超聲波電動(dòng)舵機(jī)的高過(guò)載特性研究

徐雪榮，吳國(guó)東，田 秀，付紅偉，王彥利

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051; 2.北京航天控制儀器研究所， 北京 100039)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

超聲波電動(dòng)舵機(jī)的高過(guò)載特性研究

徐雪榮1,2，吳國(guó)東1，田 秀2，付紅偉2，王彥利2

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051; 2.北京航天控制儀器研究所， 北京 100039)

根據(jù)沖擊原理，分析了抗高過(guò)載超聲波電動(dòng)舵機(jī)在半正弦波沖擊激勵(lì)條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；建立了超聲波舵機(jī)在高過(guò)載下的有限元仿真分析模型，利用顯式算法模擬強(qiáng)沖擊載荷下的暫態(tài)過(guò)程，分析了定轉(zhuǎn)子等部件的應(yīng)力和應(yīng)變分布規(guī)律，研究了抗高過(guò)載超聲波舵機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)瞬時(shí)高過(guò)載的耐受性能。結(jié)果表明：緩沖用波形彈簧與不銹鋼墊片的組合抗高過(guò)載措施行之有效。

超聲波電動(dòng)舵機(jī)；高過(guò)載；沖擊；響應(yīng)特性

隨著武器裝備的發(fā)展，對(duì)制導(dǎo)炮彈與智能炮彈的需求日趨迫切[1]。這兩種炮彈對(duì)舵機(jī)小型化、輕量化提出了要求，普通電磁式舵機(jī)難以滿(mǎn)足，因而研制出一種新型超聲波舵機(jī)。它是是利用行波型超聲波電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，直接驅(qū)動(dòng)舵片實(shí)現(xiàn)舵機(jī)功能。超聲波電機(jī)應(yīng)用于舵機(jī)上，可以避開(kāi)接觸摩擦驅(qū)動(dòng)壽命短的劣勢(shì)，發(fā)揮大力矩密度、無(wú)電磁干擾、響應(yīng)快等優(yōu)勢(shì)[2-4]。

超聲波電動(dòng)舵機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)[5]：無(wú)電磁干擾且不受電磁環(huán)境影響；響應(yīng)快，快速性好，帶寬是傳統(tǒng)舵機(jī)的3～4倍，舵翼偏轉(zhuǎn)角速度比傳統(tǒng)舵機(jī)的快；位置分辨率高，超調(diào)量比電磁式舵機(jī)小很多，靜態(tài)誤差小；斷電自鎖；結(jié)構(gòu)緊湊，有利于小型化、輕型化。

然而，制導(dǎo)炮彈發(fā)射的高過(guò)載可達(dá)20 kg，易使現(xiàn)有超聲波電機(jī)的轉(zhuǎn)子腹板斷裂、螺釘松動(dòng)、定子薄梁斷裂以及壓電陶瓷損壞。因此，需要研制抗高過(guò)載超聲波舵機(jī)。研究超聲波電機(jī)在高過(guò)載環(huán)境下的受力特點(diǎn)和評(píng)估其耐受能力，對(duì)其在制導(dǎo)炮彈中的應(yīng)用具有重要意義。

本文根據(jù)沖擊原理，分析了超聲波舵機(jī)在半正弦波沖擊激勵(lì)條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，建立了超聲波舵機(jī)在高過(guò)載環(huán)境下的有限元仿真模型，利用顯式算法模擬其在強(qiáng)沖擊載荷下的暫態(tài)過(guò)程，分析了定、轉(zhuǎn)子等部件的應(yīng)力和應(yīng)變分布規(guī)律，研究了抗高過(guò)載超聲波舵機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)瞬時(shí)高過(guò)載的耐受性能。

1 抗高過(guò)載結(jié)構(gòu)

炮彈發(fā)射時(shí)強(qiáng)烈的沖擊載荷(1.5萬(wàn)個(gè)g)使現(xiàn)有超聲波舵機(jī)(圖1)容易損壞，舵機(jī)定子懸臂梁處應(yīng)力達(dá)到942 MPa，超過(guò)定子的屈服極限505 MPa。為滿(mǎn)足發(fā)射要求，對(duì)超聲波舵機(jī)的結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)(定子部分)，如圖2所示進(jìn)行抗高過(guò)載設(shè)計(jì)，通過(guò)在定子下端設(shè)置波形彈簧與不銹鋼墊片等，實(shí)現(xiàn)定子緩沖和降低壓電陶瓷應(yīng)力峰值。

2 沖擊時(shí)定子緩沖結(jié)構(gòu)的單自由度動(dòng)力學(xué)模型

沖擊響應(yīng)譜簡(jiǎn)稱(chēng)沖擊譜，其橫坐標(biāo)為沖擊時(shí)的持續(xù)時(shí)間τ與系統(tǒng)固有頻率f的乘積τf，縱坐標(biāo)為沖擊響應(yīng)量與沖擊激勵(lì)量的比值η。沖擊譜描述的是沖擊對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響，所以將分析沖擊譜應(yīng)用于緩沖、減振的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，將起到重要作用[6]。

沖擊具有瞬態(tài)性，表現(xiàn)為沖擊的激勵(lì)峰值大，但很快就消失，重復(fù)的次數(shù)少。它造成的破壞以峰值破壞為主[7]。而最大沖擊譜(即在沖擊信號(hào)作用時(shí)，系統(tǒng)的固有頻率與系統(tǒng)的最大響應(yīng)值的曲線(xiàn)圖)應(yīng)用最為廣泛[8]。

在很短的沖擊響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，緩沖減振結(jié)構(gòu)中的阻尼單元吸收能量很少，對(duì)沖擊最大響應(yīng)值影響很小。所以在分析阻尼較小結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)時(shí)，可以不考慮阻尼的影響，忽略阻尼單元。定子緩沖結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為單自由度模型，激勵(lì)函數(shù)為半正弦波函數(shù)：

(1)

定子緩沖結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)為[9]

(2)

式(2)中：λ=ω/(k/m)1/2；系統(tǒng)無(wú)阻尼固有頻率ωn=(1/m)1/2，k為系統(tǒng)剛度，m為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)質(zhì)量。

系統(tǒng)響應(yīng)可分為兩個(gè)階段：激勵(lì)作用期間為第一階段0≤t≤τ，激勵(lì)作用后為第二階段t≥τ。沖擊響應(yīng)的最大值所在的階段應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行分析。

根據(jù)式(1)和式(2)可求出系統(tǒng)沖擊響應(yīng)的最大比值(沖擊放大倍數(shù))。計(jì)算結(jié)果如下：

1) 當(dāng)0<τf<0.5，即ω>ωn時(shí)，系統(tǒng)最大響應(yīng)幅值出現(xiàn)在第二階段：

(3)

式(3)中：f=ωn/2π。

2) 當(dāng)τf>0.5時(shí)，即ω<ωn時(shí)，系統(tǒng)最大響應(yīng)幅值出現(xiàn)在第一階段：

(4)

3) 當(dāng)τf=0.5時(shí)，系統(tǒng)的最大響應(yīng)幅值發(fā)生在沖擊激勵(lì)作用結(jié)束的瞬間：

(5)

定子緩沖結(jié)構(gòu)的固有頻率約為30 kHz,激勵(lì)頻率為167 Hz,系統(tǒng)最大響應(yīng)幅值出現(xiàn)在第一階段:ηmax=1。

仿真的加速度響應(yīng)如圖3所示。系統(tǒng)的最大響應(yīng)在沖擊載荷最大時(shí)刻3.5 ms時(shí)，ηmax約等于1。

3 沖擊載荷下超聲波電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

3.1 電機(jī)的仿真模型

為簡(jiǎn)化仿真模型，將轉(zhuǎn)子、推力軸承和角接觸軸承作為一個(gè)整體，將定子與底座作為一個(gè)整體，波形彈簧曲線(xiàn)簡(jiǎn)化為36個(gè)彈簧單元(圖4)，加載的沖擊載荷曲線(xiàn)如圖5所示。

3.2強(qiáng)沖擊載荷下的超聲波電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖6為超聲波電機(jī)在承受如圖5曲線(xiàn)所示的沖擊載荷時(shí)的等效應(yīng)力分布情況，反應(yīng)了沖擊所產(chǎn)生的應(yīng)力波傳遞和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)過(guò)程。沖擊載荷的方向沿X軸的正方向，沖擊應(yīng)力從舵機(jī)的底座開(kāi)始傳播。應(yīng)力波再經(jīng)定、轉(zhuǎn)子固支處傳遞沖擊載荷，轉(zhuǎn)子的外圈產(chǎn)生相對(duì)于轉(zhuǎn)子輸出軸的沿X軸負(fù)向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。同時(shí)，接近定子齒的外圈也會(huì)產(chǎn)生沿X軸負(fù)向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。定、轉(zhuǎn)子存在薄壁懸臂梁結(jié)構(gòu)，因而在其承受強(qiáng)沖擊載荷時(shí)沖擊響應(yīng)會(huì)更加敏感，產(chǎn)生更大的應(yīng)力與變形。超聲波舵機(jī)的運(yùn)行依賴(lài)于定、轉(zhuǎn)子的正常接觸，所以剛度較小的轉(zhuǎn)子在經(jīng)受強(qiáng)沖擊時(shí)，轉(zhuǎn)子腹板處可能產(chǎn)生塑性變形，影響定、轉(zhuǎn)子的正常接觸、影響舵機(jī)的正常工作。

分別選取定子的薄弱部位(薄壁懸臂梁處)、轉(zhuǎn)子的薄弱部位(腹板)的表面節(jié)點(diǎn)和單元，研究其位移與應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。圖7為在峰值為1.5萬(wàn)個(gè)g的強(qiáng)沖擊下，定子懸臂梁上節(jié)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線(xiàn)，圖8為超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)子腹板處節(jié)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線(xiàn)。

定子的材料為磷青銅，剛度較大，變形量較小[10]，沖擊前后基本沒(méi)有變化。定、轉(zhuǎn)子在t=3.5 ms時(shí)變形量最大。在沖擊載荷結(jié)束t=6 ms時(shí)，定、轉(zhuǎn)子基本不再變化，且與沖擊前基本一樣。在整個(gè)沖擊過(guò)程中，定子懸臂梁處所受最大應(yīng)力385 MPa,未達(dá)到其屈服極限505 MPa(圖9)，轉(zhuǎn)子腹板所受最大沖擊應(yīng)力140 MPa(圖10),壓電陶瓷所受最大應(yīng)力為185.6 MPa(圖11)，遠(yuǎn)小于其屈服極限800 MPa，沒(méi)有損壞。所以定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和壓電陶瓷都符合強(qiáng)度要求，能夠承受1.5萬(wàn)個(gè)g的沖擊載荷。

3.3 預(yù)壓力對(duì)定子頻率的影響

超聲波舵機(jī)以定子的振幅放大實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，正常式舵機(jī)的定子模態(tài)如圖12(a)所示。為適應(yīng)高過(guò)載環(huán)境，新設(shè)計(jì)的緩沖結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)其定子施加預(yù)壓力，同時(shí)也會(huì)對(duì)定子的振動(dòng)模態(tài)產(chǎn)生影響。

波形彈簧對(duì)高過(guò)載超聲波舵機(jī)定子的預(yù)壓力為135 N，當(dāng)炮彈瞬間的高過(guò)載結(jié)束后，預(yù)壓力仍始終作用于舵機(jī)定子上。

有/無(wú)預(yù)壓力的定子模態(tài)計(jì)算結(jié)果比較，如圖12所示。施加預(yù)壓力時(shí)，共振頻率增大 1 139 Hz，定子的共振模態(tài)差異很小，采用先前的電機(jī)驅(qū)動(dòng)頻率亦可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。因此，波形彈簧的預(yù)壓力對(duì)超聲波舵機(jī)性能的影響很小，采用波形彈簧的定子緩沖結(jié)構(gòu)有效、可實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

1) 分析結(jié)果表明：抗高過(guò)載措施切實(shí)有效，能夠滿(mǎn)足強(qiáng)沖擊的應(yīng)用環(huán)境要求。

2) 為滿(mǎn)足超聲波舵機(jī)的更高的輸出性能要求，還需研究轉(zhuǎn)子與軸承連接處橡膠墊圈的預(yù)壓力施加情況、舵機(jī)飛行時(shí)的溫度對(duì)壓電陶瓷的性能影響，使其能夠承受更高的沖擊載荷，在傳統(tǒng)電磁電機(jī)難以應(yīng)用的領(lǐng)域發(fā)揮作用。

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(責(zé)任編輯周江川)

StudyonHighOverloadCharacteristicsofUltrasonicElectromechanical-Actuator

XU Xuerong1,2, WU Guodong1, TIAN Xiu2, FU Hongwei2, WANG Yanli2

(1.School of Mechatronic Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Beijing Institute of Aerospace Control Devices, Beijing 100039, China)

The response characteristics to excitation of the anti-high-overloaded electromechanical-actuator under half-sine-wave shock are analyzed combining with the finite element method. The finite element analysis model of the actuator under strong impact load is established. LS-DYNA is used to simulate the transient process in the environment. The stress and strain distribution of the stator, rotor and other parts are analyzed, and the tolerance of the anti-overloaded actuator in the instantaneous large load is researched. And the results show that the wave spring and stainless steel gasket are effective for the anti-overloaded actuator.

ultrasonic electromechanical-actuator; high overload; shock; response characteristics

2017-04-10；

：2017-05-11

：國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2013YQ470765)

徐雪榮(1991—)，男，碩士研究生，主要從事沖擊動(dòng)力學(xué)及仿真研究。

10.11809/scbgxb2017.09.006

format:XU Xuerong, WU Guodong, TIAN Xiu,et al.Study on High Overload Characteristics of Ultrasonic Electromechanical-Actuato[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(9):26-30.

TJ414.+9

：A

2096-2304(2017)09-0026-05

本文引用格式：徐雪榮，吳國(guó)東，田秀，等.超聲波電動(dòng)舵機(jī)的高過(guò)載特性研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(9):26-30.