基于数据驱动的行波超声电机剩余性能寿命预测研究

摘要

行波超声电机是利用压电材料的逆压电效应，在弹性体表面激发出超声频率的微幅振动，通过定转子之间的摩擦作用驱动转子运动的。它是一个典型的强非线性系统，摩擦材料是其关键部件。摩擦材料的磨损不仅仅导致其厚度的减薄，还会降低定转子间的预压力并改变接触界面的状况，这些改变又会对定子的振动特性有不可忽视的影响。诸多因素的相互耦合，使精确预测超声电机的性能寿命变得比较困难。为了超声电机更好的应用，建立一个超声电机剩余性能寿命预测模型具有重要的实际意义。
　　预压力是影响超声电机运行的关键参数，为了准确地调节预压力，设计制作了预压力可控的超声电机性能测试装置。该装置采用非封闭的加载方式，不改变电机的工况条件，可以方便快捷的调节预压力的大小。利用该测试装置，研究了接触界面的磨损过程和不同磨损过程的磨损机制。以接触界面的摩擦磨损规律为依据，提出了超声电机寿命加速试验方法，并通过实验验证了该方法的合理性。利用该方法可以节约大量的时间成本，为后续的研究提供实验基础。
　　利用寿命加速实验方法研究了超声电机机械特性和电负载特征在摩擦材料全寿命过程中的变化，得到了预压力、负载和摩擦材料厚度对电机特性的影响规律。基于研究结果，分析了超声电机的能量传递过程，揭示出超声电机机械特性和电负载特征的耦合作用，证明了电信号与摩擦材料寿命的相关性，为超声电机剩余性能寿命预测模型的建立提供了理论依据和历史数据。
　　分别从理论和实验两个方面研究了定子振动特性随预压力和负载的变化，得到了预压力和负载对定子谐振频率和振动速度的影响规律。用改进的电接触法测试了定转子的接触状态，得到了定转子相对接触长度随预压力和负载的变化规律。从而揭示出预压力和负载对定子驱动效果的作用机理，提出预压力-振幅系数和负载-振幅系数，建立了计及预压力和负载作用的粘弹性接触模型。新建的粘弹性接触模型可以较为精确地预测超声电机的输出性能。
　　基于数据驱动的方法结合粘弹性接触模型，建立了超声电机剩余性能寿命预测模型。该模型以电信号为输入，采用神经网络和支持向量机为学习方法。首先，优化了神经网络的隐层结构，其最佳的结构为双隐层的20-4结构和三隐层的20-7-3结构。采用径向基函数为支持向量机的核函数，并优化了核函数的参数（C，γ），其最佳值为（11.9，0.012）。相比支持向量机，神经网络在摩擦材料厚度较小时具有更高的预测精度。然后，将预测出的摩擦材料厚度代入到新建的粘弹性接触模型，即可预测出该厚度下超声电机的输出性能。最后，根据工况要求，确定失效厚度，计算剩余性能寿命百分比，并制定出合理的维修策略。建立的预测模型实现了对超声电机剩余性能寿命预测的目的。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 超声电机概述

1.3 国内外相关技术研究现状

1.4 论文的主要内容

第2章 超声电机寿命加速实验方法的研究

2.1 引言

2.2 开放式预压力可控的超声电机性能测试装置

2.3 超声电机摩擦磨损特性研究

2.4超声电机寿命加速试验方法

2.5 本章小结

第3章 超声电机机械特性和电负载特征的耦合研究

3.1 引言

3.2 摩擦材料全寿命过程中超声电机的特性

3.3 预压力和负载及摩擦材料厚度对超声电机性能的影响

3.4 驱动电压和反馈电压相位差产生的机理

3.5 超声电机机械和电负载特征的耦合作用

3.6 本章小结

第4章 计及预压力和负载作用的超声电机接触模型的研究

4.1 引言

4.2 粘弹性接触模型分析

4.3 预压力对定子振动特性的影响

4.4 负载对定子振动特性的影响

4.5 预压力和负载对定转子接触状态的影响

4.6 计及预压力和负载作用的粘弹性接触模型

4.7本章小结

第5章 基于数据驱动的超声电机剩余性能寿命预测模型的建立

5.1 引言

5.2 超声电机剩余性能寿命预测模型的构建

5.3 神经网络预测模型的研究

5.4 支持向量机预测模型的研究

5.5 预测实例

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其它成果

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