真空低温下超声马达性能及其摩擦材料的研究

【摘要】： 超声马达具有结构简单质量轻、低速大转矩及无电磁干扰等结构和驱动特性方面的独特优势,使其在航空航天领域中具有广阔的应用前景。近年来,超声马达在非常态环境下的研究,已成为国内外学者关注的热点。然而,真空低温下的超声马达及其摩擦材料研究仍不完善。除此之外,摩擦材料的磨损寿命预测问题亟待解决。因此,研究在真空低温下超声马达的摩擦材料与磨损寿命预测理论,对非常态下的超声马达结构设计、完善理论模型以及提高其性能和可靠性,均具有重要的理论和实际意义。 首先针对实验室原有超声马达定子导热性差的问题,设计出内圆固定的超声马达定子结构,使其易于导热和导冷。并利用有限元方法,仿真分析了定子结构参数对其振动参量的影响,优化了定子的尺寸。在此基础上,搭建了真空低温环境超声马达实验系统,模拟非常态苛刻环境和马达实际运行工况,为真空低温下超声马达研究提供基础实验平台。 在真空低温下考察胶粘剂、压电陶瓷、轴承和摩擦材料等结构参数对超声马达性能的影响,提出了真空低温下的超声马达设计原则,用以指导非常态下的超声马达结构设计。继而改进了超声马达的结构,并与商用超声马达对比研究了行波型超声马达在真空低温环境下的特性,为真空低温下的摩擦材料研究提供可靠的实验装置。 针对真空低温环境,研究了超声马达摩擦材料的特性。选择国内常用的几种摩擦材料,实验分析其在真空低温下的超声驱动特性和磨损特性。通过大量的超声马达实验,探讨了非常态环境下多种摩擦材料的摩擦学行为,提出了真空低温下的超声马达摩擦材料设计原则,为真空低温下超声马达摩擦材料的研制提供选材依据,并为超声马达摩擦材料寿命预测提供了实验数据。 研制出适用于真空低温环境的超声马达摩擦材料。提出以聚苯酯和聚四氟乙烯共混作为基体制备超声电机摩擦材料的思路,针对其力学和摩擦学性能的问题,利用2种耐热性树脂对聚苯酯基体进行改性。通过大量的实验研究,得出填料合理用量范围,利用正交实验设计方法进行复合配方设计,实现配方组分对配方性能的可控,研制出一种满足使用要求的超声马达摩擦材料,通过真空低温下与国内常用摩擦材料的对比和实机实验,证明其具有较好的驱动特性,是一种适用于真空低温环境的高性能超声马达摩擦材料。 通过从微观角度对行波型超声马达摩擦材料的磨损起因分析,研究了超声马达摩擦材料的磨损预测方法。基于Archard磨损公式,计及超声波振动对磨损的影响,计算出法向压力分布和相对滑动速度函数,建立了行波型超声马达摩擦材料的磨损预测模型。该模型不仅考虑了摩擦材料在磨损中的厚度、摩擦材料刚度和预压力变化,而且考虑了行波中位移和时间参数之间的对应关系来分析定转子的接触区间大小。探讨了真空低温环境对材料磨损参数的影响,对真空低温下的摩擦材料磨损预测模型进行了修正。研制出超声马达的摩擦材料磨损寿命测试台,可以模拟马达实际运行工况,研究马达工作参数对摩擦材料磨损特性和使用寿命的影响。应用此实验台,测试了行波型超声马达摩擦材料的磨损寿命。将测试结果与本文的磨损模型预测曲线相比较,验证了理论模型的有效性。