编辑：新乡矿用变压器厂家 日期：2019-01-11 人气：309
材料对超声新乡矿用变压器性能的影响及其选择 核心提示： 超声新乡矿用变压器是利用超声振动作为驱动力的一种新型新乡矿用变压器，它由振动和移动两部分组成，靠振动体和移动体之间的摩擦力来驱动20世纪70年代美国首先研制出超声[cityn矿用变压器ame]矿用变压器近10年，由于压电陶瓷材料研究的突破，在全世超声新乡矿用变压器是利用超声振动作为驱动力的一种新型新乡矿用变压器，它由振动和移动两部分组成，靠振动体和移动体之间的摩擦力来驱动20世纪70年代美国首先研制出超声新乡矿用变压器近10年，由于压电陶瓷材料研究的突破，在全世界掀起了超声新乡矿用变压器研究的高潮，相继开发出各种各样的超声新乡矿用变压器由于该新乡矿用变压器没有铁心和线圈、结构简单体积小、重量轻、响应快、力矩大，不需配合减速装置就可以低速运行，因此很适合用于办公室自动化设备、精密定位控制系统、照相机和摄像机等的驱动，也可以用于机器人、汽车电器等的驱动。
超声新乡矿用变压器是利用压电陶瓷的逆压电效应，将基金项目：江苏省“333工程”基金资助项目（1998年）；国家自然科学基金资助项目（50047021）电能转换为机械能的一种压电换能器，因而压电材料对新乡矿用变压器的性能起着至关重要的作用。另外，超声新乡矿用变压器是靠摩擦驱动，将定子的振动能转换为转子的旋转机械能，因此，摩擦材料也是影响新乡矿用变压器性能的重要材料压电陶瓷大都具有大的抗压强度，但抗张强度较小。因此，在利用其逆压电特性时，必须将其牢牢粘于定子底部。否则，在激励下很容易破裂而粘结的好坏直接决定于胶粘剂和粘结工艺。本文将对这些材料的选择进行较详细的讨论，同时也介绍了其它材料的选择2压电材料2.1压电陶瓷的选择居里兄弟在100多年前发现了压电效应，开创了压电学的历史。但压电陶瓷真正在工程中获得广泛应用还是在Pb3，Zr3Ti3等压电陶瓷出现以后。
压电陶瓷是新乡矿用变压器将电能转换为机械能的换能材料，也是新乡矿用变压器关键材料。超声新乡矿用变压器中通常采用施加交变电压后能产生机械谐振位移的“硬性”压电陶瓷材料，其质量的好坏直接影响新乡矿用变压器性能，所以要求压电陶瓷材料：居里点较高，工作温度范围较宽压电性能稳定、抗老化性能好。
机械强度高，大功率下不易破裂较高的压电常数（d33），以便实现低电压驱动和大的转矩输出。
低的介电损耗（tanW）高的机械品质因数（Qm），从而提高机电能量转换效率国外基本上都采用大功率压电陶瓷材料，如PZT-4PZT- 88等。本文分别采用了PZT-4和PZT-8材料具体要求为：压电陶瓷片的Qm> <1%，压电陶瓷片上各极化分区测量到的压电系数差值在±10%之间。
2.2压电陶瓷片易破裂的原因分析在超声新乡矿用变压器运行调试及性能测试中，出现某些新乡矿用变压器的压电陶瓷片易破裂的现象经反复试验和比较分析后得出如下结论。
对于直径为60mm新乡矿用变压器，由于其使用的压电陶瓷片的动态抗张强度较小，因而在样机的整体时效处理阶段，压电陶瓷片出现了破裂现象尽管压电陶瓷片局部破裂和脱落后，新乡矿用变压器在小预压力下仍能输出一定的转矩，但其数值很小，且随着运行时间的增长，压电片会出现进一步的疲劳损坏和破裂，直至无转矩输出。由此需要对所使用的压电陶瓷片的抗张强度提出进一步要求，并适当增加压电陶瓷片的厚度。
由于直径为45mm新乡矿用变压器所用的压电陶瓷片的内径比定子弹性体略小，在激励下陶瓷片内径边缘产生无约束振动，很容易引起陶瓷片破裂调试中的民有未加处理的压电片都很快的破裂损坏因此，一定要保证压电片与定子尺寸的一致性，不一致的压电片要经过磨削，使其内外径同定子弹性体的内外径一致3摩擦材料3.1摩擦材料的选择超声新乡矿用变压器中定、转子间的摩擦模型还不成熟，古典摩擦理论认为摩擦力仅取决于接触压力和材料的性质显然是不够的。因为，在超声振动条件下，材料的摩擦力将受到振动振幅接触面积及滑动速度诸多因素的影响。这里主要对摩擦材料特性的选择进行讨论。
行波超声新乡矿用变压器是依靠摩擦力来传递动力的，为了提高新乡矿用变压器的能量转换效率，常在定转子间加一层摩擦材料摩擦材料的硬度要适当，太软或变型太大都不行，因为这样会造成转子和定子整体接触，从而使接触界面间两个方向相反的推力同时作用于转子上而相互抵消，使转子无法转动同样，摩擦材料太硬或变形太小也不行，因为那样会造成定转子在行波波峰处接触面积过小，从而降低转子的输出。此外，摩擦材料还起到降低磨损和延长新乡矿用变压器寿命的作甩考虑到上述因素，摩擦材料必须满足如下要求：大的摩擦系数高的耐磨性、无接触摩擦噪声、热稳定性好。
有适当的机械性能，特别是适当的硬度动、静摩擦系数相等，低速无蠕动、爬行现象接触时不激起定子和转子间的其它振动，特别是要求不吸收定子的切向振动可进行精密加工，热化学稳定性妊根据上述要求，一般选用高聚物作为摩擦材料，它由有机纤维和树脂以一定比例混合而成如芳香族聚酰胺有机物聚四氟乙烯、石墨，再添加一些带状或片状的玻璃纤维复合材料，或某些树脂加入胶合芳香族聚酰胺纤维其中聚酰胺可改善承载性能，聚四氟乙烯可改善耐磨性能，石墨则是为了改善摩擦特性本文选用的摩擦材料为渗碳聚四氟乙烯和一些试制的型材3.2不同摩擦材料对新乡矿用变压器性能的影响07kHz电压为130Vi.ms的激励下，对直径为30mm的超声新乡矿用变压器采用不同摩擦材料进行了测试，结果如所示中效率为包括驱动器在内的整体效率，新乡矿用变压器本身的效率约为30%中，PTFE指渗碳聚四氟乙烯，No. 1为环氧树脂构成的摩檫材料，No. 2为环氧树脂加丙纶纤维构成的摩擦材料，No. 3表示无摩擦材料（即铝制转子直接与定子表面接触）由可知，硬接触表面的转子（如无摩擦材料或具有环氧树脂摩擦材料表面）的空载转速较高，这是由于硬接触表面转子变形小，定转子接触区域小，因而其速度接近于行波波峰点处的周向速度，而软接触表面存在变形，定转子接触区域大，转子速度为整个接触区域的平均值，与波峰点处的周向速度峰值有很大差距。而且，由于硬接触表面接触区域小，有负载力矩时容易发生滑动，因而转速随力矩的增加而下降的速度远远快于软性接触表面，其最大输出转矩也要小得多。
实验中还发现，转子与定子接触面的硬度不是噪声产生的主要原因，如无摩擦材料的转子低速运行时并没有发出刺耳的噪声，而较软的环氧树脂加纤维摩擦材料的转子却由于面面接触情况不佳而有噪声出现因而，作者认为接触面的配合、压力分布、定子振动的对称性、定转子间的滑动是决定是否产生噪声的主要因素。
心4胶粘剂4.1胶粘剂的选择100V两相电压激励下粘结层内最大的剪切应力为1.17MPa，对于本系列新乡矿用变压器，有可能工作在400V电压激励下，此时粘结层的剪切应力为4.67MPa考虑到胶层粘结及安全裕度等，粘结层材料的抗剪切强度必须在1MPa以上因此，在选择粘结胶时必须注意满足要求：有高强度和高韧性粘结效果。
能够防止化学和水蒸汽的侵蚀粘结和撕裂强度高，动静态剪切强度高（5使用化学或加热方法固化，固化时间适中。
（6热耐久性高，能够适应由于膨胀系数不同引起的热应力。
（7）胶应为双组分，配制后的胶使用期长在实际的粘结中，还需要考虑同所粘结面的相容性目前在超声新乡矿用变压器制造中，多采用高温固化的环氧树脂胶其中环氧胶体系中的环氧酚醛环氧聚硫等能够提高胶层的剥离强度，对压电陶瓷而言，有更好的粘结效果51环氧胶和环氧导电胶。
4.2脱胶对新乡矿用变压器性能的影响在超声新乡矿用变压器定子金属体与压电陶瓷的粘结过程中，表面处理不当、涂胶不均匀、加压不正确等都会导致粘结层产生缺胶或存在气泡，使压电陶瓷片和定子金属体在某些局部上没有能够粘结在一起这里通过去除相应的粘结层单元来分析缺胶和气泡的影响在实际制作中发现，新乡矿用变压器在激励下运行时，在压电陶瓷片与金属振动体间有很小的放电火花出现，而且很快就会发生压电陶瓷片开裂的现象分析认为，当定子进入超声振动，而缺胶部分正好处在振动波的波峰或波谷处时，压电陶瓷片便会同定子金属体脱离而破坏。而缺胶经常发生在定子的边缘处，其主要原因是，在粘结过程中，胶常从边缘溢出，因而需要清理在清除多余胶的过程中，由于使用过多的清洗液，不仅清除了溢出的胶，而且也去除了外缘部分的粘结层而导致缺胶，最终导致压电陶瓷的破坏利用有限元分析手段可获得粘结层内部存在气泡或缺胶情况下的VonMises应力分布由于气泡或缺胶的存在，在粘结层缺胶区域边缘产生了应力集中。等效VonMises应力峰值大幅增加，最坏情况下可达3倍以上由于应力集中以及超声振动的缘故，缺胶部分四周的胶层首先断裂，导致非粘结部分逐渐扩大，最终导致压电陶瓷片的开裂，振动部件破坏。
5定转子材料的选择定子作为新乡矿用变压器的驱动源，其弹性材料对新乡矿用变压器性能的影响很大，通常根据新乡矿用变压器的寿命、效率、成本、应用环境等的要求进行选择，同时考虑材料的内部损耗、加工性能、膨胀系数、成本等因素就材料的内耗而言，希望其屈服应力远大于新乡矿用变压器工作时的交变应力幅值，因而一般要求定子弹性材料具有很高屈服强度但考虑到材料的车削加工性能，往往希望屈服应力不要太高为了易于加工，需要对屈服应力和加工性能进行综合考虑另外材料的振动质量和刚度对新乡矿用变压器的性能也有影晌材料的振动质量大，则预压力对振动的影响小，能产生大的力矩输出；而低振动质量和刚度的材料更易为PZT弯曲，从而振动幅值大，转子速度高。温度变化时，由于弹性体材料和PZT的热膨胀系数不同，会造成热失配，从而在粘结层中产生很大的热应力因而希望材料的热膨胀系数尽量同PZT相接近在一些极端温度环境下，如航天应用，可选择低扩展性金属合金，如铁镍合金、钛钼等作定子弹性体材料分别选择了45号钢不锈钢和铍青铜作为定子材料转子常要求其密度低、惯量小，一般可选择不锈钢、硬铝或塑料等材料，在厘米级范围内常选用铝。本系列新乡矿用变压器选择了硬质铝合金材料作转子。
6结语本文着重分析了陶瓷材料、摩擦材料、胶粘剂及定转子材料对超声新乡矿用变压器性能的影响，给出了这些功能材料的选择原则此项工作将我国超声新乡矿用变压器的产业化向前推进了一大步。
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