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超聲波電機摩擦和磨損特性探究沈申生1華亮12
1970年01月01日 08:00 工控產業網

  電磁電機是利用旋轉磁場以非接觸方式驅動轉子運轉的,超聲波電機則是通過定子與轉子的直接摩擦耦合傳遞驅動力。以目前常用的行波旋轉式超聲波電機為例,當其定子上的2組壓電陶瓷被同頻異相的高頻交流電激勵時,由于逆壓電效應使壓電振子產生超聲振動,定子的中性面則會出現旋轉的振動行波。該行波的振動力可以分解為2個力,一個是垂直于轉子平面的法向力,一個是與轉子表面相切的切向力。定子表面質點的切向力與轉子相對運動而產生摩擦力,驅動轉子旋轉,輸出力矩和轉矩。基于上述工作原理,超聲波電機具備其固有的特性:轉速低轉矩大、定位精度高、結構簡單、能量密度和轉換效率高、無電磁干擾。然而USM的摩擦驅動方式亦產生難以克服的缺陷,即輸出特性中的非線性和不穩定性,尤其在大功率工況下更為嚴重;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子之間的干摩擦,定轉子的材料性能、力學性能、溫度效應及摩擦行為直接影響到電機輸出特性中各項指標的優劣。故有必要對USM構件在材料學、力學、熱學和摩擦學等學科范疇內進行理論探索和研究,揭示其中奧秘,從而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察看,構件表面凹凸不平,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的,具有離散性。所以實際接觸面積很小。依據原子結構理論分析,材料表面的結晶點陣的原子處于極度不穩定狀態,具有很高的活性和表面能,吸附周圍介質,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晶格子中其它元素原子。同時殘余應力、微觀缺陷亦均會存在,如金屬結晶中的位錯和空位。

  種材料的實際接觸面積很小,當接觸面相互壓緊時,微凸體上的壓力很高,足以引起塑性變形和“冷焊”

  (粘著)現象。滑動摩擦是粘著結點的形成和剪切交替發生的躍動過程,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。犁溝效應產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的數值與滑動速度相關聯,且十分接近摩擦副中軟材料的剪切強度極限,這表明粘著結點的剪切一般發生于軟材料內部,造成材料遷移的磨損表象。p的數值決定于軟材料的性質。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壓力或負載下,USM的定轉子之間是理想的面接觸,定子切向力產生足夠大的摩擦力,由接觸曲面上的質點向轉子傳遞動力。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;轉子材料則要求摩擦因數較大的柔性材料(相對定子材料)這樣才能產生足夠大的摩擦力,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。在預壓力或負載作用下,定子和轉子的微凸體產生塑性變形和粘著,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動下如同刀具一樣在接觸表面高速切削,產生切屑。

  松散的磨屑像滾珠或滾柱具有減磨作用,使USM的摩擦因數明顯下降,輸出功率隨之大大下挫。更為嚴重的是微動疲勞將使USM萌生裂紋源,并在交變應力下,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子的沖蝕磨損。轉子表面遭受定子材料中的粒子高頻沖擊時,將會發生彈性或塑性變形。當沖擊強度一旦超越轉子的屈服強度時,則在其表面產生壓痕坑,部分材料被擠壓到凹坑周圍,形成凸起邊緣,產生材料堆積。在壓痕坑附近的亞表層中同時形成應變層,漸進過程中萌生裂紋源和位錯等缺陷。

  綜上所述,USM定子和轉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超聲波電機堵轉時的摩擦磨損特性超聲波電機的犁溝效應USM堵轉瞬間,即轉子由轉動進入靜止的臨界平衡狀態時,轉子表面承受的摩擦力達到大值,定子以超聲頻率高速切削和擠壓轉子表面質點。堵轉時電機快速升溫,材料的塑性指標亦隨之提高,定子嵌入轉子面較深,犁溝面積擴展,犁溝效應凸現。根據Hertzian的接觸模型,把行波狀態下定子的半個波長視為圓柱體,轉子等效為L寬、無限長的平板。電機發生堵轉,定子在屈服極限較低的轉子上滑動,轉子表面產生犁溝柔性轉子面的犁溝效應隨著溫度升高越發明顯。為USM堵轉時的犁溝效應,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子,因此A2的長即為轉子寬度L定子上的預壓力為F其中R為行波狀態下定子圓柱體的半徑。

  則犁溝時摩擦因數為根據分析,微面積為d4=LRd9dA上的粘著力為dF定子上的預壓力又為Fn=LS2R-S粘著部分摩擦因數為則USM堵轉時總的摩擦因數為犁溝阻力為Ff則USM堵轉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;式(3)說明粘著摩擦因數與S無關。從式(5)可以看出,在一定的預壓力下,USM堵轉時的犁溝深度決定其摩擦力的數值。USM堵轉時摩擦力很大,法向沖擊能量亦相當可觀,可以清晰地聽到定子和轉子的激烈碰撞聲。因此,此時材料的沖蝕率居于高位,輕則僅對其表面嚴重磨損,重則定轉子或壓電陶瓷發生破裂,造成輸出特性嚴重惡化,甚至無法使用。

  4摩擦的溫度效應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生強烈的晶格振動,激發晶格原子而引起光子和電子輻射,形成摩擦發光。它在界面產生電場放電,或在機械激發下通過晶體振動離散晶格組分,從而向周圍輻射化學能。摩擦發光消耗的能量90以上在摩擦表面轉化成熱能,形成熱輻射和熱傳導。USM定子與轉子摩擦或滑動的行為都會引發溫度效應和物理效應,改變定子和轉子表面層的組織結構。由于定轉子實際接觸面只局限于少數微凸點上,電機運行時,微凸體上產生高度集中的能量,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子表面時,動能轉化成熱能,亦會使接觸面溫升。

  晶體中粒子是緊密排列的。USM的振動行波產生超聲頻率的交變應力,在向轉子傳遞驅動力的同時,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。然而在眾多的領域內,USM的優越性能獨領風騷,發揮著電磁電機不可替代的作用:如宇宙飛船、人造衛星、機器人、高檔照相機以及精密器等。美國已成功將USM應用于火星探測器中。

  電磁電機誕生發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是:提高USM的線性度、穩定度和輸出功率,延長其使用壽命。深信不遠的未來,USM將會在更廣泛的領域得到重用。

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