熱線電話：13916668621
新聞動態(tài)
欄目導(dǎo)航
超聲波電機摩擦和磨損特性探究
電磁電機是利用旋轉(zhuǎn)磁場以非接觸方式驅(qū)動轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)的，超聲波電機則是通過定子與轉(zhuǎn)子的直接摩擦耦合傳遞驅(qū)動力。以目前常用的行波旋轉(zhuǎn)式超聲波電機為例，當(dāng)其定子上的2組壓電陶瓷被同頻異相的高頻交流電激勵時，由于逆壓電效應(yīng)使壓電振子產(chǎn)生超聲振動，定子的中性面則會出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的振動行波。該行波的振動力可以分解為2個力，一個是垂直于轉(zhuǎn)子平面的法向力，一個是與轉(zhuǎn)子表面相切的切向力。定子表面質(zhì)點的切向力與轉(zhuǎn)子相對運動而產(chǎn)生摩擦力，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，輸出力矩和轉(zhuǎn)矩。基于上述工作原理，超聲波電機具備其固有的特性：轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩大、定位精度高、結(jié)構(gòu)簡單、能量密度和轉(zhuǎn)換效率高、無電磁干擾。然而USM獨特的摩擦驅(qū)動方式亦產(chǎn)生難以克服的缺陷，即輸出特性中的非線性和不穩(wěn)定性，尤其在大功率工況下更為嚴(yán)重；另外，相對電磁電機，它的使用壽命亦比較短暫。USM的運行完全倚賴于定子和轉(zhuǎn)子之間的干摩擦，定轉(zhuǎn)子的材料性能、力學(xué)性能、溫度效應(yīng)及摩擦行為直接影響到電機輸出特性中各項指標(biāo)的優(yōu)劣。故有必要對USM構(gòu)件在材料學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)和摩擦學(xué)等學(xué)科范疇內(nèi)進(jìn)行理論探索和研究，揭示其中奧秘，從而最大限度地遏制非線性因素的影響，提升USM的輸出特性。
1干摩擦原理從宏觀上觀測一個已精加工過的機械零件，其表面一般都很光潔、平滑。然而從微觀角度放大仔細(xì)察看，構(gòu)件表面凹凸不平，這是加工過程中材料的彈性變形和塑性變形所為，從而在表面形成大小不一的微凸體。由于微凸體的存在，固體表面之間的接觸是不連續(xù)的，具有離散性。所以實際接觸面積很小。依據(jù)原子結(jié)構(gòu)理論分析，材料表面的結(jié)晶點陣的原子處于極度不穩(wěn)定狀態(tài)，具有很高的活性和表面能，吸附周圍介質(zhì)，因此，精加工過的機械零件表面或多或少存在金屬夾雜物及結(jié)晶格子中其它元素原子。同時殘余應(yīng)力、微觀缺陷亦均會存在，如金屬結(jié)晶中的位錯和空位。
種材料的實際接觸面積很小，當(dāng)接觸面相互壓緊時，微凸體上的壓力很高，足以引起塑性變形和“冷焊”
?。ㄕ持┈F(xiàn)象。滑動摩擦是粘著結(jié)點的形成和剪切交替發(fā)生的躍動過程，摩擦力是粘著點被剪切時克服的阻力，即F=Avh剛性材料上的微凸體在法向負(fù)載的作用下嵌入較軟材料表面，滑動時還會形成犁溝，為滑動摩擦模型。犁溝效應(yīng)產(chǎn)生的阻力亦是摩擦力的組分。尤其在材料溫度較高時，犁溝面積擴展，犁溝阻力不能忽略，因此總的滑動摩擦模型摩擦力為力，s為犁溝面積。
實驗證明：T的數(shù)值與滑動速度相關(guān)聯(lián)，且十分接近摩擦副中軟材料的剪切強度極限，這表明粘著結(jié)點的剪切一般發(fā)生于軟材料內(nèi)部，造成材料遷移的磨損表象。p的數(shù)值決定于軟材料的性質(zhì)。實驗又證明：p值與軟材料的屈服極限成正比。堅硬的凸峰嵌入軟材料的深度伴隨軟材料屈服極限的減小而增加。
2超聲波電機的摩擦磨損機制在一定的預(yù)壓力或負(fù)載下，USM的定轉(zhuǎn)子之間是理想的面接觸，定子切向力產(chǎn)生足夠大的摩擦力，由接觸曲面上的質(zhì)點向轉(zhuǎn)子傳遞動力。摩擦特性直接影響電機的動力特性，鑒于此，定子的比強度和比剛度必須要高；轉(zhuǎn)子材料則要求摩擦因數(shù)較大的柔性材料（相對定子材料）這樣才能產(chǎn)生足夠大的摩擦力，使電機輸出更大的功率。然而任何摩擦都會造成材料的磨損。磨損種類很多，USM主要屬于微動磨損。在預(yù)壓力或負(fù)載作用下，定子和轉(zhuǎn)子的微凸體產(chǎn)生塑性變形和粘著，超聲微幅振動時的切向力使得粘著點被剪切并脫落。定子齒上脫落的磨粒在切向力驅(qū)動下如同刀具一樣在接觸表面高速切削，產(chǎn)生切屑。
松散的磨屑像滾珠或滾柱具有減磨作用，使USM的摩擦因數(shù)明顯下降，輸出功率隨之大大下挫。更為嚴(yán)重的是微動疲勞將使USM萌生裂紋源，并在交變應(yīng)力下，裂紋漸漸向縱深擴展直至斷裂；長時間的微動疲勞也很容易使定子與壓電陶瓷間的凝結(jié)層局部脫落、壓電陶瓷破裂，引起振子振幅減小，輸出力矩下降。
定子振動時的法向力亦鑄就了對轉(zhuǎn)子的沖蝕磨損。轉(zhuǎn)子表面遭受定子材料中的粒子高頻沖擊時，將會發(fā)生彈性或塑性變形。當(dāng)沖擊強度一旦超越轉(zhuǎn)子的屈服強度時，則在其表面產(chǎn)生壓痕坑，部分材料被擠壓到凹坑周圍，形成凸起邊緣，產(chǎn)生材料堆積。在壓痕坑附近的亞表層中同時形成應(yīng)變層，漸進(jìn)過程中萌生裂紋源和位錯等缺陷。
綜上所述，USM定子和轉(zhuǎn)子表面的微凸體一是精加工所遺留，二是電機運行時法向力沖蝕磨損所致。
3超聲波電機堵轉(zhuǎn)時的摩擦磨損特性超聲波電機的犁溝效應(yīng)USM堵轉(zhuǎn)瞬間，即轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)動進(jìn)入靜止的臨界平衡狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子表面承受的摩擦力達(dá)到最大值，定子以超聲頻率高速切削和擠壓轉(zhuǎn)子表面質(zhì)點。堵轉(zhuǎn)時電機快速升溫，材料的塑性指標(biāo)亦隨之提高，定子嵌入轉(zhuǎn)子面較深，犁溝面積擴展，犁溝效應(yīng)凸現(xiàn)。根據(jù)Hertzian的接觸模型，把行波狀態(tài)下定子的半個波長視為圓柱體，轉(zhuǎn)子等效為L寬、無限長的平板。電機發(fā)生堵轉(zhuǎn)，定子在屈服極限較低的轉(zhuǎn)子上滑動，轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生犁溝柔性轉(zhuǎn)子面的犁溝效應(yīng)隨著溫度升高越發(fā)明顯。為USM堵轉(zhuǎn)時的犁溝效應(yīng)，犁溝阻力為服壓力。
其中S為犁溝深度，由于定子寬度大于轉(zhuǎn)子，因此A2的長即為轉(zhuǎn)子寬度L定子上的預(yù)壓力為F其中R為行波狀態(tài)下定子圓柱體的半徑。
則犁溝時摩擦因數(shù)為根據(jù)分析，微面積為d4=LRd9dA上的粘著力為dF定子上的預(yù)壓力又為Fn=LS2R-S粘著部分摩擦因數(shù)為則USM堵轉(zhuǎn)時總的摩擦因數(shù)為犁溝阻力為Ff則USM堵轉(zhuǎn)時總的摩擦阻力為犁溝阻力與粘著阻力之和，即粘著阻力與ST關(guān)；式（3）說明粘著摩擦因數(shù)與S無關(guān)。從式（5）可以看出，在一定的預(yù)壓力下，USM堵轉(zhuǎn)時的犁溝深度決定其摩擦力的數(shù)值。USM堵轉(zhuǎn)時摩擦力很大，法向沖擊能量亦相當(dāng)可觀，可以清晰地聽到定子和轉(zhuǎn)子的激烈碰撞聲。因此，此時材料的沖蝕率居于高位，輕則僅對其表面嚴(yán)重磨損，重則定轉(zhuǎn)子或壓電陶瓷發(fā)生破裂，造成輸出特性嚴(yán)重惡化，甚至無法使用。
4摩擦的溫度效應(yīng)金屬材料屬于晶體范疇，因此它具有晶體的一般特性，即材料通過表面摩擦產(chǎn)生強烈的晶格振動，激發(fā)晶格原子而引起光子和電子輻射，形成摩擦發(fā)光。它在界面產(chǎn)生電場放電，或在機械激發(fā)下通過晶體振動離散晶格組分，從而向周圍輻射化學(xué)能。摩擦發(fā)光消耗的能量90%以上在摩擦表面轉(zhuǎn)化成熱能，形成熱輻射和熱傳導(dǎo)。USM定子與轉(zhuǎn)子摩擦或滑動的行為都會引發(fā)溫度效應(yīng)和物理效應(yīng)，改變定子和轉(zhuǎn)子表面層的組織結(jié)構(gòu)。由于定轉(zhuǎn)子實際接觸面只局限于少數(shù)微凸點上，電機運行時，微凸體上產(chǎn)生高度集中的能量，形成高于整個表面層的閃溫。另外定子行波的法向力沖擊轉(zhuǎn)子表面時，動能轉(zhuǎn)化成熱能，亦會使接觸面溫升。
晶體中粒子是緊密排列的。USM的振動行波產(chǎn)生超聲頻率的交變應(yīng)力，在向轉(zhuǎn)子傳遞驅(qū)動力的同時，它的交變微動亦在不間斷地摧殘自身，使用壽命因此大大降低。然而在眾多的領(lǐng)域內(nèi)，USM的優(yōu)越性能獨領(lǐng)風(fēng)騷，發(fā)揮著電磁電機不可替代的作用：如宇宙飛船、人造衛(wèi)星、機器人、高檔照相機以及精密器等。美國已成功將USM應(yīng)用于火星探測器中。
電磁電機誕生發(fā)展的歷史已有一百多年，而超聲波電機僅有二十多年的歷史。它的性能還不能說盡善盡美，目前擺在廣大科研人員面前的主要任務(wù)是：提高USM的線性度、穩(wěn)定度和輸出功率，延長其使用壽命。深信不遠(yuǎn)的未來，USM將會在更廣泛的領(lǐng)域得到重用。
1干摩擦原理從宏觀上觀測一個已精加工過的機械零件，其表面一般都很光潔、平滑。然而從微觀角度放大仔細(xì)察看，構(gòu)件表面凹凸不平，這是加工過程中材料的彈性變形和塑性變形所為，從而在表面形成大小不一的微凸體。由于微凸體的存在，固體表面之間的接觸是不連續(xù)的，具有離散性。所以實際接觸面積很小。依據(jù)原子結(jié)構(gòu)理論分析，材料表面的結(jié)晶點陣的原子處于極度不穩(wěn)定狀態(tài)，具有很高的活性和表面能，吸附周圍介質(zhì)，因此，精加工過的機械零件表面或多或少存在金屬夾雜物及結(jié)晶格子中其它元素原子。同時殘余應(yīng)力、微觀缺陷亦均會存在，如金屬結(jié)晶中的位錯和空位。
種材料的實際接觸面積很小，當(dāng)接觸面相互壓緊時，微凸體上的壓力很高，足以引起塑性變形和“冷焊”
?。ㄕ持┈F(xiàn)象。滑動摩擦是粘著結(jié)點的形成和剪切交替發(fā)生的躍動過程，摩擦力是粘著點被剪切時克服的阻力，即F=Avh剛性材料上的微凸體在法向負(fù)載的作用下嵌入較軟材料表面，滑動時還會形成犁溝，為滑動摩擦模型。犁溝效應(yīng)產(chǎn)生的阻力亦是摩擦力的組分。尤其在材料溫度較高時，犁溝面積擴展，犁溝阻力不能忽略，因此總的滑動摩擦模型摩擦力為力，s為犁溝面積。
實驗證明：T的數(shù)值與滑動速度相關(guān)聯(lián)，且十分接近摩擦副中軟材料的剪切強度極限，這表明粘著結(jié)點的剪切一般發(fā)生于軟材料內(nèi)部，造成材料遷移的磨損表象。p的數(shù)值決定于軟材料的性質(zhì)。實驗又證明：p值與軟材料的屈服極限成正比。堅硬的凸峰嵌入軟材料的深度伴隨軟材料屈服極限的減小而增加。
2超聲波電機的摩擦磨損機制在一定的預(yù)壓力或負(fù)載下，USM的定轉(zhuǎn)子之間是理想的面接觸，定子切向力產(chǎn)生足夠大的摩擦力，由接觸曲面上的質(zhì)點向轉(zhuǎn)子傳遞動力。摩擦特性直接影響電機的動力特性，鑒于此，定子的比強度和比剛度必須要高；轉(zhuǎn)子材料則要求摩擦因數(shù)較大的柔性材料（相對定子材料）這樣才能產(chǎn)生足夠大的摩擦力，使電機輸出更大的功率。然而任何摩擦都會造成材料的磨損。磨損種類很多，USM主要屬于微動磨損。在預(yù)壓力或負(fù)載作用下，定子和轉(zhuǎn)子的微凸體產(chǎn)生塑性變形和粘著，超聲微幅振動時的切向力使得粘著點被剪切并脫落。定子齒上脫落的磨粒在切向力驅(qū)動下如同刀具一樣在接觸表面高速切削，產(chǎn)生切屑。
松散的磨屑像滾珠或滾柱具有減磨作用，使USM的摩擦因數(shù)明顯下降，輸出功率隨之大大下挫。更為嚴(yán)重的是微動疲勞將使USM萌生裂紋源，并在交變應(yīng)力下，裂紋漸漸向縱深擴展直至斷裂；長時間的微動疲勞也很容易使定子與壓電陶瓷間的凝結(jié)層局部脫落、壓電陶瓷破裂，引起振子振幅減小，輸出力矩下降。
定子振動時的法向力亦鑄就了對轉(zhuǎn)子的沖蝕磨損。轉(zhuǎn)子表面遭受定子材料中的粒子高頻沖擊時，將會發(fā)生彈性或塑性變形。當(dāng)沖擊強度一旦超越轉(zhuǎn)子的屈服強度時，則在其表面產(chǎn)生壓痕坑，部分材料被擠壓到凹坑周圍，形成凸起邊緣，產(chǎn)生材料堆積。在壓痕坑附近的亞表層中同時形成應(yīng)變層，漸進(jìn)過程中萌生裂紋源和位錯等缺陷。
綜上所述，USM定子和轉(zhuǎn)子表面的微凸體一是精加工所遺留，二是電機運行時法向力沖蝕磨損所致。
3超聲波電機堵轉(zhuǎn)時的摩擦磨損特性超聲波電機的犁溝效應(yīng)USM堵轉(zhuǎn)瞬間，即轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)動進(jìn)入靜止的臨界平衡狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子表面承受的摩擦力達(dá)到最大值，定子以超聲頻率高速切削和擠壓轉(zhuǎn)子表面質(zhì)點。堵轉(zhuǎn)時電機快速升溫，材料的塑性指標(biāo)亦隨之提高，定子嵌入轉(zhuǎn)子面較深，犁溝面積擴展，犁溝效應(yīng)凸現(xiàn)。根據(jù)Hertzian的接觸模型，把行波狀態(tài)下定子的半個波長視為圓柱體，轉(zhuǎn)子等效為L寬、無限長的平板。電機發(fā)生堵轉(zhuǎn)，定子在屈服極限較低的轉(zhuǎn)子上滑動，轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生犁溝柔性轉(zhuǎn)子面的犁溝效應(yīng)隨著溫度升高越發(fā)明顯。為USM堵轉(zhuǎn)時的犁溝效應(yīng)，犁溝阻力為服壓力。
其中S為犁溝深度，由于定子寬度大于轉(zhuǎn)子，因此A2的長即為轉(zhuǎn)子寬度L定子上的預(yù)壓力為F其中R為行波狀態(tài)下定子圓柱體的半徑。
則犁溝時摩擦因數(shù)為根據(jù)分析，微面積為d4=LRd9dA上的粘著力為dF定子上的預(yù)壓力又為Fn=LS2R-S粘著部分摩擦因數(shù)為則USM堵轉(zhuǎn)時總的摩擦因數(shù)為犁溝阻力為Ff則USM堵轉(zhuǎn)時總的摩擦阻力為犁溝阻力與粘著阻力之和，即粘著阻力與ST關(guān)；式（3）說明粘著摩擦因數(shù)與S無關(guān)。從式（5）可以看出，在一定的預(yù)壓力下，USM堵轉(zhuǎn)時的犁溝深度決定其摩擦力的數(shù)值。USM堵轉(zhuǎn)時摩擦力很大，法向沖擊能量亦相當(dāng)可觀，可以清晰地聽到定子和轉(zhuǎn)子的激烈碰撞聲。因此，此時材料的沖蝕率居于高位，輕則僅對其表面嚴(yán)重磨損，重則定轉(zhuǎn)子或壓電陶瓷發(fā)生破裂，造成輸出特性嚴(yán)重惡化，甚至無法使用。
4摩擦的溫度效應(yīng)金屬材料屬于晶體范疇，因此它具有晶體的一般特性，即材料通過表面摩擦產(chǎn)生強烈的晶格振動，激發(fā)晶格原子而引起光子和電子輻射，形成摩擦發(fā)光。它在界面產(chǎn)生電場放電，或在機械激發(fā)下通過晶體振動離散晶格組分，從而向周圍輻射化學(xué)能。摩擦發(fā)光消耗的能量90%以上在摩擦表面轉(zhuǎn)化成熱能，形成熱輻射和熱傳導(dǎo)。USM定子與轉(zhuǎn)子摩擦或滑動的行為都會引發(fā)溫度效應(yīng)和物理效應(yīng)，改變定子和轉(zhuǎn)子表面層的組織結(jié)構(gòu)。由于定轉(zhuǎn)子實際接觸面只局限于少數(shù)微凸點上，電機運行時，微凸體上產(chǎn)生高度集中的能量，形成高于整個表面層的閃溫。另外定子行波的法向力沖擊轉(zhuǎn)子表面時，動能轉(zhuǎn)化成熱能，亦會使接觸面溫升。
晶體中粒子是緊密排列的。USM的振動行波產(chǎn)生超聲頻率的交變應(yīng)力，在向轉(zhuǎn)子傳遞驅(qū)動力的同時，它的交變微動亦在不間斷地摧殘自身，使用壽命因此大大降低。然而在眾多的領(lǐng)域內(nèi)，USM的優(yōu)越性能獨領(lǐng)風(fēng)騷，發(fā)揮著電磁電機不可替代的作用：如宇宙飛船、人造衛(wèi)星、機器人、高檔照相機以及精密器等。美國已成功將USM應(yīng)用于火星探測器中。
電磁電機誕生發(fā)展的歷史已有一百多年，而超聲波電機僅有二十多年的歷史。它的性能還不能說盡善盡美，目前擺在廣大科研人員面前的主要任務(wù)是：提高USM的線性度、穩(wěn)定度和輸出功率，延長其使用壽命。深信不遠(yuǎn)的未來，USM將會在更廣泛的領(lǐng)域得到重用。