面向真空低温下超声波电机的振动摩擦与悬浮特性研究

论文摘要

高频振动存在于许多机械系统中,通常它是不希望存在的。然而,在超声波电机中,高频振动得到了恰当的应用。超声波电机是20世纪90年代发展起来的一种新型驱动器,其工作原理是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声波振动,通过摩擦进行能量传输。基于其独特的工作原理,超声波电机被认为是适合太空环境的理想驱动器。然而,超声波电机在真空低温等极端环境的适应性以及摩擦驱动机理的研究较少,制约了超声波电机在航空航天领域的应用。因此,本文针对以上问题,进行了系统的研究。在真空低温环境下,研究了超声波电机的驱动特性。以60行波型超声波电机为研究对象,设计了超声波电机驱动特性模拟实验台,实验研究了不同真空度和环境温度下,超声波电机的负载特性、转速稳定性、定子摩擦材料的磨损等。从超声波电机的结构组成和超声波振动减摩的角度,对真空低温下超声波电机的驱动特性进行了初步分析。提出了真空低温下超声波电机摩擦驱动机理的研究方法。为了揭示真空低温下超声波电机的摩擦驱动机理,将电机定转子之间的椭圆形超声波振动,分解成水平方向的超声波振动和垂直方向的超声波振动,分别建立了普通滑动下,水平超声波振动和垂直超声波振动的减摩模型。指出,普通滑动下,水平超声波振动的减摩越大、垂直超声波振动的减摩越小,相同超声波振动条件下,超声波电机的输出转矩越高。分析了水平超声波振动和垂直超声波振动对摩擦材料磨损的影响。针对超声波振动减摩实验研究的需要,设计了真空低温超声波振动摩擦实验台。该实验台主要由超声波振动部分、滑动驱动部分、压力加载部分、摩擦力测量部分、降温部分和机械支撑部分等六部分组成,为研究真空低温下超声波电机的摩擦驱动特性提供了可靠的实验平台。在真空低温环境下,实验研究了超声波振动的减摩特性,并与理论预测结果进行了比较。得出了水平超声波振动的减摩特性和垂直超声波振动的减摩特性随影响因素的变化规律,从摩擦的角度,揭示了真空低温下超声波电机驱动特性改变的原因。从提高超声波电机的转矩输出和稳定性的角度,归纳了降低超声波电机中超声减摩作用的措施。在常压与真空下,实验研究了超声波振动对定转子摩擦副材料磨损特性的影响。对比分析了不同超声波振动形式下、不同摩擦副组合以及常压与真空下,定转子摩擦副材料的磨损特性,得出了超声波振动条件下,材料的磨损机理。利用电接触法,研究了垂直超声波振动下两接触表面的接触状态。得出了两表面的接触时间随振幅、预紧力和环境压强的变化规律。搭建了超声悬浮实验系统,在不同环境压强下实验研究了超声悬浮特性,并将实验结果与理论预测结果进行了比较和分析。实验结果为分析真空下超声波电机定转子的接触特性提供了实验数据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究目的和意义
• 1.2 超声波电机概述
• 1.2.1 超声波电机的发展简史
• 1.2.2 超声波电机的分类及应用
• 1.3 国内外相关技术研究现状
• 1.3.1 极端环境下超声波电机的研究现状
• 1.3.2 超声波振动减摩特性研究现状
• 1.3.3 超声悬浮特性研究现状
• 1.4 论文主要研究内容
• 第2章 真空低温下超声波电机驱动特性研究
• 2.1 超声波电机真空低温实验系统
• 2.1.1 真空低温环境系统
• 2.1.2 驱动特性模拟实验台
• 2.2 真空下超声波电机的驱动特性
• 2.2.1 实验样机
• 2.2.2 超声波电机的负载特性
• 2.2.3 超声波电机的转速稳定性
• 2.2.4 定子摩擦材料的磨损特性
• 2.3 低温下超声波电机的驱动特性
• 2.3.1 低温对负载特性的影响
• 2.3.2 低温对转速稳定性的影响
• 2.4 超声波电机摩擦驱动机理的研究方法
• 2.5 本章小结
• 第3章 超声波振动减摩理论模型
• 3.1 行波超声波电机摩擦驱动的特点
• 3.1.1 定转子之间的接触分析
• 3.1.2 定转子之间的超声波振动
• 3.2 水平超声波振动的减摩机理
• 3.2.1 超声波振动下的库伦摩擦分析
• 3.2.2 数值模拟
• 3.3 垂直超声波振动的减摩机理
• 3.3.1 超声波振动下粗糙表面的接触分析
• 3.3.2 悬浮量和等效接触力求解
• 3.3.3 摩擦副之间的动力学分析
• 3.4 振动对材料磨损影响的理论分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 真空低温超声波振动摩擦实验台
• 4.1 实验台的设计原理
• 4.2 纵/扭复合超声换能器的设计
• 4.2.1 纵/扭复合超声换能器的特点
• 4.2.2 扭振子的设计
• 4.2.3 换能器的结构设计
• 4.2.4 振动模式的确定
• 4.2.5 换能器的振动特性
• 4.3 实验台的基本结构和工作原理
• 4.4 实验台的功能与特点
• 4.5 本章小结
• 第5章 真空低温下超声波振动摩擦磨损特性
• 5.1 超声减摩特性实验条件
• 5.2 水平超声波振动的减摩特性研究
• 5.2.1 振幅和滑动速度的影响
• 5.2.2 环境压强的影响
• 5.2.3 环境温度的影响
• 5.3 垂直超声波振动的减摩特性研究
• 5.3.1 振幅和滑动速度的影响
• 5.3.2 预压紧力和名义接触面积的影响
• 5.3.3 环境压强和环境温度的影响
• 5.3.4 材料表面粗糙度的影响
• 5.3.5 材料性质的影响
• 5.4 降低超声减摩效应的措施
• 5.5 超声波振动下材料的磨损特性研究
• 5.5.1 振动形式的影响
• 5.5.2 配副材料的影响
• 5.5.3 真空下材料的磨损特性
• 5.6 本章小结
• 第6章 真空下超声接触与悬浮特性研究
• 6.1 垂直超声波振动下的接触特性
• 6.1.1 接触特性测试原理
• 6.1.2 接触特性实验条件
• 6.1.3 接触特性影响因素研究
• 6.2 超声辐射压的理论计算
• 6.3 超声悬浮实验系统
• 6.3.1 实验系统的搭建
• 6.3.2 悬浮换能器的振动特性及悬浮试样
• 6.4 悬浮特性影响因素研究
• 6.4.1 振幅对悬浮特性的影响
• 6.4.2 悬浮体重量和尺寸对悬浮特性的影响
• 6.4.3 环境压强对悬浮特性的影响
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历