超聲電機(jī)在沖擊環(huán)境中的性能研究

孫 棟， 唐玉娟， 王 炅， 王新杰

(1.南京理工大學(xué)機(jī) 械工程學(xué)院，南京 210094；2.金陵科技學(xué)院 智能科學(xué)與控制工程學(xué)院，南京 211169)

超聲電機(jī)(USMs)作為近二十年來發(fā)展迅速的一種驅(qū)動器，有著響應(yīng)快，體積小，設(shè)計(jì)靈活、斷電自鎖等諸多優(yōu)勢，目前已廣泛應(yīng)用于機(jī)器人，信息技術(shù)，醫(yī)療及精密定位平臺等領(lǐng)域[1-4]。此外，超聲電機(jī)還在空間探索領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[5-6]，研究人員為此展開了超聲電機(jī)在高低溫[7-8]和真空[9]等極端環(huán)境下的性能研究。部分研究人員還將目光投向了武器系統(tǒng)，諸如飛行器中的智能羽翼控制，隱身技術(shù)[10]以及智能引信安全系統(tǒng)[11]等。沖擊，作為極端環(huán)境的一種，不僅僅存在于武器系統(tǒng)中，還廣泛的存在于航天系統(tǒng)與機(jī)械結(jié)構(gòu)中。為了拓展超聲電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，有必要開展沖擊環(huán)境下超聲電機(jī)的性能研究。任金華等利用有限元方法對旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)建模，分析了電機(jī)在10 000 g靜態(tài)過載下的應(yīng)力分布情況[12]。陳超等分析了超聲電機(jī)的失效模式，并利用LS-dyna評估了超聲電機(jī)所能夠承受的極限過載情況，測試了不同沖擊過載之后超聲電機(jī)的機(jī)械特性,但是其建立的是二維模型，不能準(zhǔn)確的反映出電機(jī)在沖擊環(huán)境中的變化過程[13]。Hou等[14]通過仿真的方法得到了一種新型電機(jī)在沖擊載荷下的動態(tài)響應(yīng)過程，但缺乏實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證。唐玉娟等分析了典型引信環(huán)境力對其所設(shè)計(jì)的直線型超聲電機(jī)的影響，并進(jìn)行過載實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)證明該直線型超聲電機(jī)能夠耐受15 000 g的過載[15]。我們在之前的研究工作中建立了旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)在沖擊環(huán)境下的動態(tài)響應(yīng)理論模型，但該模型中采用了剛塑性材料模型，有著一定的局限性[16]。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對沖擊環(huán)境中超聲電機(jī)的失效模型、動態(tài)響應(yīng)過程等展開了初步的模擬與研究。但目前仍然存在著失效模式分析簡單；模型不足以準(zhǔn)確的反映電機(jī)的動態(tài)過程；實(shí)驗(yàn)測試不夠全面等問題。本文針對超聲電機(jī)中的關(guān)鍵部件，通過有限元方法，建立旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)的三維模型，且結(jié)構(gòu)材料采用更接近工程實(shí)際的雙線性隨動硬化模型；通過有限元方法得到?jīng)_擊環(huán)境下超聲電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)過程，并分析柔性轉(zhuǎn)子在不同沖擊環(huán)境下的不同變形過程；通過數(shù)值方法，得到轉(zhuǎn)子變形量與預(yù)緊力之間的關(guān)系。最后通過馬歇特捶進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，測試了沖擊載荷對電機(jī)機(jī)械性能與定子振動特性的影響，并實(shí)驗(yàn)證明了橡膠在沖擊環(huán)境下對超聲電機(jī)的保護(hù)作用。

1 沖擊環(huán)境超聲電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)

超聲電機(jī)是一個復(fù)雜的機(jī)電耦合系統(tǒng)，其在沖擊載荷下的失效模式主要包括：定子與轉(zhuǎn)子的變形導(dǎo)致預(yù)緊力的降低或消失、定子變形導(dǎo)致的振動頻率的漂移或振型的畸變以及壓電陶瓷的脫膠或斷裂。對于旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)而言，定子和壓電材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過轉(zhuǎn)子，因此轉(zhuǎn)子在沖擊環(huán)境中更容易變形。

1.1 有限元模型

以旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)TRUM60作為分析對象，超聲電機(jī)的部件包括定子、轉(zhuǎn)子、壓電陶瓷，基座以及輸出軸等，如圖1(a)所示。在沖擊環(huán)境中，結(jié)構(gòu)之間的相互碰撞使得轉(zhuǎn)子有向上運(yùn)動的趨勢，而端蓋與軸承將限制轉(zhuǎn)子的向上運(yùn)動。因此在有限元模型中新增限位片用于模擬端蓋與軸承對轉(zhuǎn)子的限制作用，并忽略了底座與端蓋，僅保留了壓電陶瓷，定子，轉(zhuǎn)子，輸出軸，在有限元軟件workbench中建立的模型如圖1(b)所示。為了盡可能的接近實(shí)際工程情況，定子與轉(zhuǎn)子采用雙

(a) TRUM60電機(jī)的示意圖

(b)有限元模型 圖1 超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)與有限元模型Fig.1 Structure and finite element model of a travelling wave rotary ultrasonic motor

線性隨動硬化模型材料。輸出軸的強(qiáng)度很大，采用線彈性模型。各個部件的材料參數(shù)如表1所示。沖擊過程中各個零部件將會產(chǎn)生復(fù)雜的相互作用，定子與壓電陶瓷片通過膠水粘貼，這里忽略膠層，并設(shè)定為綁定約束bonded；定轉(zhuǎn)子設(shè)定為摩擦接觸，摩擦因數(shù)設(shè)定為0.2[15]；轉(zhuǎn)子與輸出軸固接，在模型中設(shè)為bonded約束；輸出軸實(shí)際中只會上下運(yùn)動，因此在分析時限制其在x與z方向上的自由度；定子的內(nèi)邊界設(shè)為固支。

表1 模型材料參數(shù)Tab.1 Parameters of model material

1.2 沖擊載荷作用下超聲電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)分析

圖2為超聲電機(jī)在經(jīng)歷幅值2 000 g，脈寬1 ms的半正弦沖擊載荷后不同時刻的變形情況。沖擊方向沿著電機(jī)輸出軸的軸向，即y軸正向。當(dāng)沖擊剛剛發(fā)生時，輸出軸質(zhì)量大，轉(zhuǎn)子的剛度小，輸出軸帶著轉(zhuǎn)子中心向下運(yùn)動，直到位移最大的值，如圖2(a)所示。由于定轉(zhuǎn)子的彈性作用，輸出軸與轉(zhuǎn)子彈回，并與限位片碰撞，如圖2(b)所示。此后，定子與轉(zhuǎn)子以及轉(zhuǎn)子與限位片之間的相互碰撞，使得結(jié)構(gòu)進(jìn)入復(fù)雜的衰減振動狀態(tài)，轉(zhuǎn)子不再是一個穩(wěn)定的圓盤，而是呈現(xiàn)出一種扭曲振動狀態(tài)，如圖2(c)所示。整個過程中，定子的最大應(yīng)力為380 MPa，小于磷青銅的屈服極限，這表明定子沒有產(chǎn)生塑性變形，如圖2(d)所示。

圖2 超聲電機(jī)沖擊載荷下的動態(tài)響應(yīng)Fig.2 Dynamic response of ultrasonic motor and stress distribution in stator

圖3表示了定轉(zhuǎn)子的最大/小相對位移時程曲線，其中相對位移指的是定子或轉(zhuǎn)子內(nèi)邊緣相對于外邊緣的位移。由于定轉(zhuǎn)子在沖擊中會產(chǎn)生復(fù)雜的相互作用，因此將相對位移分為最大與最小相對位移，分別表示定轉(zhuǎn)子內(nèi)邊緣位移的最大/小值與外邊緣位移最大/小值之差。從圖3可以看出，定轉(zhuǎn)子相對位移的峰值與加速度峰值相比，有著0.3 ms的時間延遲。定子的相對位移曲線在y=0 mm左右衰減震蕩，說明定子強(qiáng)度大，沒有產(chǎn)生永久變形，這與圖2(d)的結(jié)果相對應(yīng)。轉(zhuǎn)子的相對位移曲線一直在y<0處衰減震蕩，這說明轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度小，沖擊之后轉(zhuǎn)子的中心下沉，產(chǎn)生了不可逆的塑性變形。

圖3 定轉(zhuǎn)子的相對位移時程曲線Fig.3 Relative displacement time history response of stator and rotor

沖擊剛發(fā)生時，轉(zhuǎn)子的最大與最小相對位移曲線基本重合，說明此時轉(zhuǎn)子的中心隨著輸出軸的往復(fù)運(yùn)動而上下振動，轉(zhuǎn)子外邊緣保持著一個穩(wěn)定的圓環(huán)，此時是一種穩(wěn)定的振動狀態(tài)。但隨后轉(zhuǎn)子的最大與最小相對位移曲線逐漸分離，這是由于結(jié)構(gòu)之間的相互碰撞，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)出一種扭曲的振動狀態(tài)，整個轉(zhuǎn)子不再是一個穩(wěn)定的圓盤，與圖2(c)的結(jié)果相對應(yīng)。轉(zhuǎn)子的扭曲振動將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的扭曲變形，使得轉(zhuǎn)子與定子的產(chǎn)生不均勻接觸，圖2(c)中虛線框清晰顯示出轉(zhuǎn)子與定子之間有著不均勻的間隙。定子的最大與最小相對位移曲線基本一致，這說明定子的強(qiáng)度大，振動狀態(tài)也相對穩(wěn)定。

由此可見，沖擊載荷對轉(zhuǎn)子的影響主要分為兩種狀態(tài)：①轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不可逆的塑性變形，轉(zhuǎn)子的中心下沉。②在沖擊結(jié)束過后，轉(zhuǎn)子沖擊過程中的扭曲振動導(dǎo)致轉(zhuǎn)子產(chǎn)生扭曲變形，使得定轉(zhuǎn)子的接觸界面不均勻。

1.3 動態(tài)響應(yīng)與幅值脈寬之間的關(guān)系

超聲電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)過程不僅僅取決于沖擊載荷的幅值，還取決于沖擊載荷的脈寬。本節(jié)主要考察不同幅值與脈寬條件下超聲電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)過程。由于定子的強(qiáng)度大，不易變形。這里僅查看觀察轉(zhuǎn)子的最大相對位移時程曲線。圖4(a)為沖擊脈寬為1 ms，幅值從1 000 g逐漸增加到3 250 g時轉(zhuǎn)子的最大相對位移時程曲線。顯然隨著沖擊幅值的增加，轉(zhuǎn)子最大相對位移的峰值也不斷增加，當(dāng)幅值達(dá)到3 000 g之后，轉(zhuǎn)子的最大相對位移峰值達(dá)到2.1 mm左右之后就不再增加，且位移峰值出現(xiàn)的時刻提前，曲線的脈寬變窄。這一現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是沖擊幅值較小時，轉(zhuǎn)子的回彈主要依靠的是轉(zhuǎn)子本身的彈性作用；隨著沖擊幅值的不斷增加，轉(zhuǎn)子中心的下沉量不斷增加，而定子的內(nèi)邊界固支，最終轉(zhuǎn)子中心將會與定子中心碰撞，如圖4(b)所示，這導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子最大相對位移曲線的峰值出現(xiàn)的時刻提前，曲線的脈寬變窄。定子內(nèi)邊界與轉(zhuǎn)子中心環(huán)的距離為2.5 mm，仿真結(jié)果顯示沖擊后定子外邊緣向下運(yùn)動的位移在0.4 mm左右，因此轉(zhuǎn)子的最大相對位移的峰值在達(dá)到2.1 mm左右之后就不再增加。

圖4 不同幅值與脈寬沖擊載荷下轉(zhuǎn)子位移的時程曲線Fig.4 Simulated displacement-time curves of rotor under impact with different amplitude and duration

圖4(c)為沖擊過載的幅值為2 000 g，脈寬從0.25 ms到4 ms逐漸增加時轉(zhuǎn)子的最大相對位移時程曲線。當(dāng)脈寬為1ms時，轉(zhuǎn)子的最大相對位移曲線峰值最大，且最大相對位移峰值從大到小對應(yīng)的脈寬分別為1 ms，0.5 ms，2 ms，0.25 ms與4 ms。對超聲電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，其在縱向方向即y方向上對應(yīng)的振型如圖5所示，頻率為860.47 Hz。而脈寬0.5 ms與1 ms的對應(yīng)頻率為1 000 Hz與500 Hz，最接近模態(tài)振動頻率860.47 Hz，其產(chǎn)生的相對位移也較大。這說明沖擊載荷的頻率接近結(jié)構(gòu)諧振頻率時，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生大的變形。

圖5 縱向振型Fig.5 Vertical vibration mode

1.4 轉(zhuǎn)子變形與預(yù)緊力關(guān)系

定轉(zhuǎn)子之間通過預(yù)緊力緊密接觸，并通過摩擦力將定子的高頻微幅振動轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)子的宏觀動作。預(yù)緊力對超聲電機(jī)的性能至關(guān)重要[17-18]。正常狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子與軸承有薄墊片，迫使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生彈性變形，使得定轉(zhuǎn)子之間緊密接觸。假設(shè)彈性墊片的厚度為0.3 mm，通過有限元方法，計(jì)算得到定轉(zhuǎn)子之間的預(yù)壓力為229.71 N。根據(jù)1.2節(jié)中的仿真結(jié)果，轉(zhuǎn)子在沖擊載荷作用下的變形主要分為兩種：①轉(zhuǎn)子中心下沉導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子之間預(yù)緊力的減少甚至消失；②轉(zhuǎn)子的扭曲導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子接觸界面的不均勻。這里不考慮轉(zhuǎn)子的扭曲，僅考慮轉(zhuǎn)子中心下沉對預(yù)緊力的影響。有限元計(jì)算過程為：假定初始狀態(tài)下轉(zhuǎn)子中心向下的位移約束為0.3 mm，然后施加靜態(tài)加速度載荷，使得轉(zhuǎn)子產(chǎn)生塑性變形；然后撤銷加速度載荷，得到預(yù)緊力的大小；最后撤銷對轉(zhuǎn)子的位移約束，得到了轉(zhuǎn)子中心由于塑性變形導(dǎo)致的下沉量為dc，如圖6所示。通過多次計(jì)算，得到預(yù)緊力與下沉量dc之間的關(guān)系，如圖7所示。顯然預(yù)緊力隨著下沉量的增加而減小，通過擬合得到了下沉量dc與預(yù)緊力的關(guān)系式

(1)

式中：ypre指的是預(yù)緊力。顯然，想要預(yù)緊力恢復(fù)到初始值，可以在原先的基礎(chǔ)上增加更多的墊片，通過有限元方法，得到了下沉量dc與預(yù)緊力恢復(fù)到初始狀態(tài)(229.71 N)所需要的額外墊片厚度的關(guān)系，如圖7所示，這里將額外墊片的厚度稱為補(bǔ)償量。對結(jié)果進(jìn)行擬合，得到補(bǔ)償量與下沉量dc的擬合關(guān)系式

(2)

式中:yc為補(bǔ)償量。

圖6 轉(zhuǎn)子變形示意圖Fig.6 The diagram of rotor’s deformation

圖7 轉(zhuǎn)子中心下沉量與預(yù)緊力及補(bǔ)償量之間的關(guān)系Fig.7 Relationship between sinkage between preload and compensation

2 超聲電機(jī)的沖擊實(shí)驗(yàn)

選取三個基本一致的超聲電機(jī)(TRUM60)，利用馬歇特捶對電機(jī)進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，考察沖擊載荷對超聲電機(jī)性能的影響。整個實(shí)驗(yàn)平臺如圖8所示。圖8(a)為沖擊實(shí)驗(yàn)平臺，主要由馬歇特捶，加速度傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中超聲電機(jī)固定在夾具內(nèi)，沖擊載荷的大小通過調(diào)整馬歇特捶上棘輪的齒數(shù)來實(shí)現(xiàn)。圖8(b)為電機(jī)性能測試平臺，包括有超聲電機(jī)驅(qū)動器，不接觸激光測速儀以及充當(dāng)重物的砝碼等。

(a)沖擊測試平臺

(b)機(jī)械性能測試平臺 圖8 實(shí)驗(yàn)測試平臺Fig.8 Experiment test platform

2.1 電機(jī)的機(jī)械性能測試與結(jié)果分析

將三個電機(jī)編號1，2，3, 并測得其在沖擊前的機(jī)械性能，如圖10所示。對三個電機(jī)進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，沖擊載荷分別為1 630 g，1 865 g與2 320 g。沖擊過后。一號電機(jī)能夠正常工作，但機(jī)械性能明顯下降；二號電機(jī)能夠正常工作，但是機(jī)械性能下降的更加明顯，且在工作時有著沙沙的噪音；三號電機(jī)無法正常工作，輸出軸松動，可以自由轉(zhuǎn)動，說明預(yù)緊力機(jī)構(gòu)失效。沖擊過后的電機(jī)性能如圖10所示。

根據(jù)1.2節(jié)的仿真結(jié)果可知，沖擊對轉(zhuǎn)子變形的影響主要分為兩種：一種是轉(zhuǎn)子中心的下沉;一種是轉(zhuǎn)子的扭曲。為了驗(yàn)證轉(zhuǎn)子是否產(chǎn)生了扭曲變形，在轉(zhuǎn)子中心區(qū)域分別標(biāo)記了四個不同位置的點(diǎn)A,B,C,D，如圖6所示，對這四個點(diǎn)的下沉量分別進(jìn)行測量。測量發(fā)現(xiàn)，在三個轉(zhuǎn)子中，其A，B，C，D四個點(diǎn)的下沉量均有著±0.01 mm的波動，即轉(zhuǎn)子中心區(qū)域不同位置的變形量不同， 說明沖擊確實(shí)使得轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了輕微的扭曲變形。取四個點(diǎn)下沉量的平均值作為下沉量dc，如表2中所示。顯然，轉(zhuǎn)子中心的下沉量在沖擊的作用下會下沉，且下沉量隨著沖擊幅值的增加而增加。測量結(jié)果證實(shí)1.2節(jié)中的仿真結(jié)果是正確的

將下沉量dc代入式(1)中，得到?jīng)_擊過后的理論預(yù)緊力，計(jì)算結(jié)果顯示三號電機(jī)的預(yù)緊力為0，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對應(yīng)。為了恢復(fù)預(yù)緊力，可在原先的基礎(chǔ)上增加補(bǔ)償墊片，基于公式(2)計(jì)算得到了理論上所需要的補(bǔ)償墊片的厚度，上述結(jié)果列于表2中。實(shí)驗(yàn)所用的補(bǔ)償墊片如圖9所示，厚度分為0.5 mm，0.2 mm，0.1 mm與0.05 mm。其中實(shí)際補(bǔ)償時使用的墊片厚度不僅僅基于表2中理論計(jì)算的結(jié)果，還基于實(shí)際調(diào)試的過程，即通過增加不同厚度的墊片后進(jìn)行不斷調(diào)試，使得補(bǔ)償后的電機(jī)表現(xiàn)出盡可能好的機(jī)械性能。不同電機(jī)的實(shí)際補(bǔ)償?shù)膲|片厚度如表2所示。可以看出，1號電機(jī)的補(bǔ)償墊片的厚度與理論結(jié)果十分接近，而2號與3號電機(jī)的補(bǔ)償墊片的厚度與理論結(jié)果之間有著差距。可能的原因是二號與三號補(bǔ)償厚度由多片補(bǔ)償墊片組合而成，在使用時，多片墊片之間存在著間隙，使得補(bǔ)償厚度在數(shù)值上有所減小。而電機(jī)在補(bǔ)償后的機(jī)械性能如圖10所示，可以看出電機(jī)的機(jī)械性能在補(bǔ)償后得到了明顯的回復(fù)，但是無法恢復(fù)到初始狀態(tài)。可能的原因包括有沖擊影響了定子的振動特性以及轉(zhuǎn)子輕微扭曲變形導(dǎo)致的定轉(zhuǎn)子不均勻接觸進(jìn)而電機(jī)機(jī)械性能的下降。

圖9 補(bǔ)償墊片F(xiàn)ig.9 Compensation gasket

圖10 沖擊過載對超聲電機(jī)的機(jī)械性能的影響Fig.10 Performance of motors before and after impact and compensation

編號變形量 dc/mm預(yù)緊力/N理論補(bǔ)償厚度/mm實(shí)際補(bǔ)償厚度/mm10.1149.80.1060.120.273.40.2070.1530.5500.5230.45

2.2 定子的沖擊測試

為了測試強(qiáng)度更高的定子的抗過載能力，將1號與2號電機(jī)進(jìn)行幅值更高的沖擊過載，幅值分別為9 718.3 g與3 582.6 g。沖擊過后，兩個電機(jī)均無法正常工作。除了轉(zhuǎn)子之外，沒有觀察到明顯的變形與損壞。利用了多普勒激光測振儀對兩個定子的振動特性進(jìn)行測試，結(jié)果如圖11與12所示。從圖中可以看出，一號定子與二號定子的振型仍然相對完整，二號定子的振型優(yōu)于一號定子。其中兩個定子均存在著波峰高度不一致的情況，在一號電機(jī)中，還存在由于波形不連續(xù)導(dǎo)致的振型畸變。這說明沖擊載荷過大會引起定子振動特性的畸變。

通過對轉(zhuǎn)子變形量的測試與分析和對定子的振動特性的測試，沖擊載荷下引起電機(jī)性能變化的主要原因分為轉(zhuǎn)子的變形所導(dǎo)致的預(yù)緊力降低與定子振動特性的畸變。其中，轉(zhuǎn)子作為柔性元件，在較低的載荷下就會變形引起預(yù)緊力的降低甚至消失，從而引起電機(jī)的機(jī)械性能的下降。定子的抗過載能力更強(qiáng)，當(dāng)沖擊過載達(dá)到更大的幅值時，會引起振型的畸變。

圖11 定子1的振動特性Fig.11 Vibration characteristic of stator 1

圖12 定子2的振動特性Fig.12 Vibration characteristic of stator 2

2.3 橡膠的緩沖作用

橡膠，作為一種廉價的隔震緩沖材料，常用于各種結(jié)構(gòu)器件在沖擊條件下的防護(hù)。超聲電機(jī)作為一種精密器件，也離不開緩沖隔震裝置的保護(hù)，本節(jié)主要測試橡膠在沖擊環(huán)境中對超聲電機(jī)的保護(hù)作用。圖13為電機(jī)未受到與受到橡膠保護(hù)的實(shí)物圖。其中，橡膠厚度為2 mm，同樣利用馬歇特捶進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，幅值分別為3 090 g，3 035 g與2 980 g。沖擊前后的電機(jī)機(jī)械性能如圖14所示。與圖10中的結(jié)果對比，沖擊后電機(jī)的機(jī)械性能損失較小，在可接受的范圍內(nèi)。這說明橡膠能夠在沖擊環(huán)境中對超聲電機(jī)進(jìn)行有效的保護(hù)。

圖13 橡膠緩沖的實(shí)物對比圖Fig.13 Physical comparison of rubber

圖14 橡膠保護(hù)下的性能對比Fig.14 Performance comparison under rubber protection

3 結(jié) 論

本文建立了旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)的有限元模型，得到不同沖擊環(huán)境下超聲電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)過程，并得到轉(zhuǎn)子的變形量與預(yù)緊力之間的關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)測試了沖擊載荷對超聲電機(jī)機(jī)械特性與定子振動特性的影響，得到的結(jié)果如下：

仿真結(jié)果表明沖擊對超聲電機(jī)轉(zhuǎn)子的影響主要分為兩種：①轉(zhuǎn)子的中心下沉變形；②轉(zhuǎn)子的扭曲振動導(dǎo)致轉(zhuǎn)子產(chǎn)生扭曲變形。這兩種變形均通過實(shí)驗(yàn)測量得到驗(yàn)證。而定子的強(qiáng)度更大，不易在沖擊環(huán)境中產(chǎn)生塑性變形。

不同的沖擊環(huán)境對電機(jī)的變形將會產(chǎn)生不同的影響，沖擊幅值越大，電機(jī)的變形越大，；當(dāng)沖擊載荷的脈寬接近結(jié)構(gòu)的諧振頻率時，結(jié)構(gòu)的變形也越大。

理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過增加補(bǔ)償墊片即可恢復(fù)預(yù)緊力，恢復(fù)超聲電機(jī)的機(jī)械性能。但是實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)電機(jī)的性能無法恢復(fù)到初始狀態(tài)，其中原因可能有沖擊影響了定子的振動特性以及轉(zhuǎn)子輕微扭曲變形導(dǎo)致的定轉(zhuǎn)子不均勻接觸進(jìn)而電機(jī)機(jī)械性能的下降。

定子的抗過載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過轉(zhuǎn)子，但是當(dāng)沖擊幅值達(dá)到一定值，沖擊載荷將會引起定子振動特性畸變，主要包括峰值高度的不一致以及振動波形的不連續(xù)。

橡膠作為一種緩沖隔震材料，能夠在沖擊環(huán)境中對電機(jī)進(jìn)行有效的保護(hù)。