超聲電機磨損失效壽命的快速確定方法與流程
2023-11-05 08:43:32 1
本發明屬於非電轉動類產品加速壽命試驗技術領域，具體來說，本發明涉及一種超聲電機磨損失效壽命的快速確定方法。
背景技術：
參考中國專利201020219439.0所公布的「旋轉型行波超聲電機」以及趙淳生著作《超聲電機技術與應用》等文獻，超聲電機(在本發明中指行波型超聲電機)主要由定子(包括彈性體和壓電陶瓷等)、轉子(包括摩擦材料和轉子圓盤、轉軸等)等組成，其工作原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應，激發彈性體在超聲頻段內的微幅振動，在定子上形成行波，通過定/轉子之間(具體來說是彈性體齒面與摩擦材料之間)的摩擦作用將振動轉化為轉子的旋轉運動，輸出功率，驅動附負載。
與傳統電磁電機不同，超聲電機由壓電陶瓷驅動，無需線圈和變速機構，具有質量輕、體積小、無磁場、單位能量密度高等優點。因此，超聲電機在工業、國防、機器人、汽車、辦公設備等方面的應用前景是巨大的，例如：
照相機、攝像機的鏡頭自動調焦驅動；
軍用望遠鏡自動調焦；
計算機硬碟和光碟驅動與定位；
小汽車中的自動控制；
飛彈、軍用武器裝備的自動瞄準與目標跟蹤；
微小衛星掃描驅動裝置；
微型機器人驅動，軍事偵察用微型機械蟲和微型直升機驅動；
微型醫療器件；
微型機械。
在航天領域，超聲電機已經開始應用於火星車、月球車等航天領域，是新產品、新技術航天應用的典型代表，備受各國航天界重視。
但是，超聲電機的進一步廣泛應用仍存在制約。超聲電機依靠摩擦力來傳遞力矩，磨損是必然存在的。在行波超聲電機的結構設計中，磨損主要表現為摩擦材料的磨損，其磨損是由於定子對摩擦材料的反覆作用造成的。磨損導致的失效是超聲電機最常見的失效形式，摩擦材料的磨損是影響和制約著超聲電機的使用壽命及可靠性的主要原因。因此，對超聲電機的壽命評估主要基於其摩擦材料磨損這一失效形式。
超聲電機在惡劣環境中長期可靠應用以及進一步發展超聲電機技術都離不開壽命預測技術。考慮到超聲電機技術進步及工作壽命延長的現狀，傳統的1:1時間的壽命試驗耗時過久，已經不能滿足航空航天和國防任務的即時性和快速部署的需求。超聲電機壽命的快速確定技術已經成為促進超聲電機進一步應用和快速部署的關鍵技術，並可以大大節約試驗成本。目前，非電產品的加速壽命試驗技術目前尚不成熟，一般通過失效物理方法針對具體產品做出具體分析，研究難度較高。
作為轉動類非電產品的典型代表，突破超聲電機磨損失效壽命的快速確定技術不僅將填補一項技術空白，還將促進超聲電機技術的發展和快速部署,具有非常重要的實用價值。
在超聲電機技術領域，前人已做了不少研究。趙淳生在著作《超聲電機技術與應用》推導了定子齒面上質點的最大切向速度解析表達式(本文檔中簡稱定子行波速度)；介紹了定/轉子接觸模型，可以用來計算轉子受到接觸面的軸向力；介紹了超聲電機的壽命試驗系統，包括超聲電機、驅動器、光電傳感器、計算機等，可以監測超聲電機的轉子轉速、總轉數、失效時間等。Wei Zheng在論文「A wear evaluation of friction materials used for rotary ultrasonic motors」中介紹了一種超聲電機摩擦材料的磨損模型，即單位時間磨損量是磨損率、定/轉子速度差和轉子受到接觸面的軸向力的乘積。田秀在論文「真空低溫下超聲馬達性能及其摩擦材料的研究」介紹了通過測量壽命試驗過程中摩擦材料的磨損高度來計算磨損係數(即磨損率)的方法；同時介紹了一種超聲電機磨損壽命測試系統，可以測試超聲電機的轉矩、轉速、溫度等參數。以上研究為提出超聲電機磨損失效壽命的快速確定方法奠定了基礎。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種超聲電機磨損失效的加速壽命試驗與分析技術，用於快速評估超聲電機的工作壽命。
本發明的技術方案如下：
一種超聲電機磨損失效壽命的快速確定方法，包括如下步驟：
a.確定超聲電機加速壽命試驗的加速應力和磨損失效判據，在加速應力下進行超聲電機的加速壽命試驗，監測磨損過程的全壽命周期中摩擦材料磨損量(用於計算磨損率)、轉子轉速、定子溫度、摩擦轉矩、失效時間等參數；
b.在加速壽命試驗進行的同時，進行正常應力下超聲電機的壽命試驗，監測磨損過程的中摩擦材料磨損量(用於計算磨損率)、轉子轉速、定子溫度、摩擦轉矩等參數，在加速應力下所有電機失效後停止正常應力下的超聲電機壽命試驗，其參數監測方法同步驟a的監測方法；
c.基於定子行波速度解析表達式計算定子行波速度；基於超聲電機的定/轉子接觸模型獲得轉子受到接觸面的軸向力等壽命試驗過程中不易測得的參數。
d.根據上述參數，結合超聲電機的定/轉子磨損模型，根據所推導加速因子表達式計算加速因子。
e.根據加速因子和加速應力下的磨損失效時間反推正常應力下超聲電機的使用壽命。
其中，超聲電機的定/轉子磨損模型記作：
模型中：
V——磨損體積；
k0——單位長度磨損率；
w——壓強；
l——磨損長度；
S——定子齒面面積；
——轉子受到接觸面的軸向力；
vrotor——轉子轉速(線速度)；
vu——行波速度；
t——磨損時間；
則超聲電機的壽命Tt可表達為：
其中，Vmax為由失效判據決定的最大允許的體積磨損量，對於某一超聲電機、在定/轉子初始預緊力Fp0一定時認為是確定的。
進一步地，選定加速應力時，在加速應力下超聲電機的壽命表達式為：
則加速因子β0可表示為：
其中，加速應力為電機負載、轉子轉速、環境溫度、電機輸入電壓的一種或多種。
進一步地，在積累足夠的摩擦材料磨損數據的情況下可在加速應力下的加速壽命試驗和正常應力下的壽命試驗中省去監測磨損過程摩擦材料磨損量的步驟。
本發明的有益效果為，在加速應力下，加速壽命試驗耗時較短，起到快速確定超聲電機磨損壽命的目的。
具體實施方式
以下介紹的是作為本發明所述內容的具體實施方式，下面通過具體實施方式對本發明的所述內容作進一步的闡明。當然，描述下列具體實施方式只為示例本發明的不同方面的內容，而不應理解為限制本發明範圍。
本發明的超聲電機磨損失效壽命的快速確定方法，用於快速評估超聲電機的工作壽命。
實施方式1
該實施方式的超聲電機工作在恆定環境溫度條件下，加速應力為電機負載，其基本技術途徑通過以下步驟實現：
a.確定超聲電機加速壽命試驗的加速應力和磨損失效判據，在加速應力下進行超聲電機的加速壽命試驗，監測磨損過程的全壽命周期中摩擦材料磨損量(用於計算磨損率)、轉子轉速、定子溫度、摩擦轉矩、失效時間等參數；
可參考趙淳生著作《超聲電機技術與應用》中介紹的超聲電機的壽命試驗系統以及田秀在論文「真空低溫下超聲馬達性能及其摩擦材料的研究」介紹的一種超聲電機磨損壽命測試系統和壽命試驗方法，壽命試驗中監測了轉子轉速、定子溫度、摩擦轉矩、失效時間。參考田秀論文「真空低溫下超聲馬達性能及其摩擦材料的研究」通過測量壽命試驗過程中摩擦材料的磨損高度來計算磨損係數(即磨損率)的方法來監測計算摩擦材料磨損率。
確定加速應力為電機負載(阻力轉矩)，增大電機負載會降低轉子轉速，而對行波速度沒有直接影響，從式(2)可以看出，這將增大定/轉子間的速度差，相應的增大磨損，縮短超聲電機的壽命，起到加速失效進程的作用。
電機負載水平應在不改變超聲電機磨損失效模式的前提下儘可能大於超聲電機的正常工作負載，失效判據為摩擦負載大於某個常數，參考趙淳生著作《超聲電機技術與應用》和田秀的論文「真空低溫下超聲馬達性能及其摩擦材料的研究」設計實施超聲電機在加速應力下的壽命試驗，試驗中監測記錄摩擦材料磨損高度來計算磨損係數(即磨損率)、轉子轉速(由電機軸串聯的旋轉編碼器記錄)、定子溫度(由定子上粘結的熱敏電阻記錄)、失效時間(由失效判據決定)等參數。
b.在加速壽命試驗進行的同時，進行正常應力下超聲電機的壽命試驗，監測磨損過程的中摩擦材料磨損量(用於計算磨損率)、轉子轉速、定子溫度、摩擦轉矩等參數，在加速應力下所有電機失效後停止正常應力下的超聲電機壽命試驗；
參數監測方法同a。
c.基於定子行波速度解析表達式計算定子行波速度；基於超聲電機的定/轉子接觸模型獲得轉子受到接觸面的軸向力等壽命試驗過程中不易測得的參數。
參考趙淳生著作《超聲電機技術與應用》中推導的定子齒面上質點的最大切向速度解析表達式計算定子行波速度；根據定/轉子接觸模型計算接觸面壓力分布，進一步計算轉子受到接觸面的軸向力。
d.根據上述參數，結合超聲電機的定/轉子磨損模型，根據所推導加速因子表達式計算加速因子。
結合Wei Zheng在論文「A wear evaluation of friction materials used for rotary ultrasonic motors」中介紹的一種超聲電機摩擦材料的磨損模型，即單位時間磨損量是磨損率、定/轉子速度差和轉子受到接觸面的軸向力的乘積。
根據式(4)計算加速因子，各參數的獲取方法參考表1。
式(4)中各參數的獲取方法歸納於表1。
表1加速因子表達式各參數獲取方法
e.根據加速因子和加速應力下的磨損失效時間反推正常應力下超聲電機的使用壽命。
即
儘管上文對本發明的具體實施方式進行了較詳細的描述和說明，但應該指明的是，我們可以對上述實施方式進行各種改變和修改，但這些都不脫離本發明的精神和所附的權利要求所記載的範圍。