CN106646221B - 超声电机磨损失效寿命的快速确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声电机磨损失效寿命的快速确定方法，即在加速应力下进行超声电机的加速寿命试验，监测磨损过程的全寿命周期中摩擦材料磨损量、转子转速、定子温度、摩擦转矩、失效时间等参数；在加速寿命试验进行的同时，进行正常应力下超声电机的寿命试验，监测磨损过程中摩擦材料磨损量等参数，在加速应力下所有电机失效后停止正常应力下的超声电机寿命试验；基于定子行波速度解析表达式计算定子行波速度并基于超声电机的定/转子接触模型获得转子受到接触面的轴向力等寿命试验过程中不易测得的参数；根据加速因子和加速应力下的磨损失效时间反推正常应力下超声电机的使用寿命。在加速应力下，寿命试验耗时较短，起到快速确定寿命的目的。

Description

超声电机磨损失效寿命的快速确定方法
技术领域
本发明属于非电转动类产品加速寿命试验技术领域，具体来说，本发明涉及一种超声电机磨损失效寿命的快速确定方法。
背景技术
参考中国专利201020219439.0所公布的“旋转型行波超声电机”以及赵淳生著作《超声电机技术与应用》等文献，超声电机(在本发明中指行波型超声电机)主要由定子(包括弹性体和压电陶瓷等)、转子(包括摩擦材料和转子圆盘、转轴等)等组成，其工作原理是利用压电陶瓷的逆压电效应，激发弹性体在超声频段内的微幅振动，在定子上形成行波，通过定/转子之间(具体来说是弹性体齿面与摩擦材料之间)的摩擦作用将振动转化为转子的旋转运动，输出功率，驱动附负载。
与传统电磁电机不同，超声电机由压电陶瓷驱动，无需线圈和变速机构，具有质量轻、体积小、无磁场、单位能量密度高等优点。因此，超声电机在工业、国防、机器人、汽车、办公设备等方面的应用前景是巨大的，例如：
照相机、摄像机的镜头自动调焦驱动；
军用望远镜自动调焦；
计算机硬盘和光盘驱动与定位；
小汽车中的自动控制；
导弹、军用武器装备的自动瞄准与目标跟踪；
微小卫星扫描驱动装置；
微型机器人驱动，军事侦察用微型机械虫和微型直升机驱动；
微型医疗器件；
微型机械。
在航天领域，超声电机已经开始应用于火星车、月球车等航天领域，是新产品、新技术航天应用的典型代表，备受各国航天界重视。
但是，超声电机的进一步广泛应用仍存在制约。超声电机依靠摩擦力来传递力矩，磨损是必然存在的。在行波超声电机的结构设计中，磨损主要表现为摩擦材料的磨损，其磨损是由于定子对摩擦材料的反复作用造成的。磨损导致的失效是超声电机最常见的失效形式，摩擦材料的磨损是影响和制约着超声电机的使用寿命及可靠性的主要原因。因此，对超声电机的寿命评估主要基于其摩擦材料磨损这一失效形式。
超声电机在恶劣环境中长期可靠应用以及进一步发展超声电机技术都离不开寿命预测技术。考虑到超声电机技术进步及工作寿命延长的现状，传统的1:1时间的寿命试验耗时过久，已经不能满足航空航天和国防任务的即时性和快速部署的需求。超声电机寿命的快速确定技术已经成为促进超声电机进一步应用和快速部署的关键技术，并可以大大节约试验成本。目前，非电产品的加速寿命试验技术目前尚不成熟，一般通过失效物理方法针对具体产品做出具体分析，研究难度较高。
作为转动类非电产品的典型代表，突破超声电机磨损失效寿命的快速确定技术不仅将填补一项技术空白，还将促进超声电机技术的发展和快速部署,具有非常重要的实用价值。
在超声电机技术领域，前人已做了不少研究。赵淳生在著作《超声电机技术与应用》推导了定子齿面上质点的最大切向速度解析表达式(本文档中简称定子行波速度)；介绍了定/转子接触模型，可以用来计算转子受到接触面的轴向力；介绍了超声电机的寿命试验***，包括超声电机、驱动器、光电传感器、计算机等，可以监测超声电机的转子转速、总转数、失效时间等。Wei Zheng在论文“A wear evaluation of friction materials usedfor rotary ultrasonic motors”中介绍了一种超声电机摩擦材料的磨损模型，即单位时间磨损量是磨损率、定/转子速度差和转子受到接触面的轴向力的乘积。田秀在论文“真空低温下超声马达性能及其摩擦材料的研究”介绍了通过测量寿命试验过程中摩擦材料的磨损高度来计算磨损系数(即磨损率)的方法；同时介绍了一种超声电机磨损寿命测试***，可以测试超声电机的转矩、转速、温度等参数。以上研究为提出超声电机磨损失效寿命的快速确定方法奠定了基础。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超声电机磨损失效的加速寿命试验与分析技术，用于快速评估超声电机的工作寿命。
本发明的技术方案如下：
一种超声电机磨损失效寿命的快速确定方法，包括如下步骤：
a.确定超声电机加速寿命试验的加速应力和磨损失效判据，在加速应力下进行超声电机的加速寿命试验，监测磨损过程的全寿命周期中摩擦材料磨损量(用于计算磨损率)、转子转速、定子温度、摩擦转矩、失效时间等参数；
b.在加速寿命试验进行的同时，进行正常应力下超声电机的寿命试验，监测磨损过程的中摩擦材料磨损量(用于计算磨损率)、转子转速、定子温度、摩擦转矩等参数，在加速应力下所有电机失效后停止正常应力下的超声电机寿命试验，其参数监测方法同步骤a的监测方法；
c.基于定子行波速度解析表达式计算定子行波速度；基于超声电机的定/转子接触模型获得转子受到接触面的轴向力等寿命试验过程中不易测得的参数。
d.根据上述参数，结合超声电机的定/转子磨损模型，根据所推导加速因子表达式计算加速因子。
e.根据加速因子和加速应力下的磨损失效时间反推正常应力下超声电机的使用寿命。
其中，超声电机的定/转子磨损模型记作：
模型中：
V——磨损体积；
k0——单位长度磨损率；
w——压强；
l——磨损长度；
S——定子齿面面积；
——转子受到接触面的轴向力；
vrotor——转子转速(线速度)；
vu——行波速度；
t——磨损时间；
则超声电机的寿命Tt可表达为：
其中，Vmax为由失效判据决定的最大允许的体积磨损量，对于某一超声电机、在定/转子初始预紧力Fp0一定时认为是确定的。
进一步地，选定加速应力时，在加速应力下超声电机的寿命表达式为：
则加速因子β0可表示为：
其中，加速应力为电机负载、转子转速、环境温度、电机输入电压的一种或多种。
进一步地，在积累足够的摩擦材料磨损数据的情况下可在加速应力下的加速寿命试验和正常应力下的寿命试验中省去监测磨损过程摩擦材料磨损量的步骤。
本发明的有益效果为，在加速应力下，加速寿命试验耗时较短，起到快速确定超声电机磨损寿命的目的。
具体实施方式
以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。
本发明的超声电机磨损失效寿命的快速确定方法，用于快速评估超声电机的工作寿命。
实施方式1
该实施方式的超声电机工作在恒定环境温度条件下，加速应力为电机负载，其基本技术途径通过以下步骤实现：
a.确定超声电机加速寿命试验的加速应力和磨损失效判据，在加速应力下进行超声电机的加速寿命试验，监测磨损过程的全寿命周期中摩擦材料磨损量(用于计算磨损率)、转子转速、定子温度、摩擦转矩、失效时间等参数；
可参考赵淳生著作《超声电机技术与应用》中介绍的超声电机的寿命试验***以及田秀在论文“真空低温下超声马达性能及其摩擦材料的研究”介绍的一种超声电机磨损寿命测试***和寿命试验方法，寿命试验中监测了转子转速、定子温度、摩擦转矩、失效时间。参考田秀论文“真空低温下超声马达性能及其摩擦材料的研究”通过测量寿命试验过程中摩擦材料的磨损高度来计算磨损系数(即磨损率)的方法来监测计算摩擦材料磨损率。
确定加速应力为电机负载(阻力转矩)，增大电机负载会降低转子转速，而对行波速度没有直接影响，从式(2)可以看出，这将增大定/转子间的速度差，相应的增大磨损，缩短超声电机的寿命，起到加速失效进程的作用。
电机负载水平应在不改变超声电机磨损失效模式的前提下尽可能大于超声电机的正常工作负载，失效判据为摩擦负载大于某个常数，参考赵淳生著作《超声电机技术与应用》和田秀的论文“真空低温下超声马达性能及其摩擦材料的研究”设计实施超声电机在加速应力下的寿命试验，试验中监测记录摩擦材料磨损高度来计算磨损系数(即磨损率)、转子转速(由电机轴串联的旋转编码器记录)、定子温度(由定子上粘结的热敏电阻记录)、失效时间(由失效判据决定)等参数。
b.在加速寿命试验进行的同时，进行正常应力下超声电机的寿命试验，监测磨损过程的中摩擦材料磨损量(用于计算磨损率)、转子转速、定子温度、摩擦转矩等参数，在加速应力下所有电机失效后停止正常应力下的超声电机寿命试验；
参数监测方法同a。
c.基于定子行波速度解析表达式计算定子行波速度；基于超声电机的定/转子接触模型获得转子受到接触面的轴向力等寿命试验过程中不易测得的参数。
参考赵淳生著作《超声电机技术与应用》中推导的定子齿面上质点的最大切向速度解析表达式计算定子行波速度；根据定/转子接触模型计算接触面压力分布，进一步计算转子受到接触面的轴向力。
d.根据上述参数，结合超声电机的定/转子磨损模型，根据所推导加速因子表达式计算加速因子。
结合Wei Zheng在论文“A wear evaluation of friction materials used forrotary ultrasonic motors”中介绍的一种超声电机摩擦材料的磨损模型，即单位时间磨损量是磨损率、定/转子速度差和转子受到接触面的轴向力的乘积。
根据式(4)计算加速因子，各参数的获取方法参考表1。
式(4)中各参数的获取方法归纳于表1。
表1加速因子表达式各参数获取方法
e.根据加速因子和加速应力下的磨损失效时间反推正常应力下超声电机的使用寿命。
即
尽管上文对本发明的具体实施方式进行了较详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。

Claims (4)

1.超声电机磨损失效寿命的快速确定方法，包括如下步骤：
a.确定超声电机加速寿命试验的加速应力和磨损失效判据，在加速应力下进行超声电机的加速寿命试验，监测磨损过程的全寿命周期中摩擦材料磨损量、转子转速、定子温度、摩擦转矩、失效时间参数；
b.在加速寿命试验进行的同时，进行正常应力下超声电机的寿命试验，监测磨损过程的中摩擦材料磨损量、转子转速、定子温度、摩擦转矩参数，在加速应力下所有电机失效后停止正常应力下的超声电机寿命试验，其参数监测方法同步骤a的监测方法；
c.基于定子行波速度解析表达式计算定子行波速度；基于超声电机的定/转子接触模型获得转子受到接触面的轴向力参数；
d.根据定子行波速度和轴向力参数，结合超声电机的定/转子磨损模型，根据所推导加速因子表达式计算加速因子；
e.根据加速因子和加速应力下的磨损失效时间反推正常应力下超声电机的使用寿命；
其中，超声电机的定/转子磨损模型记作：
模型中：
V——磨损体积；
k0——单位长度磨损率；
w——压强；
l——磨损长度；
S——定子齿面面积；
——转子受到接触面的轴向力；
vrotor——转子转速；
vu——行波速度；
t——磨损时间；
则超声电机的寿命Tt可表达为：
其中，Vmax为由失效判据决定的最大允许的体积磨损量，对于某一超声电机、在定/转子初始预紧力Fp0一定时认为是确定的。
2.如权利要求1所述的方法，其中，选定加速应力时，在加速应力下超声电机的寿命表达式为：
则加速因子β0表示为：
3.如权利要求1所述的方法，其中，加速应力为电机负载、转子转速、环境温度、电机输入电压的一种或多种。
4.如权利要求1所述的方法，其中，在积累足够的摩擦材料磨损数据的情况下在加速应力下的加速寿命试验和正常应力下的寿命试验中省去监测磨损过程摩擦材料磨损量的步骤。
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