【正文】 在這項研究中，對于失敗和斷裂機(jī)制的原因，揭示并討論了利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡對振動軸斷口微維氏硬度。經(jīng)過 500h 后的測試，但是，兩個振動其中有四個軸斷裂，其中連接到試樣座使用，如圖 2所示螺栓夾具。 . Lee 等人。另一個重要的一點是，由于一個接觸條件變化的燃料棒 ， 核燃料棒的振動特性也發(fā)生了變化 。 下一個嚴(yán)重的 FIV 條件 ， 接觸力正逐步下降，最后，打開了一個缺口。根據(jù)一項在高溫條件下核電站運(yùn)行 的資料， 由 于彈簧放松 ， 燃料之間的接觸力 桿和彈簧 /韌窩 正逐漸下降，此外， 由于 發(fā)車間彈簧 /韌窩 輻照脆化 ， 彈簧剛度也逐漸增加 。每間隔電網(wǎng)結(jié)構(gòu)單元由兩個彈簧 和 4個韌窩 。在這些項目中，我們實驗室以研究和開發(fā)微動磨損機(jī)制和無缺陷的燃料組件（法）， 對核燃料棒微動磨損現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)查，一般來說， 燃料組件 由 若干 16x17 或 17x 16 的 核燃料棒 組成 ，其中外徑 毫米， 毫米壁厚 ， 約 1 4 米長度。另一嚴(yán)重 的 結(jié)構(gòu)材料的降解情況被稱為由于 主副 冷卻劑 導(dǎo)致的 流激振動相對細(xì)長結(jié)構(gòu)（ FIV），它在微動細(xì)長的損害結(jié)果之間快速流動速度結(jié)構(gòu)及其支持結(jié)構(gòu)。一般而言，核電廠的運(yùn)作 在 高溫度（ 320 丙），壓水（ 15 MPa）和放射性環(huán)境。 簡介 機(jī)械結(jié)構(gòu)的材料在極端環(huán)境退化破壞現(xiàn)象經(jīng)常在各種行業(yè) 中被 報告。本文這次的失敗和斷裂機(jī)理，揭示和討論的原因利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡表面的失敗結(jié)果和接觸應(yīng)力分析地區(qū)之間的振動軸與試樣座夾 具。近地點的失敗，但是，螺紋孔受到反復(fù)加載到一個事實，即由于持有的試樣夾具進(jìn)行了圓周運(yùn)動模擬一個振動的議案。斷裂表面研究同時使用光學(xué)顯微鏡（ OM） 和掃描電子顯微鏡（ SEM）來確定未能啟動和故障模式。 文章信息 文章歷史：收到 于 2020 年 7 月 11日 接受 于 2020 年 8月 1日 公布于 2020 年 8月 15日 摘要 最近，微動磨損模擬器的開發(fā)，以評估微動磨損行為在高溫和高壓（高溫高壓）水條件的核部件。 感謝我的家人！在我漫長的求學(xué)生涯中，傾注了父母大量的心血，正是他們的關(guān)心、鼓勵和支持使我得以逐步成長。 周老師 言傳身教，諄諄教導(dǎo)，不僅使研究工作得以順利進(jìn)行，同時使我在待人處事方面有了長足的進(jìn)步。從論文的選題、研究方案、實驗方法、論文大綱的確定，到論文的定稿，都得到了導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)，凝聚了 周老師 的大量心血。在理論研究基礎(chǔ)上，完成了行波超聲波電機(jī)的理論計算、設(shè)計制作 。 超聲波電機(jī)的發(fā)展歷史還很短，在分析、設(shè)計、控制等方面還有許多問題要解決。在精確定位裝置、微型機(jī)械、工業(yè)控制、儀器儀表、智能機(jī)器人、航天航空等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景，因此引起了學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的重視。它主要利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為電機(jī)定子的機(jī)械振動能，然后借助摩擦力將機(jī)械振動能傳遞給轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生直線運(yùn)動或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。 湘 潭大學(xué)興湘學(xué)院 29 第 5 章 全文總結(jié) 超聲波電機(jī)是國外八十年 代發(fā)展起來的一種新型直接驅(qū)動微電機(jī)。裝配時，定轉(zhuǎn)子的配合必須保證為面接觸、接觸壓力均勻分布，而且定轉(zhuǎn)子接觸的偏差應(yīng)該允許碟簧等通過預(yù)壓力進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整。在超聲波電機(jī)軸的精加工前要對其進(jìn)行熱處理，這樣可以避免在加工過程中產(chǎn)生熱湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 28 變形。超聲波電機(jī)的輸出軸主要起到三個作用：首先是要通過超聲波電機(jī)的輸出軸傳遞定子和轉(zhuǎn)子之間的預(yù)壓力；通過輸出軸傳遞運(yùn)動和動力的作用；通過軸起到裝配定位的作用。超聲波電機(jī)輸出軸的特點是：低轉(zhuǎn)速、大力矩軸。 在前面討論了行波型超聲波電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子的設(shè)計。主要由壓電陶瓷（激振部分）、定子、轉(zhuǎn)子等構(gòu)成。它的力矩比吊床上的小風(fēng)扇的力矩還小，一般連 ? 的力矩都不到，故根據(jù)經(jīng)驗而言，所設(shè)計的定、轉(zhuǎn)子的初步結(jié)構(gòu)是基本符合要求的。目前為止，還沒有推導(dǎo)出，比較成熟的公式對其進(jìn)行校核，對于現(xiàn)階段，我們一般根據(jù)經(jīng)驗公式設(shè)計出超聲波電機(jī)的樣機(jī)結(jié)構(gòu)，在利用仿真軟件，對其進(jìn)行仿真測試，然后判定其是否合格。據(jù)參考文獻(xiàn) ??10 摩擦 層 最佳的參數(shù)選擇是：彈性模量 300Mpa、厚度為 、摩擦系數(shù)為 。 . 摩 擦層的設(shè)計 超聲波電機(jī)的摩擦材料必須滿足：耐磨、耐高溫、摩擦系數(shù)穩(wěn)定性好等特點。所以，轉(zhuǎn)子與定子接觸的表面要進(jìn)行研磨，保證表面的平面度和粗糙度。 根據(jù)參考文獻(xiàn) ? ?2,10 考慮定轉(zhuǎn)子徑向彎曲配合的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計如 圖 所示。定轉(zhuǎn)子的徑向彎曲配合能夠增加接觸寬度 ， 使接觸壓力沿齒的整個徑向距離均勻分布 ， 極大地降低了局部接觸壓力 ， 從而顯著地減少材料磨損。 Minotti等使用 ANSYS對定轉(zhuǎn)子接觸情況進(jìn)行了計算 ， 結(jié)果表明 ： 存在徑向彎曲效應(yīng)的電動機(jī)的局部接觸壓力是接觸區(qū)域無徑向彎曲效應(yīng)情況下的 10倍以上。 大量的磨損是由于定轉(zhuǎn)子接觸面積減小 ， 局部接觸壓力過大引起的。 湘 潭大學(xué)興湘學(xué)院 25 如圖 轉(zhuǎn)子柔性與接粗面變形 定轉(zhuǎn)子徑向彎曲配合 由于超聲波電機(jī)是基于摩擦驅(qū)動機(jī)理工作的，使用壽命是超聲波電機(jī)實用 化生產(chǎn)的一大障礙，為了提高壽命，可以增加定轉(zhuǎn)子的接觸面積，減小預(yù)壓力，從而降低摩擦層的損耗和增加其使用壽命。 轉(zhuǎn)子的柔性通?？捎赡Σ翆拥娜嵝院娃D(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)合成 ， 在垂直振動下可產(chǎn)生變形 ，從而實現(xiàn)良好的定轉(zhuǎn)子接觸。 Maeno等人分析了剛性硬轉(zhuǎn)子與軟轉(zhuǎn)子接觸面對電動機(jī)性能的影響 ， 指出了硬耐磨表面的轉(zhuǎn)子可以通過其結(jié)構(gòu) 的變形 獲得轉(zhuǎn)子的柔性 ， 能夠消除由于高聚物摩擦層振動損耗而損失的效率。轉(zhuǎn)子通過柔性變形能夠減小摩擦接觸中的滑動損耗 ， 從而優(yōu)化電動機(jī)的性能。在進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計時 ， 主要需要考慮的是轉(zhuǎn)子的柔性及定轉(zhuǎn)子的靜態(tài)徑向彎曲配合 ， 并由此確定轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和尺寸。 轉(zhuǎn)子的設(shè)計及制作 超聲波電機(jī)是將定子的振動能通過摩擦傳遞給轉(zhuǎn)子而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的 ， 因而轉(zhuǎn)子擔(dān)負(fù)著輸出轉(zhuǎn)矩 ， 并通過它施加定轉(zhuǎn)子間的預(yù)壓力的功能。 彈性體和壓電陶瓷片的材料分別為紫銅和 PZT4，它們的材料屬性如下表 32。當(dāng)然，也不能忽視材料的彈性模量。 表 31 行波型超聲波電機(jī)定子設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù) 結(jié)構(gòu)參數(shù) TRUSM30 定子外徑 (D) 30mm 定子內(nèi)徑 (d) 20mm 定子齒數(shù) (N) 36 個 齒的高度 (h0) 支撐厚度 (t) 1mm 彈性體厚度 (H) 壓電體厚度 (h) 厚度比值 (h /H) 1:7 定子材料的選擇 由于定子需要與轉(zhuǎn)子緊密接觸從而產(chǎn)生摩擦力以推動轉(zhuǎn)子運(yùn)動，因此定子彈性體表面需要有比較高的硬度，彈性模量較小的彈性材料。同時，為保證 整機(jī)的裝配精度，定子與底板的接觸面的平面度和粗糙度要求也比較高 定子的結(jié)構(gòu)參數(shù) 對行波型超聲波電動機(jī)而言，定子的結(jié)構(gòu)是影響行波型超聲波電機(jī)性能的關(guān)鍵。由于定子齒面和轉(zhuǎn)子 相壓產(chǎn)生摩擦幅，所以彈性體表面加工的時候要求精度比較高，要研 磨。定子彈性體的加工湘 潭大學(xué)興湘學(xué)院 23 要注意 關(guān) 鍵尺寸的精度。 定子的支撐部分設(shè)計的厚度一般選擇能夠滿足定子的支撐強(qiáng)度即可，可以選在 t=~1mm之間選擇，支撐位置在定子的中間位置。這種做法可以在轉(zhuǎn)子上加有較大壓力， 以得到較大的輸出力矩。這種電機(jī)定子在定子環(huán)內(nèi)圈有一段比較薄的支 撐板，它可以達(dá)到徑向隔振的作用，而且可以便于 超聲波電機(jī)的固定。研究證明，當(dāng)齒高滿足 :根據(jù)參考文獻(xiàn) ??12 ? ?? ?0 .6 ~ 0 .8tth h h??時，其中 h 定子厚度，此時，定轉(zhuǎn)子之間的相對滑動和損耗最小。 3： 一般情況下，我們認(rèn)為定子齒的寬度 w遠(yuǎn)小于定子行波波長兄，在定子內(nèi)外徑尺寸、齒數(shù)和槽寬都確定后，齒寬也就唯一確定了，即 : ? ?12trrwwN? ??? 根據(jù)前面的數(shù)據(jù)， 1r =15mm； 2r =10mm； N=36； tw = 代入上式得； w= 4: 電機(jī)的齒高 h，有個最佳值，齒高太大，定子的諧振頻率降低，定轉(zhuǎn)子之間的相對滑動和磨損增大，輸出力矩降低，且容易產(chǎn)生噪聲 。 對于振動模態(tài)為3，直徑為 30mm 的超聲波電機(jī)，選擇齒數(shù)為 36，這樣便于分度加工。 另外還需要確定開槽的數(shù)目，如果齒槽 數(shù) N 是節(jié)徑n 的 4或 8倍數(shù)，并且沿圓周均勻分布，那么特征頻率將不分離，這樣就會取得比較好的振動效果。在本文中，根據(jù)實際設(shè)計需要，選擇齒槽寬為 。 因此，在定子的接觸面采用齒槽結(jié)構(gòu)。在定子結(jié)構(gòu)上采取何種措施，來放大該橢圓運(yùn)動，特別是放大平行于定子表面質(zhì)點的水平位移，即橫向振幅，是改善超聲波電機(jī)輸出特性的一個重要措施。尺寸小的電機(jī)的模態(tài)頻率偏高些，可以選用低階模態(tài)適 當(dāng)降低諧振頻率，如 n 取 3， 5 等值 ，本文初選n=3 定子的齒形齒數(shù)設(shè)計 行波型超聲波電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速關(guān)鍵取決于定子表面質(zhì)點的橢圓運(yùn)動，該橢圓運(yùn)動不僅與激勵電壓、壓電陶瓷材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與定子彈性體的結(jié)構(gòu)有關(guān)。 因為振動模態(tài)用于模擬仿真，在這里不多做說明。 定子的振動模態(tài)的選擇 行波型超聲波電機(jī)定子振動模態(tài)的選擇要遵從以下兩個原則 :一是定子驅(qū)動的對稱性，這決定了電機(jī)的振動模態(tài)必須為奇數(shù) ?？紤]到實際中壓電陶瓷的加工的限制，定子的直徑一般不大于 100m，也不小于 10m 在實際生產(chǎn)中，正如傳統(tǒng)的電機(jī)設(shè)計那樣，往往希望定子的外形尺寸是規(guī)約過的，所以定子外徑尺寸可選擇 0 或 5結(jié)尾的尺寸規(guī)格。但是我們在實際設(shè)計過程中，通常定子的內(nèi)外徑和壓電陶瓷的內(nèi)外徑相一致，因而可以根據(jù)壓電陶瓷的內(nèi)耗大小來確定定子的內(nèi)徑。由圖中可知，電機(jī)的輸出功率隨著定子外徑的增加而增加。 用與上述相同的分析方法，可得出電機(jī)輸出功率與直徑成正比，輸出轉(zhuǎn)矩與二次直徑成正比，即 DP? ， 2DM? 。超聲波電機(jī)的輸出功率表達(dá)式為 ?? ?? ??? ni r o t o rmr o t o rnir o t o r prFrMP 11 ???? (322) 由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速與直徑成一次反比，所以輸出功率主要取決于定子表面的壓力。由圖中可知，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速隨著定子外徑的增加而減少 。綜合考慮上述各項因素，可得在同一波數(shù)條件下，超聲波電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與電機(jī)外徑成一次反比關(guān)系，即Drotor 1??。因此，很有必要對定子的外徑與行波超聲波電機(jī)輸出特性之間的關(guān)系做一個研究。 定子尺寸與行波 超聲波電機(jī) 輸出特性的關(guān)系 超聲波電機(jī)的輸出特性是指 輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。 行波超聲波電機(jī)的主要性能取決于定子的振動特性，因而定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計在整個樣機(jī)設(shè)計中是至關(guān)重要的。在圖中 4/? 區(qū)域為行波合成區(qū)，此區(qū)域利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)可以檢測到壓電陶瓷的振動情況，可將檢測到的信號作為電機(jī)控制的反饋信湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 18 號。 在綜合考慮以上三種接線方法后，結(jié)合實際壓電陶瓷片的粘接問題。 （ c）所示的方式極化、接線，也可以形成時間上和空間上分別相差 90176。在兩部分分別施加時間上相差 90176。的交流電壓，這樣兩個駐波合成為行波。 壓電陶瓷的接線方式 按照行波產(chǎn)生的機(jī)理，本文采用的環(huán)形壓電陶瓷片的接線方式主要有下面三種不同的連線方式： （ a）所示，將兩片壓電陶瓷和彈性體粘接在一起，兩個壓電陶瓷的電極在空間上相互錯開 4/? ?；谝陨系目紤]，本文中選擇保定天一代號為 TY8的壓電陶瓷材料，它的1231 22 0 10 % 10 /d C N?? ? ?， 1000?mQ ， ?? ，居里溫度 300o C。居里溫度高。動態(tài)抗張強(qiáng)度大 。 因此，壓電陶瓷片材料必須滿足： 介電損耗小，一般小于 1%。另外，壓電陶瓷片的厚度對壓電振子的固有諧振頻率影響較大，通常我們?nèi)∑浜穸葹?~ 之間，本論文樣機(jī)的壓電陶瓷片厚度取 。 對于壓電陶瓷片的厚度，它決定了在一定電壓下是否能夠起振， 根據(jù)參考文獻(xiàn)? ?2,10 如果壓電陶瓷片太厚，大于 ，則在通常電壓情況下，不易起振。 圖 中， GND 段為接地，作為 A 區(qū)和 B 區(qū)的公共地， S 段為用于將兩駐波合成為圖 壓電體的分極結(jié)構(gòu) 湘 潭大學(xué)興湘學(xué)院 17 一個行波，也可作為控制和測量用反饋信號的傳感器。倘若改變所施加 激勵 電源電壓的符號，可以使轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)，十分方便。 “＋”、“－”號表示極化方向， 定子上的環(huán)形壓電 陶瓷 片按一定規(guī)則分割極化后分為 A、 B 兩相區(qū) ， 相鄰兩級 空間排列相差 π/2 （ 1/4 波長），并且分別受到在時間上也相差 π/2 的 高頻 電源的激勵 （ E1和 E2） ?？臻g上相差 1/4 波長 的駐波可合成行波。由上式可知，定子的諧振頻率與定子半徑二次方成反比，與定子上波數(shù)的平方成正比，同時定子的諧振頻率還與定子所用的材料特性、定子環(huán)的截面積有關(guān)。設(shè)復(fù)合梁上表面距中性軸的距離為 h，在梁截面上只有彎矩而沒有軸力，因此有 0?? ?? pA pA eqeq dAdA peq ?? (311) 其中 根據(jù)參考文獻(xiàn) ??2 KZEE eqeqeqeq ?? ?? (312) KZEE pppp ?