徐雪榮 吳國(guó)東 田 秀 付紅偉 任 武

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超聲波電機(jī)定、轉(zhuǎn)子在高過(guò)載沖擊環(huán)境下的強(qiáng)度計(jì)算

徐雪榮1，2吳國(guó)東1田 秀2付紅偉2任 武2

（1. 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051； 2. 北京航天控制儀器研究所，北京 100039）

針對(duì)制導(dǎo)炮彈的高過(guò)載應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計(jì)了抗高過(guò)載超聲波電機(jī)，研究了超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)瞬時(shí)超大過(guò)載的耐受情況。仿真分析了電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子在強(qiáng)沖擊載荷下的應(yīng)力和應(yīng)變分布規(guī)律；對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度加強(qiáng)后的轉(zhuǎn)子、對(duì)施加波形彈簧和吸振墊圈的定子進(jìn)行了仿真，對(duì)比分析了緩沖減振措施的效果。對(duì)超聲波電機(jī)的耐過(guò)載特性進(jìn)行了軸向沖擊實(shí)驗(yàn)。綜合仿真計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了超聲波電機(jī)緩沖減振措施的耐過(guò)載能力。

超聲波電機(jī)；高過(guò)載；沖擊；緩沖

1 引言

超聲波電機(jī)是一種新興的精密驅(qū)動(dòng)裝置[1]，其相對(duì)傳統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)優(yōu)勢(shì)明顯，具有響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)緊湊且簡(jiǎn)單的特點(diǎn)[2～4]，同時(shí)也豐富了智能彈藥及小型化導(dǎo)彈執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇[5]。近年來(lái)，已有學(xué)者致力于超聲波舵機(jī)的應(yīng)用研究。陳超等試驗(yàn)研究了8000個(gè)重力加速度沖擊下的超聲波電機(jī)特性，結(jié)果表明，電機(jī)的破壞主要發(fā)生在定子與底座螺釘松動(dòng)、定子薄梁斷裂、壓電陶瓷斷裂或脫落、轉(zhuǎn)子腹板變形或斷裂。然而，目前在超高過(guò)載環(huán)境下（1.5萬(wàn)個(gè)重力加速度），超聲波電機(jī)的性能及抗高過(guò)載特性的研究鮮有報(bào)道。因此，有必要研究該環(huán)境下的超聲波電機(jī)的受力特點(diǎn)及提高其高過(guò)載耐受能力，對(duì)拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義[6]。

針對(duì)具有高過(guò)載環(huán)境的應(yīng)用背景，在高過(guò)載環(huán)境下，仿真計(jì)算了超聲舵機(jī)定、轉(zhuǎn)子的剛強(qiáng)度，分析了其定、轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，提出了定、轉(zhuǎn)子的抗高過(guò)載改進(jìn)措施。對(duì)定子采用添加緩沖波簧、減振墊圈的解決方案；改進(jìn)了轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)并校核。該研究具有較強(qiáng)的工程實(shí)際意義，為超聲波舵機(jī)用于高過(guò)載環(huán)境提供了理論指導(dǎo)。

2 沖擊條件下仿真計(jì)算定、轉(zhuǎn)子的剛強(qiáng)度變化情況

2.1 定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)

定子：采用錫磷青銅QSn6.5-0.1，是銅-錫-磷三元系合金。合金具有高的強(qiáng)度、彈性、耐磨性和抗磁性，主要用作彈性元件和高強(qiáng)度的耐磨零件；轉(zhuǎn)子：采用2A12硬鋁合金，是可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有良好的塑形成形能力和機(jī)械加工性能。定、轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 超聲電機(jī)所用材料參數(shù)

本文研究的高過(guò)載超聲波電機(jī)是基于普通80型超聲舵機(jī)的，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 普通80超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)剖面圖

2.2 定子的剛強(qiáng)度變化情況

表2 超聲波電機(jī)定子高過(guò)載沖擊條件

a 變形云圖

b 應(yīng)力云圖

圖2 定子在沖擊作用下的應(yīng)力變形云圖

定子受到連續(xù)高過(guò)載沖擊的作用，仿真計(jì)算定子的應(yīng)力變形情況如表2所示。固定定子下端與底座連接表面，計(jì)算出定子所受的應(yīng)力變形云圖，如圖2所示。定子的最大應(yīng)力出現(xiàn)在定子內(nèi)圈螺紋孔處，最大值為961.43MPa；定子的最大變形為0.47889mm，如圖3所示。

a 等效應(yīng)力圖

b向變形圖

圖3 定子在沖擊作用下的應(yīng)力變形曲線圖

可見(jiàn)，在沖擊條件下，定子的最大應(yīng)力超過(guò)961.43MPa，大于銅材料的345MPa屈服強(qiáng)度，超過(guò)了銅材料的屈服極限。定子的最大應(yīng)力出現(xiàn)在定子懸臂梁處（見(jiàn)圖4），所以需要對(duì)定子的懸臂梁處進(jìn)行抗高過(guò)載保護(hù)。

圖4 定子剖面圖

定子懸臂梁較薄，厚度僅有0.7mm，用于隔離超聲波電機(jī)定子的固有振型與固定安裝結(jié)構(gòu)。在加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)必然會(huì)影響其振型，從而影響其運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩、速度等[7]。

定子的抗高過(guò)載方法，有兩種緩沖減振措施，一是在定子與底座連接處加減振墊圈；二是在定子、壓電陶瓷下端加緩沖波簧。

改進(jìn)措施：在定子、壓電陶瓷下端加緩沖波簧（如圖5所示）。改進(jìn)后的定子受到連續(xù)高過(guò)載沖擊（見(jiàn)表2）的作用，仿真計(jì)算定子的應(yīng)力變形情況如圖6所示。固定底座下表面，計(jì)算出定子所受的應(yīng)力變形。定子的最大應(yīng)力出現(xiàn)在定子內(nèi)圈螺紋孔處，最大值274.52MPa；定子的最大變形為0.124mm，如圖7、圖8所示。

圖5 定子、緩沖波簧裝配體

圖6 定子的應(yīng)力變形情況

圖7 定子在沖擊作用下的變形圖

圖8 定子在沖擊作用下的應(yīng)力圖

可見(jiàn)，在沖擊條件下，定子的最大應(yīng)力出現(xiàn)在定子薄梁位置，為274.52MPa，小于銅合金材料的最小屈服強(qiáng)度345MPa。所以對(duì)定子的懸臂梁處進(jìn)行的抗高過(guò)載保護(hù)措施效果有效。

2.3 轉(zhuǎn)子的剛強(qiáng)度變化情況

轉(zhuǎn)子受到連續(xù)高過(guò)載沖擊的作用，仿真計(jì)算轉(zhuǎn)子的應(yīng)力變形情況。固定轉(zhuǎn)子下端與軸承連接表面，計(jì)算出定子所受的應(yīng)力變形云圖，如9所示?？梢?jiàn)轉(zhuǎn)子的最大應(yīng)力出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子圓盤腹板處，最大值為297.65MPa；定子的最大變形為0.56811mm（如圖10所示）?？梢?jiàn)，在沖擊條件下，轉(zhuǎn)子的最大應(yīng)力297.65MPa，大于鋁合金材料的最小屈服強(qiáng)度265MPa。所以需要考慮對(duì)轉(zhuǎn)子圓盤腹板處進(jìn)行抗高過(guò)載保護(hù)。

a 變形云圖

b 應(yīng)力云圖

圖9 轉(zhuǎn)子在沖擊作用下的應(yīng)力變形云圖

a 等效應(yīng)力圖

b向變形圖

圖10 轉(zhuǎn)子在沖擊作用下的應(yīng)力變形曲線圖

改進(jìn)措施：加強(qiáng)轉(zhuǎn)子圓盤腹板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。改進(jìn)后的轉(zhuǎn)子受到連續(xù)高過(guò)載沖擊的作用，仿真計(jì)算轉(zhuǎn)子的應(yīng)力變形情況。固定轉(zhuǎn)子下端與軸承連接表面，計(jì)算出定子所受的應(yīng)力變形云圖，如圖11所示?？梢?jiàn)轉(zhuǎn)子的最大應(yīng)力出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子圓盤腹板處，最大值為166.81MPa；定子的最大變形為0.32234mm，如圖12所示?？梢?jiàn)，在沖擊條件下，轉(zhuǎn)子的最大應(yīng)力166.81MPa，小于鋁合金材料的最小屈服強(qiáng)度265MPa。所以轉(zhuǎn)子圓盤腹板處的抗高過(guò)載保護(hù)措施有效。

a 變形云圖

b 應(yīng)力云圖

圖11 轉(zhuǎn)子在沖擊作用下的應(yīng)力變形云圖

a 等效應(yīng)力圖

b向變形圖

圖12 轉(zhuǎn)子在沖擊作用下的應(yīng)力變形曲線圖

3 超聲波電機(jī)的高沖擊過(guò)載實(shí)驗(yàn)及分析

利用氣動(dòng)水平?jīng)_擊響應(yīng)譜試驗(yàn)機(jī)，從實(shí)驗(yàn)角度評(píng)估了沖擊高過(guò)載對(duì)超聲波電機(jī)輸出特性的影響。仿真分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，在沖擊量級(jí)為15kg的條件下，超聲波電機(jī)的定子變形非常微小，其最大變形量小于0.4mm。而定子的壓電陶瓷易碎，在沖擊加速度為15kg時(shí)，陶瓷出現(xiàn)明顯脫落，對(duì)轉(zhuǎn)子的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，從而嚴(yán)重影響電機(jī)的輸出性能[8]。而抗高過(guò)載超聲波電機(jī)在實(shí)驗(yàn)后并未出現(xiàn)顯著變形或裂紋，輸出特性表現(xiàn)良好，如圖13所示。轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)無(wú)明顯外形變化。

a 無(wú)緩沖的定子外觀圖

b 有緩沖的定子外觀圖

圖13 高過(guò)載沖擊后定子外觀圖

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)1.5萬(wàn)個(gè)重力加速度的高過(guò)載環(huán)境，仿真分析了旋轉(zhuǎn)行波超聲波電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的剛強(qiáng)度，并提出了定、轉(zhuǎn)子的抗高過(guò)載解決方案，對(duì)其可能強(qiáng)度失效的部位，進(jìn)行了有針對(duì)性的抗過(guò)載保護(hù)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，該型超聲波電機(jī)在沒(méi)有緩沖設(shè)計(jì)的情況下不能承受1.5萬(wàn)個(gè)重力加速度的高過(guò)載沖擊，外形變化大且電機(jī)輸出特性較差。而經(jīng)過(guò)緩沖設(shè)計(jì)的電機(jī)則無(wú)明顯變形且輸出性能良好。為保證超聲波電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中性能穩(wěn)定，需研究航彈在飛行過(guò)程中的溫度高、濕度大對(duì)電機(jī)輸出性能影響的問(wèn)題[9]，在一些傳統(tǒng)電磁電機(jī)難以應(yīng)用的領(lǐng)域發(fā)揮作用[10]。

1 趙淳生. 超聲電機(jī)技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2007

2 陳超，任金華，石朋友，等. 旋轉(zhuǎn)行波超聲波電機(jī)的沖擊動(dòng)力學(xué)模擬及實(shí)驗(yàn)[J]. 振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2014，34(11)：9～14

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Calculation of Strength of Stator and Rotor for Ultrasonic Motor in High Impact Environment

Xu Xuerong1，2Wu Guodong1Tian Xiu2Fu Hongwei2Ren Wu2

(1. School of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051； 2. Beijing Institute of Aerospace Control Devices, Beijing 100039)

In order to solve the problem of guided projectile in strong shock environment, the anti-high-overloaded ultrasonic motor is designed and analyzed. This paper studies the tolerance of ultrasonic motor structure to transient high overload. The stress and strain distribution of the stator and rotor in strong shock environment are simulated and analyzed. The strength of the rotor is strengthened, and the stator with the wave spring and the vibration absorbing washer is simulated. The effect of buffer damping measures is compared and analyzed. The ultrasonic impact test of the ultrasonic motor is carried out. The overload resistance of the ultrasonic motor is analyzed on the basis of the results of the simulation and the experimental results.

ultrasonic motor；high overload；shock；buffer

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)資金資助（2013YQ470765）。

徐雪榮（1991），碩士，機(jī)電工程專業(yè)；研究方向：沖擊動(dòng)力學(xué)及仿真研究。

2017-09-04