行波型超声波电机设计.doc

《行波型超声波电机设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《行波型超声波电机设计.doc（20页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、目录第1章 绪论31.1 超声波电机的定义与发展历史31.2 超声波电机的基本工作原理41.3 超声波电机的分类51.4 超声波电机的特点和应用61.5 超声波电机技术的展望6第2章 行波型超声波电机的运行机理82.1 椭圆运动的分析82.2 驻波的产生及行波的合成10第3章 行波型超声波电机的理论计算与设计133.1 定子谐振频率的计算133.2 压电陶瓷换能器的设计和制作163.2.1 压电陶瓷的设计163.2.2 压电陶瓷材料的选用173.2.3 压电陶瓷的接线方式173.3 定子的设计及制作193.3.1 定子尺寸与行波超声波电机输出特性的关系193.3.2 定子的内外径尺寸的选择21

2、3.3.3 定子的振动模态的选择213.3.4 定子的齿形齿数设计213.3.5 定子的结构设计223.3.7定子材料的选择233.4 转子的设计及制作243.4.1 超声波电机转子的柔性要求243.4.2 定转子径向弯曲配合253.4. 摩擦层的设计263.5 定转子设计的总结26第4章 样机整体结构设计27第5章 全文总结29参考文献30致谢31附录32英文翻译译文32行波型超声波电机设计摘要：超声波电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应工作的新概念、新原理电机。与传统电磁型电机截然不同，其驱动力矩并非由电磁感应产生，它利用压电陶瓷的压电效应使定子产生超声波振动，通过定子和转子间的摩擦力来驱动

3、转子。由于超声波电机特殊的工作原理，它具有很多传统电磁电机无法比拟的优越性能，如结构紧凑、低速大转矩、响应速度快、不受磁场影响、断电自锁、可直接驱动负载等。正是由于超声波电机具有许多的优点和广阔的应用前景，成为当前世界范围内的一门新兴前沿课题。本文主要以旋转行波型超声波电机为研究对象，设计制作超声波电机的实验样机。研究的主要内容可概括如下：系统地总结国内外超声波电机的发展历史和重要意义，介绍了超声波电机的工作原理、分类、特点及其应用前景。在对超声波电机相关理论研究的基础上，从超声波电机定子设计着手，详细介绍了超声波电机的设计和制作过程。关键词：超声波电机 压电陶瓷 行波 Design of T

4、raveling Wave Ultrasonic MotorAbstract：Ultrasonic motor is a use of the inverse piezoelectric effect of piezoelectric ceramic work of new concepts, new principles of motors. Very different from the traditional electromagnetic motor, the driving torque is not generated by the electromagnetic inductio

5、n, which uses the piezoelectric effect to generate ultrasonic vibration of stator, through the friction between the stator and rotor to drive the rotor. Since the working principle of ultrasonic motors special, it has a lot of traditional electromagnetic motors can not match the superior performance

6、, such as compact structure, low speed high torque, fast response, free from magnetic influence, power locking, can directly drive the load and so on. It is because of ultrasonic motor has many advantages and potential applications, become the worlds a new frontier subject. In this paper, a rotary t

7、raveling wave type ultrasonic motor for the study, designed the experimental prototype ultrasonic motor. The main content can be summarized as follows: The system sums up the history of the development of ultrasonic motor home and abroad and the importance of introducing the principle of ultrasonic

8、motors, classification, characteristics and application prospects. In the theory of ultrasonic motors based on ultrasonic stator design from the start, ultrasonic motor described in detail the design and production process. Key words: Ultrasonic Motor Piezoelectric ceramics Traveling Wave第1章 绪论本章主要介

9、绍超声波电机的概念、分类、特点及其应用，总结了其发展历史和应用展望。1.1 超声波电机的定义与发展历史传统电机的发明和发展已有100多年的历史。无论在理论上、设计方法上或制造技术上，都已达到十分完善的程度。由于它的工作原理和结构的限制，难以满足当前对电机所提出的短、小、薄、低噪声、无电磁干扰等要求。为此，世界各国都在努力研究各种新型电机。其中，二十世纪末期发展起来的超声波电机算是最典型的一种。超声波电机（Ultrasonic Motor，简称USM）的基本结构及工作原理完全不同于传统的电机，没有绕组与磁路，不以电磁作用传递能量，而是一种利用超声波振动能作为驱动源的新原理电机，是电机制造、机械振

10、动学、摩擦学、功能材料、电子技术和自动控制等学科综合交叉发展的产物。它将电能通过压电陶瓷转变为机械振动能，然后又借助摩擦力将机械振动能转变为直线运动或旋转运动。由于超声波电机特殊的工作原理，它具有很多传统电磁电机无法比拟的优越性能，如低速大转矩、体积小、重量轻、功率密度大、响应速度快、微位移、不受电磁场的影响、掉电自保护、设计自由度大、可直接驱动负载等。可以说，超声波电机技术是处于当今世界高新技术之一。虽然USM是近二十年才备受重视并得到巨大发展的一种新型直接驱动电机，其发展史却可追溯到五十多年以前。50多年前，人们就知道了超声波电机的这个驱动原理，然而由于当时材料与技术的局限，超声波电机只能

11、是“空中楼阁”，没有得以实现。一直到80年代初，具有高转换效率的压电材料出现以后，再加上电力电子控制技术的发展，才逐步研制出各种各样的超声波电机。据笔者收集的资料，将超声波电机的发展历史过程总结如下：图1.1 H.V.Barth 的超声波电机利用弹性振动获得动力的尝试是从钟表开始的。1961年，英国的Bulova Watch Ltd钟表公司首次提出了用弹性体振动能量作为驱动力的理论，并研制成音叉驱动的手表，在国际上引起了轰动。1973年，美国IBM公司的H.V.Barth博士首先研制成功原理性超声波电机，如图1.1所示。该电机由一个转子和两个驱动振子构成，当振子(1)激振时转子顺时针方向回转，

12、当振子(2)激振时，转子逆时针方向回转。与此同时，前苏联的V.H.Lavrinenko等人也研制出几乎与Barth相同的原理性超声波电机。并指出了超声波电机结构简单、成本低、低速大转矩、单位质量功率大、运动精确、能量转换效率高等一些基本特性。1978年，前苏联的Vasiliev等成功地构造了一种能够驱动较大负载的超声波电机，如图1.2所示。图1.2 前苏联的Vasiliev构造的超声波电机这种电机使用两个金属块夹持压电元件结构的超声换能器，利用振动片的纵向振动及诱发的弯曲振动，通过摩擦来使转子转动。结构上不仅能够降低了共振频率，而且放大振幅。但由于在运转条件下，电机的磨损和发热严重，很难保持振

13、动片的恒幅振动，故也未获得实际应用。使超声波电动机真正走上实用的是日本的指田年生，在1980年成功制造了一种振动片型超声波电动机。所用振子是用螺栓压紧的郎之万（Langevin）振子，一种能工作在超声领域的切割式振子。振子的前端面作纵向振动，其上安装楔形的振动片，振动片前端跟圆板状的转子接触，前端的运动轨迹是一个变形了的椭圆。这种超声波电动机具有高速性，无负荷速度是2000rpm；高效率，最大效率达60%；寿命短，因为振动片和转子之间近乎直角的接触，两者之间接触和脱离瞬间的滑动无法解决，因此产生的磨损使寿命较短。为了解决这个问题，指田年生在1982年发明了行波型超声波电动机，该电机的原理利用行

14、波在有限弹性体内传播时表面质点产生的椭圆运动，行波型超声波电动机只需改变驱动相位差即可实现正反转，而且定子、转子之间是多点轮流接触，磨擦很小。行波型超声波电动机具有良好的应用前景，引起了众多大公司和大学的兴趣，争先对超声波电动机进行研究和开发，从而使超声波电动机进入大规模的实验研究和实用化开发阶段。1.2 超声波电机的基本工作原理如图1.3所示为超声波电机的工作基本原理示意图。超声波电机一般由高频输入电源、定子（压电陶瓷和弹性体）和转子（移动体和耐磨材料)组成。在压电陶瓷上加频率为几十千赫的高频交流电源，利用逆压电效应即电致伸缩效应产生几十千赫的超声波振动。然后，将这种振动通过弹性体和移动体之

15、间的摩擦力变换成旋转或直线运动，或者直接用压电振子产生弯曲振动驱动移动体转动。图1.3 超声波电机的基本原理示意图从这里可以看出，超声波电机是利用压电陶瓷逆压电效应原理。高频电源产生信号的频率和电机的固有频率一致，形成共振，产生高频机械振动。这种振动借助定子和转子间的摩擦耦合来驱动电机运动。这就是超声波电机的基本工作原理。其能量转换可分为以下两个过程：高频交流通过压电陶瓷的逆压电效应把电能转换为定子的机械能；定转子之间通过摩擦耦合把定子的机械能转换为转子的机械能。1.3 超声波电机的分类超声波电机利用压电陶瓷的压电效应及弹性体的机械振动，通过转子与定子间的摩擦力来驱动电机转动。由于压电陶瓷的极

16、化形式多样，弹性体的振动模式也具有多样性，可采用不同的振动模态来产生驱动力，因而可以研制出多种不同结构的超声波电机，如环型或盘型、直线型、球型、弯扭耦合型、纵扭复合型、非接触型及自校正型等等。一般按照使用的波动方式的不同分为驻波型和行波型两种。根据输出运动的形式不同又可以分为旋转型和直线型。根据驱动位移的量级也可以分为一般的超声波电机和微动超声波电机（微米级和亚微米级的驱动位移）。而根据输出运动自由度的个数不同可分为单自由度与多自由度。另外还可以根据定子与转子的接触形式分为接触式与非接触式。以上从不同的角度对超声波电机做了整理和分类，具体分类情况可见表1-1。从上面的分类中可以知道超声波电机可

17、以有很多种不同的形态。但是，从目前的搜集到的各国研究资料可以发现，回旋型超声波电机是所有类型中结构较简单，用途最广泛的一种，也是最有发展前途的一种。最常见的有驻波型超声波电机和行波型超声波电机。驻波型超声波电机的特点是变换效率高，但旋转的方向一定，结构尺寸大。行波型超声波电机的特点是结构尺寸小，旋转方向可以改变，速度和位置容易控制。表1-1 超声波电机的分类情况按驱动方式分按定转子力传递接触方式分按运动方式分按自由度分超声波电机行波型单一模态型接触连续的局部面接触直线运动单自由度复合模态型连续的点（线）接触模态转换型断续的整个面接触驻波型单一模态型断续的点（线）接触旋转运动多自由度复合模态型非

18、接触空气单一模态型液体1.4 超声波电机的特点和应用超声波电机是近二十年来发展起来的一种新型电机。它突破了传统电机的概念，没有电磁绕组和磁路，不用电磁相互作用来转换能量，而是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动来转换能量。与电磁式电机相比，超声波电机具有如下的几个突出的优点：1、低速大转矩；2、体积小、重量轻；3、反应速度快、控制特性好；4、无电磁感应影响；5、停止时具有保持力矩；6、运行无噪音；7、形式灵活，设计自由度大；8、可在很低的电压下工作；9、适应环境能力强。超声波电机以其新颖的工作原理和独有的性能特点，引起人们的广泛的注意。它有着很好的应用前景。其应用领域涉及到航空航天、汽车制造、生

19、物工程、机器人、仪器仪表、医学等领域。从目前的研究情况来看，超声波电机产品可用于照相机的自动聚焦系统的驱动器；航空航天领域自动驾驶仪伺服驱动器；机器人或微型机械自动控制系统的驱动器；高级轿车门窗和座椅靠头调节的驱动装置；窗帘或百叶窗自动升降装置；CD光盘唱头驱动装置；精密仪器仪表、精确定位装置；医学领域，如人造心脏的驱动器、人工关节驱动器；强磁场环境条件下设备的驱动装置，如未来的磁浮火车；不希望驱动装置产生磁场的场合，如磁通门的自动测试转台等。可以预言，随着超声波电机在工业界的成功应用，将会发生一场新的技术革命。1.5 超声波电机技术的展望超声波电机在国际上得到越来越多的应用。专家预言：21世

20、纪将是超声波电机大放光芒的时代，它将有可能部分取代微、小型的传统电磁电机而得到更广泛的应用。可以预计：在21世纪，为了发展我国人造卫星、导弹、火箭、飞机、机器人、微型机械、汽车、磁浮列车以及其他精密仪器，将需要大量的、高性能的超声波电机。超声波电机技术的发展，必将对我国国防和其他国民经济各部门起着重大作用。超声波电机作为一种新型驱动器，是一种典型的机电一体化产品。超声波电机正经历一个从研究开发向实际应用的转折时期，相信经过工程化、商品化研制，超声波电机将会使整个机械、电子工业和人类生活产生一次巨大的变革。第2章 行波型超声波电机的运行机理我们知道，行波型超声波电机是借助于行波的周向传播来驱动转

21、子转动的。行波使定子与转子相接触的表面质点沿椭圆轨迹转动，利用定子与转子接触处的摩擦力推动转子转动，这是行波型超声波电机传动的最基本的工作原理，如图2.1所示。利用这个基本原理，人们制造出了各式各样的行波型超声波电机，如Panasonic公司的盘形行波型超声波电机；Canon公司的环形行波型超声波电机。行波超声波电机主要由定子、转子及驱动与控制装置组成。2.1 椭圆运动的分析图2.2 定子表面质点的运动分析图图2.1 行波型超声波电机的工作原理图行波型超声波电机定子上的压电陶瓷在二相交变电压作用下，在弹性体内形成两个时空相差为90的弯曲振动驻波，进而在弹性体定子内合成一个沿圆环周向旋转的弯曲振

22、动行波，行波使弹性体与运动体相接触的表面质点作椭圆运动。根据参考文献将圆环展开成直梁，定子内的弯曲行波如图2.2所示。设弹性体的厚度为h，行波波长为，L为定子周长，n为定子环上驻波的波数，弯曲振动的横向位移振幅为，角频率为，那么在弹性体内中性层的行波方程为 (2-1)若把弹性体表面上任一点设为，未弯曲时的位置设为。当弯曲角为时，从到的厚度方向的横向位移为 (2-2)因为弯曲振动的振幅远比弯曲振动的波长小，弯曲角也很小，所以横向位移可近似表示为 (2-3)同样，当弯曲角为时，从到的纵向位移为 (2-4)因为弯曲角可用下式表述 (2-5)故纵向位移近似于 (2-6)因此，横向位移与纵向位移间关系式

23、为 (2-7)可见，上式为二次曲线椭圆轨迹方程。这就证明了弯曲行波是可以形成质点的椭圆运动轨迹的。进一步分析可知它沿椭圆轨迹的逆时针方向运动，椭圆的短轴和长轴之比为。定子表面质点的纵向速度为 (2-8)式中负号表示定子表面质点的运动方向与行波传播方向相反。当转子与定子在行波波峰处相接触，即，若转子与定子间无滑动，转子就获得定子表面质点波峰处的纵向速度。其转子速度为 图4.1 超声波电机的的二维结构图应用本文有关设计参数和指标，设计的行波型超声波电机的实际样机结构如图4.1所示。主要由压电陶瓷（激振部分）、定子、转子等构成。定子和转子之间需要有加压装置，主要通过蝶簧来施加，并保证定子与转子在接触

24、面上，预压力能均匀分布。在前面讨论了行波型超声波电机的定子和转子的设计。下面需要对超声波电机输出轴进行设计分析。超声波电机输出轴的特点是：低转速、大力矩轴。在轴上分布有定子、转子、碟簧、平面轴承，轴两端有滑动轴承。超声波电机的输出轴主要起到三个作用：首先是要通过超声波电机的输出轴传递定子和转子之间的预压力；通过输出轴传递运动和动力的作用；通过轴起到装配定位的作用。因此，对轴的有较高的同轴度和垂直度要求。在超声波电机轴的精加工前要对其进行热处理，这样可以避免在加工过程中产生热变形。由于超声波电机定子表面振幅一般只有几个微米，因而定转子配合、预压力施加装置的配合等装配过程引入的误差都会导致电机效率

25、的下降、机械摩擦噪声增加及转动不平稳等问题的出现。装配时，定转子的配合必须保证为面接触、接触压力均匀分布，而且定转子接触的偏差应该允许碟簧等通过预压力进行细微的调整。装配完成后，要对超声波电机整体进行连续运行，循环正反切换运行等试运行，以使粘结层内部应力释放，各种阻尼及物理限制减弱，接触面进一步磨合，从而使电机的运行性能进入稳定运行期。第5章 全文总结超声波电机是国外八十年代发展起来的一种新型直接驱动微电机。它的基本结构及工作完全不同于传统的电磁电机，主要由高频电源、压电陶瓷、定子、转子以及预压力机构等组成。它主要利用压电陶瓷的逆压电效应将电能转化为电机定子的机械振动能，然后借助摩擦力将机械振

26、动能传递给转子，产生直线运动或旋转运动。由于超声波电机独特的工作原理，它具有低速大转矩、响应快、不受磁场影响、断电自锁等许多优点。在精确定位装置、微型机械、工业控制、仪器仪表、智能机器人、航天航空等领域有良好的应用前景，因此引起了学术界和企业界的重视。国内外有很多科研机构都正在对其进行研究。超声波电机的发展历史还很短，在分析、设计、控制等方面还有许多问题要解决。本文详细地查阅大量国内外文献资料的基础上，总结和分析了国内外超声波电机的研究现状和发展动态，以目前最具有发展前景的行波型超声波电机作为论文的研究对象，进行了深入细致的研究。在理论研究基础上，完成了行波超声波电机的理论计算、设计制作。参考

27、文献1上羽贞行，富川义郎.超声波马达理论与应用M.杨志刚，郑学伦 译.上海：上海科学技术出版社，19992赵淳生.超声波电机的发展和应用J.测控技术.1996（1）3Lavrinenco V V， Vishnevski V S， Kartashev I A. Radio electron. 1976， 13(57)4Petit L， Briot R， Lebrum L. A piezomotor using longitudinal actuators. IEEETransactions on Ultrasonics， Ferroelectrics and Frequency Control.

28、 1998，45(2)5 林星陵.纵扭复合型超声波电机的设计制作与实验研究D.硕士学位论文.泉州：华侨大学，20086見城尚志，指田年生.超音波入門M.東京：日本総合電子出版社.1993待添加的隐藏文字内容37 赵淳生，李朝东.日本超声波电机的产业化、应用和发展.振动、测试与诊断.1999，19（1）：178 Barth H V. Ultrasonic driven motorJ. IBM Technical Disclosure Bulletin, 16(7):2263,19739 胡敏强.超声波电机原理与设计M.北京：科学技术出版社.200510龚书娟.纵扭复合型超声波电机的若干问题研究D

29、.博士学位论文.杭州：浙江大学，200511周铁英，崔玉玺，陈新业，彭军宇，许大伦.三梁纵扭超声驻波电机.声学学报.1998,23（1）：5156致谢衷心地感谢我的导师周里群教授。从论文的选题、研究方案、实验方法、论文大纲的确定，到论文的定稿，都得到了导师的悉心指导，凝聚了周老师的大量心血。周老师深厚的理论基础、渊博的学识、严谨的治学态度、敏锐的思维和求实的敬业精神以及高尚的人格品质，时时鞭策学生不断努力、进步。周老师言传身教，谆谆教导，不仅使研究工作得以顺利进行，同时使我在待人处事方面有了长足的进步。这一切都将使我在未来的工作和生活中受益无穷。感谢我的家人！在我漫长的求学生涯中，倾注了父母大

30、量的心血，正是他们的关心、鼓励和支持使我得以逐步成长。最后,对参与论文答辩的各位老师表示衷心的感谢!附录英文翻译译文振动故障分析中的微动磨损轴模拟器Young-Ho Lee *, Jae-Yong Kim, Hyung-Kyu Kim韩国原子能研究所，150 Dukjin-dong, Yuseong-gu, Daejeon 305-353,，出版于韩国。文章信息文章历史：收到于2008年7月11日 接受于2008年8月1日 公布于2008年8月15日 摘要最近，微动磨损模拟器的开发，以评估微动磨损行为在高温和高压（高温高压）水条件的核部件。经过500h后的测试，但是，两个振动中4人骨折，其中轴

31、被连接到一个试样座使用螺栓夹具。断裂表面研究同时使用光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）来确定未能启动和故障模式。据发现，在一开始的失败接触区域之间的振动轴与夹具的燃料棒持有者和疲劳裂纹虽然它是传播很难证明这一点得出结论，由于重氧化断裂面。近地点的失败，但是，螺纹孔受到反复加载到一个事实，即由于持有的试样夹具进行了圆周运动模拟一个振动的议案。这表明，轴振动故障导致从腐蚀疲劳现象的原因进行了微动测试在高温度（320 C）和蒸馏水加压（15兆帕）的条件。本文这次的失败和断裂机理，揭示和讨论的原因利用光学显微镜和扫描电镜表面的失败结果和接触应力分析地区之间的振动轴与试样座夹具。最后，上述结果

32、被应用到振动轴的设计变更.2008年爱思唯尔版权所有1。简介机械结构的材料在极端环境退化破坏现象经常在各种行业中被报告。这些例子之一，是核电厂（核电站）。一般而言，核电厂的运作在高温度（320丙），压水（15 MPa）和放射性环境。这种状况在材料降解过程中必然导致如腐蚀，疲劳，辐照脆化，蠕变等现象。另一严重的结构材料的降解情况被称为由于主副冷却剂导致的流激振动相对细长结构（FIV），它在微动细长的损害结果之间快速流动速度结构及其支持结构。这些种类的微动已经损伤主要成分如对核电站的核燃料棒，蒸汽发生器（SG）的管和控制棒1。在这些项目中，我们实验室以研究和开发微动磨损机制和无缺陷的燃料组件（法）

33、，对核燃料棒微动磨损现象进行调查，一般来说，燃料组件由若干16x17 或17x 16的核燃料棒组成，其中外径9.5毫米，0.6毫米壁厚，约1 4米长度。由于受主冷却剂的FIV的现象，这些细长的燃料棒可以很容易地震动，因此，他们是几个格架结构，如图1所示的支持。每间隔电网结构单元由两个弹簧和4个韧窝。因此，核燃料棒依赖于一定量的的弹簧来保证它的形状和刚度。根据一项在高温条件下核电站运行的资料，由于弹簧放松，燃料之间的接触力杆和弹簧/韧窝正逐渐下降，此外，由于发车间弹簧/韧窝辐照脆化，弹簧刚度也逐渐增加。尽管弹簧是运作在其最初的阶段，但对接触面比较小幅度下滑燃料棒是不可避免的产生。下一个严重的FI

34、V条件，接触力正逐步下降，最后，打开了一个缺口。该微动磨损模式可以改变，由随滑动磨损营运的撞击磨损手段时间决定。另一个重要的一点是，由于一个接触条件变化的燃料棒，核燃料棒的振动特性也发生了变化。因此，研究核燃料微动磨损机理棒核电站的运行条件是相当困难的。 Y.-H. Lee等人。 /工程失效分析16（2009）1238-1244 1239Wnzhng lsh:Shu do 2008 nin 7 yu 11 rJishu 2008 nin 8 yu 1 rZi wngshng tgng 2008 nin 8 yu 15 r图 1 一个核燃料组件，16x16或17x 17燃料棒，并组成若干格架组装

35、示意图一台微动磨损试验机（FRETONUS，FRTtting核系统测试仪）的高温高压水条件垂直类型发展以评估核部件微动磨损性能2。经过500h后的测试，但是，两个振动其中有四个轴断裂，其中连接到试样座使用，如图2所示螺栓夹具。有必要评估其失败的原因，以及改善振动轴的设计，长期试验以确认可靠性微动磨损。在这项研究中，对于失败和断裂机制的原因，揭示并讨论了利用光学显微镜和扫描电镜对振动轴断口微维氏硬度和测量应力分析的结果。最后，上述结果应用到振动轴的设计变更中去。图2在高温高压水条件试验500h后，振动棒试样座轴与夹具和振动轴之间断裂的组装方法示意图2。断口分析2.1 光学显微镜观察振动轴是一个传

36、统的高碳马氏体不锈钢做出（技能提升计440C），用于广泛的工具或刀片在相对腐蚀性气体使用3。材料的化学成分和力学性能列于表1。图3显示了对振动轴断裂面分析的结果。由于高温高压的条件下，断裂表面氧化严重，而且很难通过光学显微镜观察金相获得证明。然而，预计该故障是在一轴和振动之间的接触区，因为这两个部分是通过使用一个如图2所示螺栓装配在微动磨损测试中，4轴的振动回旋在轴向方向为 200m，频率30赫兹，在一个90度角的排列执行器上。要生成一个圆周运动对燃料棒样本是作为一个实际经营核电站的燃料杆振动仿真视为保守，该执行器的两个信号波形正弦震动相位差设置为90度，如图4所示。试样的燃料棒振动的圆周运动

37、，与燃油棒振动槽夹具持有人的接触区预计经历疲劳载荷。一般来说，如果是结构材料的疲劳加载条件下裂隙，条纹痕迹是明显的疲劳破坏可以找到证据表面上很容易断裂，。但是用扫描电镜对氧化振动轴断裂面进行了洗牙检查，可以预期没有任何痕迹的条纹，消除氧化过程（如酸洗）。2.2 硬度变化SEM观察之前，有必要审查振动轴力学性能的变化，因为它被暴露在高温高压水条件在500h后测试。因此，一个轴断裂的振动微维氏硬度测量，其结果如图5所示。很明显，微维氏硬度值根据振动轴暴露温度增加。这一结果符合很好地与回火温度体外对力学性能的SUS 440C 4。在这项研究中，高碳马氏体不锈钢有可能保留大量的未转奥氏体。据认为，可能

38、会出现延迟转变温度波动在几个微动磨损试验，因为在320度的条件下实验500 h测试振动轴的材料对纾解压力的影响甚微。此外，它有可能发生氢脆现象影响其塑性。就是在热处理中导致马氏体不锈钢含有的氢元素以蒸馏水的形式散发。化学成分（重量）CMnSiPSCrMoFe1.01.01.00.040.03170.75Bal机械性能屈服强度抗拉强度伸长率弹性模量密度泊松比1280 Mpa1750 Mpa4%200 Gpa7.8g/cm0.3图3奥姆结果为振动轴断裂面：箭头指示的预期裂纹萌生区域。Y.-H. Lee等人。 /工程失效分析16（2009）1238年至1244年图4 通过使用两个驱动电磁在FRETO

39、NUS：注意执行器，该议案是善变的燃料棒由燃料棒机制调整振动的振幅和相位两个驱动器之间的差异。图5 测量结果的微维氏硬度根据暴露温度的振动轴。2.3。 SEM结果 图.6显示了用电子显微镜镜扫描的断口形貌。很明显，断裂面几乎覆盖了氧化物，这是很难以察觉的痕迹，如条纹的疲劳破坏的证据。从仔细观察结果，条纹痕迹出现在外表面。另外，裂纹扩展跟踪被发现振动轴与夹具的燃料棒之间，即使其特点不能确定接触区 由于在高温高压水条件严重氧化。有趣的结果之一是，撞击磨痕出现在振动轴断裂面。这一结果意味着，影响两者之间的磨损断裂表面因为断裂振动轴不断来回运动，无轴驱动器故障。因此，预计疲劳条纹痕迹已经消失，被覆盖受

40、冲击磨损议案和磨损碎片严重氧化，分别。因此，振动轴故障预计将发起一个在接触区域的接触疲劳的接触力，然后由boltscrew的压力，将逐渐减少。此时，初始裂纹扩展逐渐迟缓和接触条件轴之间的振动和燃料棒之间将改为夹具，如图7所示。因此，有必要审查通过使用新的裂纹应力分析，这可能验证了该振动轴的最大应力区在一个圆周运动的启动区。3。应力分析 为了分析轴的振动的应力分布，在新的裂缝进行了有限元模型分析，直径10毫米，长度233.5毫米通过使用商用三维建模，SolidEdge创建 如图9所示。气缸的约束在左侧位移为0.2毫米，在右边与连通区域电磁致动器是固定的。 4个节点的线性四面体分子的振动轴的有限元

41、模型中使用包括约10,100 47,200节点和元素。所使用的弹性模量，屈服强度，密度和泊松比提升计划440C比例列于表。 1。商业代码，ABAQUS的标准版本。 6.6-3 5，是使用后处理的模式，以计算出振动轴冯- Mises应力。在振动轴冯- Mises应力分布表明，高浓度的压力在目前的螺纹孔和边缘作为如图9所示侧外表面。特别是，面对经横向应力的大小约 640兆帕斯卡。该值是对振动轴的屈服应力的一半。据认为，这是高应力集中受诸多因素影响的有限元分析保守的边界条件。因此，电镜扫描观测揭示了应激的立场浓度与裂缝产生痕迹的关系。根据这一结果，修改振动轴的设计，以减少接触面之间的应力集中，增加疲

42、劳寿命周期。4。摘要使用电子显微镜扫描有机物的微维氏硬度和有限元分析来调查模拟器中的微动磨损轴振动故障原因。由于大量氧化断口以及两者之间的断裂面磨损冲击失败后，很难利用光学显微镜观察获得金相证明 然而，失败是预期开始在振动轴之间的接触区和燃料棒夹具持有人的疲劳载荷条件下。轴的振动故障，预计将在启动接触疲劳在接触区域的接触力，然后由一个螺栓螺钉的压力，将逐渐减少。后初始裂纹扩展逐渐迟缓，对在新的裂纹萌生接触条件的结果改变一个侧面 外表面。从有限元分析结果，扫描电镜观测显示了在应力集中的位置与裂缝产生良好的痕迹。在此基础上修改对振动轴的设计，以减少应力之间的接触面和它的螺纹孔大小的降低，增加疲劳寿

43、命 鸣谢这项研究下进行核研发计划的韩国科学技术部参考文献1 费舍尔新泽西州，韦克韦特旺角，格兰迪森大雨，科特纳姆骨髓。微动磨损的锆合金。 Nucl工程德2002年; 213:79-90。2 金港币，李一汇，Ryew平方米，金甲烷，金荣誉勋章。发展垂直型高温高压微动磨损试验机（FRETONUS）。时间：电力系统及其KSTLE春季会议; 2008年。3 尾岛男，大沼男，铃木J，统一电子交易法秒，成田秒，清水吨，等。锻炼高氮马氏体钢增强硬度的起源。斯立母校2008; 59:313-6。4 戴维斯。 ASM的专业手册 - 不锈钢。 ASM的国际 - 的材料信息学会; 1996年。5 Hibbit高清，卡尔松肠胃，索伦森的EP。分析用户手册。美国，2006年