基于粘弹性接触模型的行波型超声波电动机特性模拟

基于粘弹性摩擦层在定子表面的行波超声波电动机接触模型,利用MATLAB方法,模拟分析了摩擦材料的厚度和弹性模量对电动机特性的影响。分析结果表明,摩擦材料厚度越小,弹性模量越大,电动机的负载特性越好。当摩擦材料的厚度在0．5 mm以下、负载力矩在36 N·mm以上时,界面转换效率值较高。而当磨擦材料的厚度在0.2 mm左右时,界面转换效率有一个最大值。因此,摩擦材料的厚度一般应选择0．2 mm。当摩擦材料的弹性模量大于1．5 GPa时,在较大的负载力矩范围内,电动机的界面转换效率均较高,因此电动机具有较好的驱动能力。这些结果对电动机摩擦材料的选择有一定的理论指导意义。最后将此模型与现今研究较多的柔性转子和刚性定子模型进行了比较。结果表明,以此模型为基础的行波型超声波电动机可以获得较大的输出力矩。     

超声波电动机定子和转子接触状态的数值分析

提出了一个描述行波超声波电动机定子和转子接触的简化模型，用有限元法计算了摩擦材料的弹性模量和动摩擦因数对定子和转子接触状态的影响。建立了在一定接触条件下与定子接触的摩擦材料的变形和其弹性模量的关系。测试了摩擦材料性能对超声电动机堵转力矩的影响。根据数值计算结果和试验确定的摩擦材料性能，得到了更精确的摩擦材料的接触变形范围，为摩擦材料的选择提供了依据。     

粘弹性接触层在定子表面的行波超声电动机接触模型

针对摩擦材料粘贴在定子表面的设计问题,假设转子为刚性体,定子表面摩擦材料为粘弹性材料,提出一种新的行波型超声电动机粘弹性接触模型。在建模中,考虑接触层惯性的影响,引入定子接触层的切向和法向等效质量的概念,并修改接触区域的边界条件。应用牛顿力学定律,推导出接触界面的驱动方程。该模型不仅可以模拟分析定子和转子接触区的法向压力和切向速度分布,模拟计算超声电动机的负载特性和传动效率,而且还可以研究定子和转子接触界面参数对超声电动机输出特性的影响。基于所建立的接触模型,利用Matlab方法,模拟分析一种行波超声电动机的负载特性,并与试验结果进行了比较。结果表明,数值计算的电动机负载特性与试验结果基本一致,证实驱动模型的合理性。     

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。     

轮轨接触界面摩擦管理研究进展

列车向着高速与重载方向迅速发展,显著加剧了轮轨接触界面间的损伤。通过在轮轨接触界面进行摩擦管理能够有效地降低轮轨之间的磨损、显著提高列车的运行安全性以及降低运营成本。对轮轨接触界面摩擦管理研究现状进行综述,并介绍轮轨界面摩擦控制对轮轨作用力、黏着、磨耗、滚动接触疲劳以及振动与噪声影响的研究进展;展望了轮轨接触界面摩擦管理未来研究方向,即应针对不同应用环境和接触部位,研发合理的摩擦控制材料,以克服摩擦管理过程中对轮轨损伤及使用局限性等问题;应探究车轮踏面/轨顶面和轮缘/轨距面摩擦控制方式,严格控制摩擦材料喷涂量使两接触面不相互干扰,优化改进轮轨接触界面摩擦管理的最佳应用参数;应研发环境友好型的轮缘/轨距面润滑剂与车轮踏面/轨顶面摩擦控制剂,稳定调控轮轨接触界面的黏着特性。     

应用超声波与计算机对摩擦副接触状态的实时探测

摩擦副接触状态是确定摩擦特征的基本因素,对摩擦学研究有重要意义。电接触法是过去常用的测试手段。然而,电接触法中,由于接触电阻与接触面积不成比例,不能精确的反映实际接触状态。鉴于电接触法的局限性,作者研究了超声波方法。在过去开展的超声波-电模拟记录法基础上,进行了超声波-计算机数字记录研究。试验结果表明,这种方法比前一种更能细腻的记录瞬态过程,是研究动静摩擦过渡过程的办法。     

喷嘴抗冲蚀磨损研究及梯度模型设计

分析喷嘴冲蚀磨损特点，指出喷嘴的不同部位同时受到不同角度的冲击；磨料颗粒在喷嘴内部加速运动，喷嘴沿长度方向的磨损程度不同，喷嘴人口磨损最严重，出口次之，而中间区域磨损相对较轻。阐述陶瓷喷嘴冲蚀磨损机理，说明陶瓷喷嘴两端承受以高冲击角为主的冲蚀，磨损机理以应力疲劳断裂和脆性断裂为主；喷嘴中部承受低角冲蚀，微切削冲蚀磨损为其主要磨损机理，得到喷嘴磨损属于多冲蚀磨损机理并存的结论。在此基础上，提出均质材料难以适应喷嘴冲蚀磨损特点，不易满足喷嘴高抗冲蚀磨损性能要求的观点。基于梯度功能技术思想首次提出梯度功能喷嘴设计方法，并建立梯度功能喷嘴设计模型。     

2自由度球形行波型超声波电动机的特性计算模型

理论和试验研究2自由度行波型超声波电动机的机械特性计算问题.分析2自由度行波型超声波电动机空间结构关系和定转子接触面的摩擦力.利用空间位置关系,计算得到了行波定子和球转子接触面上任一点的摩擦驱动力和摩擦阻力.根据运动稳定时行波定子轴向力平衡关系,推导给出2自由度球形行波型超声波电动机的特性计算解析式.通过研制的样机进行理论和试验分析,证实计算模型有效性和准确性,并分析各种电动机参数对输出机械特性的影响.研制的样机实现最大堵转转矩达0.10 N·m,空转转速为90 r/min左右.研究工作为下一步球形行波型超声波电动机的设计、优化和控制提供了理论基础.     

超声键合系统接触界面非线性振动

为了提高超声键合换能系统的键合强度,降低换能系统的非线性振动,提高芯片键合的稳定性,本文从超声波在超声键合系统中的传播出发,建立了超声波在接触界面处传播的微观模型.当静应力较小时,由于动应力的作用,动应力幅度大于静应力,两种材料接触界面会发生分离,使输出的超声波不完整,材料内部质点振动位移较小;当静应力逐渐增大时,材料进入弹性变形阶段,输出的超声波波形与输入的超声波的波形一致,质点的振动位移最大;当静应力太大时,材料进入塑性变形区域,由于动应力的加载与卸载,应力与应变存在迟滞性,材料内部存在残余应力与残余应变,材料出现硬化现象,使输出超声波波形发生畸变,材料内部质点的振动位移减小.在倒装键合平台上进行了该模型的键合试验,使用多普勒测振仪,测量得到劈刀末端的振动速度,键合完成后测试了芯片键合强度.试验结果证明了该模型的正确性.     

超声波电动机研制的关键技术

本文从超声波电动机的基本工作原理出发,以行波型超声波电机为例,就超声波电动机的功能材料、结构设计和控制机理等进行了较详细的阐述,并指出了超声波电动机研制技术的关键。     

超声电机接触界面的两种简化有限元模型

用ANSYS的三维点点接触单元,在刚性转子假设条件下,对旋转型行波超声电机接触界面的三维接触状态进行有限元分析。根据行波的特点,给出了时间域、空间域两种简化有限元模型。从有限元分析结果中得到了接触界面的动力输出特性,结果表明两种方法是一致的。空间域模型可以将预压力作为给定条件直接施加,这便于分析预压力对接触界面输出性能的影响;时间域模型则可用于分析接触界面的粘滑现象。空间域模型求解耗费的机时较少,更可以将此模型融入超声电机整机的优化设计。     

宏微超声电机驱动系统辅助电源研制

针对宏微超声电机驱动系统内部电路需求多路相互独立的高稳定精度电压,设计了逻辑链路控制(logical link control,简称LLC)变换器+开关型集成稳压两级结构的多路独立输出稳压电源。采用LLC变换器将220V交流电降压变换为多路输出,主功率用闭环控制实现高精度稳压输出,其他辅助输出用高效开关型MP1584降压稳压电路实现二次稳压输出。用设计的电源、宏微超声电机、宏微驱动器、光栅尺及激光测振仪构建了宏微超声电机驱动控制系统。试验结果证明,本电源解决了传统单级多路输出电源存在的交叉调整率问题,能提供±1%内的稳定电压,整机效率≥80%,且线路简单、体积小,工程设计上易于实现;优化了宏微超声电机驱动控制系统的体积,提高了效率和可靠性。     

直线超声电机柔性夹持元件的设计

设计了一种带有柔性铰链的直线超声电机夹持元件,夹持元件的两边和中间带有圆弧柔性铰链。两边的柔性铰链起弹簧作用,以便施加合适的预压力;中间的柔性铰链能够消除定子装配中的附加应力,减小定子装配对定子振动模态的影响。利用有限元方法分析了柔性铰链的变形量与预压力的关系。实验结果表明,直线超声电机夹框的位移与预压力成线性关系,并与有限元计算结果一致。柔性夹持元件装配的定子没有干扰模态,两相模态一致性好,并具有线性的边界条件。     

行波超声电机理论建模及优化设计的研究进展

超声电机是一个复杂的机电耦合系统,其理论模型是电机设计中的重点和难点。本文对近20年来旋转型行波电机的理论建模进行了较全面总结,提出现今面临的新课题。提出经过子系统分析在状态空间中建立整个系统理论模型的思路,该模型将使超声电机的性能预测更准确更方便,为超声电机的优化设计打下基础。     

过载下超声电机设计及预压力分析

由于超声电机的预压力易受外界干扰而发生变化,为其在受过载时预压力保持基本恒定,基于PMR40型超声电机,设计了一款开槽碟形弹簧(碟簧),作为缓冲件来改进电机结构,并建立了整机冲击动力学模型。在最高冲击加速度为1 000g～5 000g轴向过载下,碟簧对电机预压力的影响进行分析。结果表明:电机在受到最高加速度在1 000g以下时,碟簧对预压力维持作用非常明显,无碟簧和含碟簧结构电机预压力变化率分别为28.1%和10.0%;受冲击加速度在2 000g以上时,碟簧对电机预压力的维持能力有所下降,但其缓冲作用可降低预压力变化,从而使电机工作相对稳定。该研究对适用于过载下超声电机的设计具有指导意义。     

ANSYS在超声电机设计中的应用

介绍了有限元分析软件ANSYS的架构、主要分析功能及其在超声电机设计中的应用。     

考虑界面端应力奇异性的螺栓连接支承面接触压力计算模型

将螺栓连接支承面接触问题简化为集中载荷和力矩耦合作用的有限刚度平头压模接触问题,利用BOGY特征值方程,分析双材料界面端应力奇异性发生的几何条件;依据GLADWELL接触力学理论,构建集中载荷和力矩耦合作用下平头压模接触压力计算模型,利用此模型分析螺栓预紧力、装配间隙和被连接件材料对螺栓连接支承面接触压力分布的影响规律。结果表明：在规定预紧力范围、装配等级和常用被连接件材料下,螺栓连接支承面不会发生退让接触,而界面端部出现明显的应力奇异性,其中预紧力变化对界面端应力奇异性强度影响不明显,但装配间隙和被连接件材料的变化对界面端应力奇异性强度影响显著;当被连接件材料弹性模量大于螺栓材料时,支承面内侧应力奇异性强度大于外侧,反之内侧应力奇异性强度明显小于外侧。此外,以平头压模为算例,采用有限元法验证了构建模型的准确性。     

步进电机智能控制接口电路设计

介绍一种由可编程计数器８２５４组成的步进电机智能控制接口电路，通过该接０ ＣＰＵ只需要几条简单 的控制指令即可实现对步进电机的运行方向、速度和转角大小自动控制，而电机运行时 ＣＰＵ可以用来 处理其他工作。