控制这些非线性现象的建议，为进一步提高超声电机稳定性和可靠性建立了理论基础。     

电机铁心定、转子片冲压复合模具工艺设计

针对电机铁心的结构,分析电机定、转子片冲压工艺特点,对电机定、转子片传统的“一落三”冲压工艺进行了改进.排除了铁心绕嵌线压入机座后,机壳对铁心外圆挤压使定子片间移动,使绕组损坏造成短路的现象.保证了定子铁心内外圆同轴度技术要求,提高了电机的装配质量.     

光阑用螺纹式超声电机

研制了一种新型螺纹式空心超声电机,用于驱动光阑并控制和调节光束。由于光阑仅需有限角度转动,故采取螺纹方式连接超声电机定子和转子来施加轴向预压力和实现转子周向运动的耦合。电机仅由转子、定子和底座组成;其中转子与光阑定圈固定,实现了与光阑的一体化设计。运用有限元软件对定子进行了模态分析,选定工作频率为38.26kHz。受可加工螺纹螺距尺寸的限制,电机轴向运动使电机预压力变化较大,电机转动角度小,不能驱动光阑完成闭合或开启,故对转子进行了柔性化设计。仿真实验表明,在转动90°范围内,定、转子预压力变化在27%之内。试验研究表明:设计的电机定子振动特性良好,干扰模态距工作模态5kHz以上;阻抗值变化不超过10%。得到的结果验证了预压力变化对电机影响小;电机驱动光阑开启时间为5s,闭合时间为4.4s,开启、闭合直径与电机运行时间呈线性关系。该空心电机满足了光阑调节需求,具有结构简单、零部件少等特点。     

一种新型杆式行波型超声电机的研究

以提高新型杆式超声电机转速、负载能力和能量转换效率为目标 ,对电机定子、转子的结构和接触模型进行了研究。以有限元分析计算为基础提出了新的电机定子结构 ,使定子在定子、转子接触面处的振幅加大 ;提出并应用了柔性转子的概念 ,使定子、转子在接触面上的径向相对滑动大为减小。用实验方法对电机机械性能进行了测试和分析 ,得出电机定子 (兰杰文振子 )的预压力以 2 0 0 0N左右为佳 ,定、转子间最佳的预压力 35N。实测工作频率为 38.7kHz时 ,无负载转速为 2 2 5r/min ,堵转力矩为 4 2N·m ,达到了设计要求     

叶尖碰摩诱发的转子系统振动响应数值分析与试验研究

针对透平机械中叶尖碰摩诱发的转子系统振动问题,基于转子-叶片-定子耦合系统模型,通过对叶尖碰摩过程的数学表征,采用谐波平衡法和Newmark-β法,分别对转定子的稳态响应和瞬态响应进行数值计算,并分析了不同参数对系统振动响应的影响。通过分析发现,叶尖碰摩下的转定子稳态响应会呈现出“硬式”非线性特征;偏移量增加会导致峰值偏移提前,非线性特征更明显;接触刚度增加使得系统的振动加剧,并且离散性增加;叶片数增加后,“削峰”现象更加明显。由于定子的约束,系统的瞬态响应峰值明显被限制了,同时,在过临界转速后,系统会出现一个不稳定运动,使得系统振动出现瞬时增加。除了仿真分析,还基于转子-叶片碰摩试验台,对叶尖单侧碰摩下的转子和定子振动位移进行了测试。从测试结果可知,转轴的振动响应也会体现叶片的振动特征,而从定子的振动响应中可以看出由于转子涡动导致的频率调制现象。     

超声波电机驱动接触面的润滑和效率

为了提高复合振动体型超声波电机的效率，利用润滑剂在动压下混合润滑的特点，试制了与润滑摩擦驱动相适应的新型转子和定子．检测和分析了油膜的形成，转子、定子间的相对变位和扭转振动速度的关系以及电气-机械变换效率、转速、扭矩等。实验结果表明，干磨擦驱动时的电机效率为40％左右，注润滑油润滑驱动时，电机效率可以达到70％。     

行波型超声波电动机摩擦材料的寿命预测模型

针对转子摩擦材料与定子的动态接触过程,提出摩擦材料的磨损是由定子上的波峰一次次包络而产生。借助行波型超声波电动机定子和转子的粘弹性接触模型,推导出法向压力分布和定子与转子相对滑动速度函数,代入Archard经典磨损计算公式,建立了行波型超声波电动机摩擦材料的磨损寿命预测模型。在建模中,利用了行波中位移和时间参数之间的特定关系,分析定子和转子的接触区间大小,并考虑摩擦材料厚度变化。基于所建立的模型,模拟迭代出一种行波型超声波电动机的摩擦材料磨损寿命预测曲线。结果表明,磨损寿命预测曲线与试验结果相一致,证实了预测模型的合理性。     

Coupled bending and torsional vibration of a rotor system with nonlinear friction

Unacceptable vibrations induced by the nonlinear friction in a rotor system seriously affect the health and reliability of the rotating machinery. To find out the basic excitation mechanism and characteristics of the vibrations, a coupled bending and torsional nonlinear dynamic model of rotor system with nonlinear friction is presented. The dynamic friction characteristic is described with a Stribeck curve, which generates nonlinear friction related to relative velocity. The motion equations of unbalance rotor system are established by the Lagrangian approach. Through numerical calculation, the coupled vibration characteristics of a rotor system under nonlinear friction are well investigated. The influence of main system parameters on the behaviors of the system is discussed. The bifurcation diagrams, waterfall plots, the times series, orbit trails, phase plane portraits and Poincaré maps are obtained to analyze dynamic characteristics of the rotor system and the results reveal multiform complex nonlinear dynamic responses of rotor system under rubbing. These analysis results of the present paper can effectively provide a theoretical reference for structural design of rotor systems and be used to diagnose selfexcited vibration faults in this kind of rotor systems. The present research could contribute to further understanding on the self-excited vibration and the bending and torsional coupling vibration of the rotor systems with Stribeck friction model.     

Motion of a rotor at an elastically anchored stator

A universal multiparametric model of a Jeffcott rotor is presented. The model takes account of stator jamming and vibration, rotor slip at the stator, and noncoaxiality of the rotor and stator. The proposed model is used to determine typical trajectories and motion of the rotor and stator and also to identify the critical values of their noncoaxiality and mutual friction at which the vibrational characteristics of the rotor-stator system sharply deteriorate.     

基于能量等效的行波型超声波电动机解析模型

提出一种基于能量等效的行波型超声波电动机稳态特性分析计算的解析模型.首先通过能量等效原则将压电复合定子环简化成复合等直梁模型,综合考虑压电复合定子的转动惯量和剪切变形的影响,利用铁木辛柯梁振动理论得到电动机定子振动的频率方程和强迫振动稳态解:其次,对电动机定、转子接触面的滑动状况进行分析,利用弹性接触理论确定了定、转子接触面的力传递模型和效率表达式,通过把定、转子接触面的摩擦损耗和转子的输出功率视为定子强迫振动的等效阻尼损失,由此建立电动机的机械特性和输出功率表达式;最后,仿真和试验分析了不同电动机结构和材料参数以及定子预压力、驱动频率和摩擦层厚度等对电动机振动特性和机械特性的影响,试验证明了该模型的有效性和适用范围.     

The partial and full rubbing of a flywheel rotor–bearing–stop system

The forced nonlinear vibration of a rotor rubbing with motion-limiting stops is investigated by means of numerical method. In the dynamic analysis, the large vibration of the multiple-degree-of-freedom rigid rotor is excited not only by the unbalance force but also by a harmonic excitation force as the simulation of low frequency disturbance and thus causes the rubbing between the inner wall of the hollow rotor and the stop which locates in the rotor. The simple Coulomb friction model and piecewise linear spring model are used to describe the contact between the rotating rotor and the stationary stop. The rotor to stop collision and rub happens occasionally on certain conditions. The forced vibration may become chaotic like when the collision and rubbing occurs. The stable partial rubbing motion shows that the stop is able to limit the vibration amplitude of the rotor which whirls violently at low frequency. With the increase of the amplitudes of the excitation, the partial rubbing will expand to full rubbing in which the rotor keeps contact with the stop. The full rubbing is periodic or quasi-periodic. It is supposed that the stop loses effectiveness when the full rubbing happens. The full rubbing takes place earlier as the friction factor becomes larger, and consequently the disturbance scope in which the stop works effectively becomes smaller.     

间隙环流中同心涡动转子动特性的研究

考虑轴向流动因素的影响，采用紊流整体流动模型和Moody壁面摩擦系数方程，建立间隙环流3D非线性微分方程，运用摄动法和线性振动理论分析求解间隙环流中同心涡动转子动特性系数。实例计算结果表明，间隙环流中同心涡动转子动特性系数与间隙的大于有关，同时分析轴向压差、壁面粗糙度、长径比及入口预旋等参数对大、小间隙环流中同心涡动转子的动特性系数的影响。     

超声电机定子和转子接触微观表面分析和形貌模拟

研究了行波超声电机定、转子接触表面的摩擦特性,测试了摩擦副表面的粗糙度、功率谱函数和分形维,利用分形几何模拟了摩擦层表面的表面形貌.研究表明,摩擦材料层表面特性对电机的运行特性的影响不能忽视;相对于摩擦材料铜表面是光滑的.研究有助于分析超声电机定、转子接触表面的微观力学特性,建立超声电机的接触模型.