行波超声电机摩擦材料寿命预测模型

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1、行波超声电机摩擦材料寿命预测模型田秀，曲建俊(哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001)摘要：超声电机依靠摩擦力来传递力矩，磨损足必然存在的。摩擦材料的磨损严重地影响和制约着超声电机的使用寿命。在转子摩擦材料与定了的动态接触过程中，摩擦材料的磨损是由定子上的波峰一次次包络⋯来的。考虑行波型超声电机定、转子界面质点的运动方程，借助粘弹性接触模型，推导出法向压力分布和定、转子相对滑动速度函数，并引j}j复合材料的硬度关系式，代入Archard经典磨损计算公式，从而建立行波超声电机摩擦材料的寿命预测模型。在建模中，利用行波中位移和时间参数之间的特定关

2、系，来分析定、转子的接触区间大小，并考虑了摩擦材料厚度变化。基丁所建立的模型，利用一种行波犁超声电机的相天数据，模拟迭代出该摩擦材料的寿命预测曲线。结果表明，寿命预测曲线与试验结果基本一致，证明预测模型的合理性。关键词：行波型超声电机；摩擦材料；磨损；寿命预测0引言超声电机是依靠定、转子问的接触摩擦力来驱动转子运动的新型驱动器¨J。摩擦材料的磨损是超声电机运行过程中不可避免的问题，它严重地影响和制约着超声电机的使用寿命。因此，对于超声电机摩擦材料的寿命预测理论研究就显得尤为重要，并受到国内外学者的关注。日本学者lshii提出了[2-51预测驻波

3、超声电机摩擦材料寿命的计算方法。该方法在传统的磨损公式基础上，利用驻波超声电机的定、转f滑动接触模型【6。7J，计算出动态接触力及定、转子的滑差率。哈工大曲建俊和天津大学栗大超进一步改进了这一模型【l'8】。南京航空航天大学研制出超声电机寿命预测实验系统，试验研究了超卢电机的寿命【9。1⋯。然而，行波型超声电机摩擦材料的寿命预测理论研究，鲜见报道。在几种超声电机中，行波型超声电机结构简单，应用较广。建立行波型超声电机摩擦材料的寿命预测模型，可以对整个超声电机系统进行模拟，预测出摩擦材料的寿命，从而为超声电机的设计提供理论指导。本文针对行波型超声

4、电机，在传统磨损模型基础上，分析行波型超卢电机定、转子界面质点的运动特性，借助粘弹性接触模型，推导出法向压力分布和定、转子相对滑动速度函数，建立了摩擦材料寿命预测模型，并考虑摩擦材料厚度的影响，利用Matlab编程方法，模拟达代出行波型超声电机摩擦材料的寿命曲线。1磨损的成因在行波超声电机的结构中，磨损主要表现为转子摩擦材料的磨损。磨损是定子对转子摩擦材料的反复作用造成的。将行波型超卢电机定f沿圆周方向展开，定子弹性体可看作是连续的余弦波面，其波峰与转f摩擦材料接触，而其余并不接触，随着时间的增加，波峰逐渐向前推进，摩擦材料的磨损是由波峰一次次

5、包络出来的(图1)。定子波峰接触并犁削摩擦材料，会使摩擦材料．．348．．在波峰前端产生变形堆积，随着超声电机的运行，摩擦材料被～层一层的磨损，而堆积的磨屑将形成磨粒，对摩擦材料产生磨粒磨损。由以上分析可见，摩擦材料的磨损形式主要包括疲劳剁落、犁削和磨粒磨损，其成因十分复杂。因此，对于摩擦材料的磨损，应从摩擦材料上某一质点的角度来分析。就摩擦材料表面的某一质点Q而言，当Q点位于定子波峰的接触Ⅸ域9,j时，其受力是一个动态压力，且Q点与定子的相对滑动速度也是一个变量；而当Q点在接触区域外时，Q点无磨损。——一h图1摩擦材料磨损成因1．1磨损量计算

6、方法由Archard公式知，一般地，干摩擦条件下，材料的磨损量与法向载荷Ⅳ，滑动距离三成正比，与软材料的硬度见成反比，则超声电机摩擦材料的磨损体积可表示为【ll】V：七坐⋯月。式中，七——无量纲材料磨损常数；卜摩擦材料所受的法向载荷；￡——定子与摩擦材料的相对滑动距离；乜——摩擦材料的硬度。2超声电机接触面建模2．1定子基体界面质点的运动基于Kirchhoff薄板理论，并将行波型超声电机定子沿圆周方向展开，把定子环面的三维问题简化为线接触的二维问题U2]，则定子中性层上理想行波驱动的运动方程为一，仃7-袱j，，)=．4COS(半一COt)(2)

7、以式中，爿——行波振幅；五——行波波长；u——交变电压角频率；舅——空间固定坐标系横坐标；t——振动时间。这里(Z，f)为空间固定坐标系，为了进一步简化方程，再假定一个固定在定子中性层上随波峰移动的参考坐标系@，0，如图2所示。O图2模型的坐标系两坐标系间的转换关系为：j=工+Vwt，其中VW为波速，Ⅵ=2co／2rt，则式(2)简化为．．349．-w(圳：触。f孚1行波超声电机的转子摩擦材料与定子的接触状态如图3所示。假设接触区的左、右接触边界值分别为一K、上，定子齿面到接触层的距离为a，若质点Q在接触区(一K≤X≤L)内，其法向位移、速度、

8、加速度为味加叫等]-Acos(半)㈣‰∽=盟d掣X—sjn(等]㈣＼以／一K0L图3摩擦材料的接触变形啪，=掣：_A02cos(等ax／]㈣一摩擦材料