行波型超声波电机摩擦特性的实验研究

超声波电机是通过逆压电效应产生高频振动并通过摩擦实现驱动的电机,其定转子摩擦接触面的高频、微幅的行波振动有其特殊性,跟以往的摩擦接触显著不同,并对电机的换能效率、电机寿命和摩擦材料的选择等都有影响.本文建立了超声波电机定转子接触面摩擦系数测量装置,通过试验比较了摩擦接触面在常规、定子驻波振动以及行波振动下的动态摩擦系数,分析了定子相对转速(速度)、预紧力以及温度对定转子接触面摩擦系数的影响.根据摩擦二项式和电机定转子表面弹塑性接触状态对摩擦系数与预紧力等的对应关系进行了说明,分析了驻波振动和行波振动的超声减摩效果以及温度对摩擦系数的影响,确定了适合行波型超声波电机的摩擦系数计算模型.超声波电机的驱动摩擦特性是1项基础性工作,有助于行波形超声波电机设计、建模和驱动控制等.     

超声马达转子摩擦材料厚度对驱动性能的影响研究

制备了一系列不同厚度的摩擦材料 ,利用超声马达摩擦特性模拟试验装置 ,研究了摩擦材料厚度对超声马达空载转速和堵转力矩的影响 .基于一个简化的行波超声马达定子和转子接触模型 ,用有限元法计算了定子和转子接触变形随摩擦材料厚度的变化规律 ,提出了定子和转子具有合理接触变形的摩擦材料厚度范围 .根据试验和理论计算结果确定了摩擦材料最佳厚度 ,为超声马达摩擦材料厚度设计提供了理论依据     

摩擦材料应用方式对超声波电机驱动特性的影响

摩擦材料是超声波电机的关键零件,其应用方式直接影响超声波电机的驱动特性.以行波超声波电机为研究对象,将摩擦材料分别应用到转子和定子上,与相应的定子和转子组合,模拟超声波电机的接触方式,研究了超声波电机的负载和磨损特性随摩擦材料应用方式的变化规律.借助于阻抗仪测试了摩擦材料应用到定子齿面前后的阻抗特性,采用精密粗糙度仪和金相显微镜评价了超声波电机定子和转子接触界面磨损前后的形貌变化及其磨损模式.结果表明:当摩擦材料应用到定子齿面时,定子的谐振频率略微降低;当2台超声波电机空载转速相同时,摩擦材料应用到定子齿面与金属转子配副时可获得较大的堵转力矩,定子摩擦材料表面呈现抛光的磨损特征,而当摩擦材料应用到转子表面与金属定子配副时,转子摩擦材料表面呈现较严重的犁沟磨损.     

超声马达摩擦学及其摩擦材料研究进展

超声马达是一种新型原动机，与普通电磁马达不同，这是一种摩擦驱动马达．为了促进超声马达的发展，对其研究中关于定子与转子界面接触驱动特性和摩擦磨损特性，超声波振动对定子和转子接触界面摩擦学特性的影响，转子摩擦材料的选择及其寿命预测等，从摩擦学角度对国内外的研究进展进行了综合归纳与评述，并且针对超声马达摩擦驱动的特点，提出了当前值得重视的一些研究内容．     

超高速微转子系统磨损特性的研究

针对高速旋转微电机中典型的转子轴衬摩擦磨损问题,以半球形轴衬为研究对象,提出了1种描述其磨损过程的线性滑动磨损模型,建立了半球形轴衬-极板接触有限元模型,分析微转子轴衬的磨损特性和轴衬-极板接触副的接触动力学特性,研究接触副几何结构参数和操作参数对微转子系统磨损特性的影响.结果表明:在MEMS微转子系统中,微转子轴衬偏心距离和转子轴衬半径影响线磨损率,以两者减至最小为较理想,但须注意设计中轴承半径的限制,并使轴衬偏心距离大于轴承内半径;在转子加工制造许可的范围内,可以通过调整转子轴衬的半径和偏心距离来减少摩擦磨损对微电机的影响,随着转子所承受载荷和转子旋转速度的增加,其磨损严重;接触区的应力分布不同于经典Hertz解,这是由于应力集中出现在不连续的曲率线上,且接触区的接触压力呈现轴对称抛物线状分布.该模型可用于预测微转子轴衬的磨损与接触状况,分析微转子系统的磨损特性.     

界面裂纹尖端的动态奇异特性

本文研究了界面裂纹尖端的动态应力场的奇异特性.引入尖端无摩擦接触的界面裂纹模型并采用具有运动边界的控制积分方程.证明了在动态界面裂纹尖端仅存在平方根奇异的应力场.数值结果表明接触区中的正应力确保持为压应力.为表现界面裂纹的动态特性,给出了应力强度因子和裂纹面接触区尺寸的数值结果.     

正交各向异性板孔销接触问题的复变函数解法

本文提出一个计及轴销变形与接触区摩擦效应的弹性轴销模型,并采用弹性理论的复变函数解法,研究了正交各向异性无限大板的孔销接触问题.分析表明,板件的孔边应力分布与板件、轴销的材料性能密切相关,而且,摩擦系数的大小对应力分布也存在明显影响.     

RV减速器主支撑角接触球轴承混合润滑分析

针对RV减速器角接触球轴承承受预紧力、轴向力和径向力等联合外载荷作用的工况,分析得出了内、外圈滚道接触界面的接触区几何参数和接触载荷.在此基础上,综合考虑了角接触球轴承的接触区宏观几何、接触载荷、真实表面粗糙度、瞬态效应等因素,建立了角接触球轴承混合润滑数学模型,分析了在不同工况下角接触轴承的润滑状况及表面以下应力分布.结果表明:随着载荷的不断增加,钢球与内圈沟道之间的油膜厚度会不断减少,导致干接触面积迅速扩大,接触点表面以下最大应力增大;转速的增加会使油膜变厚,干接触面积缩小.该结果对角接触球轴承的实际工程应用具有重要借鉴意义.     

粗糙面在梯度表面层上滑动接触的应力分布

对粗糙面在梯度表面层上的滑动过程进行应力分布研究,以模拟实际摩擦过程中,考虑塑性变形情况下,梯度覆层体中的应力分布规律,同时与均质体及单覆层体进行比较研究,分析了在表面载荷相同时滑动接触的应力分布。结果表明覆层体出现塑性变形后,在接触表面上的压力分布与弹性变形时有很大变化,在界面处梯度层的应力分布比单层膜更为理想,其应变梯度也较小;受相同表面载荷作用下产生塑性变形时,梯度层膜在基体产生塑性变形较小     

静电微电机微转子接触动力学特性分析

提出静电微电机中转子和固定轴承间相互接触的数学模型，对微尺度下的接触应力和应变 特性进行理论推导，分析静电微电机几何参数、静电力、材料特性及加载电压对接触宽度、 应力和应变特性的影响，对比研究不同工况下接触宽度、接触应力和应变的变化，并就相同 的问题进行有限元分析，探讨摩擦系数对接触区von Mises应力、应变和接触压力 的影响，结果表明有限元模拟所得接触应力和应变分布与数学 模型的解析值较为相似.     

基于行波型超声马达的超声波振动减摩试验研究

提出了行波型超声马达振动减摩的几何模型,采用电磁电机驱动、电磁电机结合一路驻波振动驱动及行波型超声马达驱动3种驱动方式模拟行波型超声马达摩擦驱动特点,借助超声马达摩擦特性模拟试验装置,引入摩擦系数降低率的概念,研究了电机转速、预压力、超声波激励电压和摩擦材料等对定、转子摩擦副摩擦系数的影响.结果表明:在较高相对滑动速度、小预压力及大振幅条件下,超声波振动减摩现象显著.     

风沙粒子冲击钢结构涂层力学行为的理论与有限元分析

利用接触力学理论和三维有限元分析了钢结构受到风沙粒子冲击后其涂层表面接触区应力、涂层内部应力、涂层与基体界面上应力的分布规律。分析结果表明:涂层表面径向应力在接触中心出现最大压应力,在接触区边缘出现最大拉应力,且在接触区边缘易发生环状撕裂破坏;在涂层内部,涂层对Z向应力的承受力较好;涂层内部剪应力的最大值出现在碰撞接触点的左下方和右下方,这两个位置易受到剪切破坏,在接触点和剪应力最大值之间的剪应力变化速度较大;涂层与基体界面上r/h为0~0.4时,Z向应力变化较小;在r/h为0.4~1时,Z向应力剧烈减小;r/h1时,Z向应力基本保持不变;涂层与基体界面上剪应力最大值出现在冲击点附近,且冲击点附近剪应力变化较大,易引起剪切撕裂破坏。     

计及摩擦的球面弹塑性分形模型与应用

为了研究球面接触微凸体的弹塑性变化规律,在M-B分形模型的基础上考虑基底直径的实际变化情况,引入摩擦力修正因子,并基于修正的球面接触基底直径密度分布函数,最终建立了考虑摩擦因素的球面弹塑性分形模型;并以两球体接触为研究对象,分析了模型中的相关变量对接触强度的影响规律。仿真分析结果表明:当载荷不变时,分形维数的增加会导致真实接触面积先保持不变后增大再减小;当分形维数在1.35～1.7区间时,接触面积上升的速度最快;增大摩擦系数或降低材料特性参数,有利于提高接触承载能力;粗糙度幅值参数对真实接触面积和弹性接触面积占比的影响大略一致;当粗糙度幅值增加时,真实接触面积和弹性接触面积占比都随之降低。     

黏弹性接触界面端附近的奇异应力场

研究蠕变加载条件下线黏弹性材料接触界面端附近的奇异应力场问题.考虑接触界面的摩擦,假设界面端的滑移方向不改变,相对滑移量微小,且其与位移同量级,由此线性化局部边界条件,根据对应原理得到Laplace变换域中的界面端应力场,导出时域中奇异应力场的卷积积分表达式.对卷积积分核函数进行数值反演,考虑接触材料的两类组合,一是持久模量具有量级上的差异,另一是持久模量接近相同.算例结果证实核函数可以用准弹性法求得的解析式较准确地近似.在此基础上,利用积分中值定理,并引入各应力分量的修正系数,得到黏弹性奇异应力场的简化式.结合核函数的数值反演结果分析修正系数表达式的取值范围,得到如下结论,若两相接触材料的持久模量相差很大,可以采用准弹性解的解析式较准确地描述界面端的奇异应力场;一般情况下,应力场不存在统一的奇异值和应力强度系数,当采用类似于准弹性解的表达式近似给出黏弹性应力场时,可以估计此近似描述的误差限.文中最后采用有限元分析黏弹性板端部嵌入部位的应力场,算例包括了黏弹性板与弹性金属支承、黏弹性板与黏弹性垫层所形成的滑移接触界面端,利用黏弹性有限元的数值结果验证理论分析所得结论的有效性.      

直流磁场下销盘摩擦接触区的电磁感应现象

为了研究直流磁场对45钢销盘摩擦副的摩擦磨损特性的影响,根据磁场销盘摩擦试验机的结构和销盘摩擦副在摩擦过程中的实际接触情况,建立了二维微凸峰接触静态磁场和瞬态磁场有限元模型,分析了销盘摩擦接触区的电磁感应现象,得出以下结论:磁感应强度B在摩擦接触区分布不均,在微凸峰接触点区域的磁感应强度B值较大;摩擦试验中,在销盘磨痕和磨屑的微凸峰接触区将产生较高频率的动态磁化,同时在微凸峰上产生较大的感应电流,这些现象促进了销盘磨痕表面和磨屑的氧化.     

应力波对滑移弱化断层的动态触发作用

将断层简化为满足线性滑移弱化摩擦准则的理想裂纹界面。在考虑初始应力的条件下,研究了应力波通过两个相互接触的弹性半空间时的透射和反射关系。在此基础上,得出了应力波扰动断层时的初始滑移条件和不稳定滑移条件,并分析了断层动态触发与扰动应力波、断层特性和初始状态等因素的关系。当入射角一定时,入射波频率越高,所需振幅越大;断层的临界滑移越大,断层越稳定,扰动应力波所需振幅越大。     

超声马达转子摩擦材料磨损特性研究

利用MPX－200型销－盘摩擦磨损试验机和自制的超声马达摩擦特性模拟试验台,考察了摩擦材料在普通滑动试验和超声马达试验条件下的磨损性能,研究了接触预压紧力和负载力矩对转子摩擦材料磨损状态的影响,并借助于扫描电子显微镜和光学显微镜对摩擦材料磨损机理进行分析,指出可用绝对转差率Sf描述超声马达定子和转子相对滑动摩擦磨损程度。结果表明,摩擦材料在超声马达试验条件下的磨损状态与普通滑动试验条件下的不同,普通滑动试验时摩擦材料磨损表面形成了层状覆盖膜,而超声马达转子摩擦材料磨损表面无覆盖膜,其表面呈现犁沟磨损和疲劳剥层磨损特征,这种磨损特征随预压紧力和负载力矩变化而变化,与绝对转差率Sf有关,且存在2个临界转变区。     

机械密封在干摩擦状态下的摩擦界面热力耦合分析

依据W-M分形函数建立了接触式机械密封摩擦副三维瞬态滑动接触模型,考虑了接触微凸体之间相互机械作用和摩擦的热力耦合,基于ABAQUS分析平台,首次提出了能够模拟机械密封摩擦副回转运动的计算模型,仿真分析了机械密封摩擦副在干运转条件下的摩擦特性. 研究结果表明:接触面温度分布不均匀,局部温度很高,在接触微凸体中心区域出现极值;在滑动后很短时间内温度急剧上升,随着滑动进行,接触节点温度继续升高,但是温升速率减缓;粗糙体轴向温度梯度较大,其亚表层区域存在较大的热应力,易发生热损伤失效;在接触微凸体轴向距表层较近的局部区域存在拉应力,滑动行为会使微凸体内部拉应力区域扩大,拉应力的数值也增大. 微凸体接触区轴向上的应力状态是变化的,依次为压应力-拉应力-压应力.      

沟槽对界面振动及摩擦磨损特性的影响

选用球-面/面-面两种不同的接触模式,分别探究了摩擦界面沟槽的存在对界面振动及摩擦磨损特性的影响.结果表明:沟槽具有捕获磨屑的能力,能够有效地减轻磨屑对界面磨损的影响,但接触模式的不同,沟槽棱边上的振动及摩擦磨损特性差异显著.在球-面接触模式下,沟槽的存在打断了界面的连续接触,导致界面摩擦信号产生突变,此外,球试样滑过沟槽时与沟槽棱边产生的撞击加剧了棱边的磨损,进而影响了沟槽收集磨屑的效率.在面-面接触中,沟槽的存在实时改变了界面的接触状态,从而导致了界面上接触压力的分布发生了转移,从而改变了界面力信号,此外,块试样与沟槽棱边并没有出现明显的撞击作用,因此沟槽的棱边保存得较为完好.     

船用凸轮-挺柱副摩擦润滑性能研究

随着船舶柴油机功率密度和转速等性能参数的不断提升,配气凸轮-挺柱副面临着更加严苛的工作环境,尤其是界面微观接触区的摩擦学特性,在瞬态载荷冲击、速度冲击、曲率变化及局部粗糙峰接触条件下,界面摩擦及闪温迅速突变,带来磨损和胶合等表面失效问题. 本研究中基于先进三维线接触混合润滑模型,考虑凸轮-挺柱副瞬态突变工况及几何变化、瞬态表面粗糙度影响以及润滑油非牛顿流体作用,采用稳定性好、收敛速度快的准系统数值分析方法开展凸轮-挺柱副摩擦闪温分析,揭示粗糙度参数、工况改变及几何结构对其润滑状态和摩擦闪温特性的影响规律,为船舶柴油机配气凸轮-挺柱副摩擦学优化设计及磨损胶合失效预测提供理论指导.