直线超声电机微观摩擦磨损分析和实验研究

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1、中图分类号：TM356论文编号：102870117-B045学科分类号：080104博士学位论文直线超声电机微观摩擦磨损分析和实验研究研究生姓名吕其宝学科、专业工程力学研究方向工程结构的动力学分析指导教师姚志远教授南京航空航天大学研究生院航空宇航学院二О一七年十二月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineeringMicroFrictionandWearAnalysisandExperimentalInvestigat

2、ionofLinearUltrasonicMotorAThesisinEngineerMechanicsbyLvQibaoAdvisedbyProf.YaoZhiyuanSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyDecember,2017承诺书本人声明所呈交的博/硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或

3、其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学博士学位论文摘要直线超声电机利用压电材料的逆压电效应激发出定子的微幅振动，并通过界面摩擦作用将定子的振动转化为动子的直线运动。其中，定子和动子之间的摩擦接触会影响直线超声电机的输出性能和输出效率。直线超声电机的接触特性与接触表面形貌以及磨损等因素有关。电机实际接触表面是由许多粗糙峰组成，粗糙峰的高低和分布不仅会

4、影响电机的输出特性，还会影响电机运行的稳定性和可靠性。直线超声电机微观摩擦磨损的研究涉及多方面的内容，需要全面和深入的探讨。为此，本文针对直线超声电机的微观接触特性开展理论和实验研究，主要的研究内容和成果如下：(1)直线超声电机的接触表面由一系列大小和高度不同的粗糙峰组成，在实际接触过程中，接触峰点不仅会发生弹性变形，而且也会发生塑性变形。基于接触理论，提出了一个考虑表面粗糙度的弹塑性接触模型。利用该接触模型，建立了基于面内纵弯模态直线超声电机的整机动力学模型。研究了表面粗糙度参数对电机相对接触时间和输出特性的影响，分析了定子和动子之间力的传递规律

5、，并与线弹性模型进行了比较。实验结果表明，相比传统的线弹性接触模型，弹塑性模型能够更真实的反映定子和动子之间的接触特性，并且能够评估电机的输出性能。(2)基于直线超声电机的动力学模型，利用ANSYS对电机进行了热力学仿真。分析了电机的温度分布，研究了表面粗糙度对电机温度的影响。由于有限元分析中假定电机的材料参数、输出特性以及能量损耗不受温度影响，不能反映电机温度与材料和输出性能的关系。针对该问题，在电机动力学模型的基础上，考虑定子材料的热力学特性，建立了电机参数随温度变化的热机电耦合动力学模型。实验结果表明，该模型不仅能够预测电机运行时的温度变化，

6、而且能够评估表面粗糙度和热机电耦合效应对电机性能的影响。(3)基于直线超声电机的工作原理，设计了用于研究直线超声电机摩擦磨损的实验系统。利用该摩擦磨损实验系统，研究了摩擦材料、预压力和驱动频率对直线超声电机输出速度和磨损率的影响规律。根据实验结果，分析了电机接触表面的形貌变化和磨损机理，为直线超声电机的寿命预测提供理论和数据支持。(4)基于弹塑性接触模型和Archard磨损公式，考虑超声振动对磨损的影响，建立了直线超声电机的磨损预测模型。该模型不仅考虑了表面粗糙度参数在磨损中的变化，而且考虑了磨损高度和预压力之间的关系。通过仿真得到了电机的磨损寿命

7、曲线和速度变化曲线，并与实验结果进行了比较。实验结果表明，该模型能够预测电机运行时的磨损体积和速度的动态变化。关键词：直线超声电机，表面粗糙度，弹塑性模型，动力学建模，热机电耦合，磨损预测I直线超声电机微观摩擦磨损分析和实验研究本课题受到了国家重点基础研究发展计划（973计划）（项目编号：2011CB707602）和国家自然科学基金资助项目（项目编号：51275229）的资助。本学位论文在机械结构力学及控制国家重点实验室（南京航空航天大学）完成。II南京航空航天大学博士学位论文ABSTRACTLinearultrasonicmotor(LUSM)u

8、sestheconversepiezoelectriceffectofpiezoelectricmaterialstoex