【正文】 數方程組，最后進行求解。各個數值分析方法之間的優(yōu)缺點對比如表13所示。本課題的研究目標是在總結磁力傳動技術的國內外研究現狀的基礎上，對磁力沖擊技術進行深入研究與探討，然后結合現有的電錘類產品的技術特點，對新型的磁力沖擊式電錘進行具體的結構設計，并對其進行性能分析及優(yōu)化設計。1. 磁力沖擊式電錘的核心部分就是磁力沖擊機構，即如何將旋轉運動高效地轉化成為沖擊運動，這里面就涉及到磁力沖擊機構的結構設計，包括限位機構的設計、行程的設計以及固定裝置的設計等；2. 在本論文中，研究的核心內容之一就是對磁力沖擊機構的沖擊性能進行分析，所以如何應用ANSYS電磁場分析模塊以及APDL參數化設計語言對磁力沖擊機構的靜態(tài)及動態(tài)下的性能進行分析顯得尤為重要；3. 如何最大程度地提高磁力沖擊機構的沖擊性能十分關鍵，所以需要對設計參數進行篩選以及分析，需要確定合理的變量進行試驗設計，并構建代理模型進行參數的優(yōu)化設計。浙江大學碩士學位論文 磁力沖擊式電錘鉆的整體結構設計2 磁力沖擊式電錘鉆的整體結構設計目前，國內外尚無將磁力沖擊技術應用于電錘類產品中的類似文獻及例證，本論文中所研究的磁力沖擊式電錘突破了傳統(tǒng)電錘類產品的設計思維，是一個全新的研究領域。本論文中提出的具有磁力沖擊機構的新型電錘的基本結構如圖21所示，其主體部分由磁力沖擊機構、齒輪減速機構及殼體組成，其中磁力沖擊機構中的轉動盤和沖擊盤上分別交錯排列著沿軸向方向呈N極、S極的永磁體，永磁體之間的相對轉動會交替地產生排斥力和吸引力，從而能夠實現沖擊部件的往復沖擊運動。磁力沖擊式電錘的具體運動過程如下：當電機轉動時，通過齒輪減速機構帶動旋轉套筒以及鉆夾頭轉動；電機同時通過齒輪帶動轉動盤轉動，安裝在轉動盤以及沖擊盤上的永磁體之間會產生相對轉動，并交替地產生排斥力和吸引力。磁力沖擊機構往復沖擊運動的具體實現過程如下：在靜止狀態(tài)下，磁力沖擊機構中的永磁體之間處于吸合狀態(tài)，此時永磁體之間吸引力最大；隨著轉動盤及永磁體的轉動，吸引力逐漸減小至零，當轉動盤繼續(xù)轉動時，永磁體之間表現為排斥力，當排斥力大于摩擦阻力時，沖擊盤開始做沖擊運動；此時，轉動盤繼續(xù)轉動，永磁體之間的正對面積逐漸增大，永磁體之間的間距也越來越大，在初始時間段內，排斥力仍然逐步增大，當磁體間距對磁力的影響程度超過磁體正對面積對磁力的影響程度時，排斥力開始逐漸減小，直至碰撞到鉆頭的位置；當碰撞完成后，由于轉動盤一直都在轉動，此時磁體之間表現為吸引力，沖擊盤開始做回復運動，隨著磁體間作用面積逐漸增大及磁體間距的不斷減小，吸引力也逐步增大，當磁體間作用面積對磁力的影響超過磁體間距對其影響時，吸引力開始逐步減小，直至沖擊盤完全回到初始位置，然后繼續(xù)循環(huán)上述過程，實現連續(xù)的沖擊運動。磁力沖擊機構是磁力沖擊式電錘產品中實現沖擊功能的核心部件，直接關系著整個電錘的沖擊性能，是整個電錘產品設計中最關鍵的部分。在設計磁力沖擊機構時，需要限制沖擊盤的周向轉動及轉動盤的軸向移動，并且能夠根據不同的技術要求設定沖擊盤的行程。圖24磁力沖擊機構的三維模型圖磁力沖擊機構沖擊過程中的沖擊能量完全由永磁體的磁能提供的，故其沖擊性能是由磁極數目、磁極面積分布、永磁體間的最小氣隙、永磁體半徑及厚度等主要設計參數所共同決定。圖25 磁力沖擊機構結構示意圖其中：s為兩側永磁體位于吸合位置時的最小間隙，R為永磁體的外徑，d為永磁體的厚度，θ1與θ2分別為N、S極的分布角度。在設計時，磁極數目不能過大，否則會使漏磁增加氣隙磁通密度減小，導致單次沖擊能偏小達不到應有的效果；磁極數目也不宜過小，否則沖擊頻率過低也會影響整體性能。磁力沖擊機構主要是由分布在轉動盤以及沖擊盤上的四對磁體所構成的，每塊磁體的面積大小直接決定了磁力作用面積的大小及整個沖擊機構中的磁場分布，與沖擊性能密切相關。）沖擊效果最好。圖26 永磁體分布三維圖永磁體的材料性能直接決定了其產生磁作用力的大小，進而決定著沖擊機構的沖擊力和沖擊性能，所以合理選擇所用永磁材料顯得至關重要。一般情況下，在選擇永磁材料的時候，需要考慮以下兩個方面的性能：第一是永磁材料需要具有高的剩余磁感應強度Br，第二個是需要具有高的矯頑力Hc。永磁體之間的最小氣隙是影響沖擊性能的諸多因素中一個非常重要的因素。在本論文中，初步將磁力沖擊機構中的的最小氣隙設定為s=2mm。同時，導向套筒會對沖擊盤起一個定位的作用，這樣沖擊盤就只能進行軸向的往復直線運動，從而能夠實現沖擊的功能，圖27為沖擊盤的具體結構圖。圖28為導向套筒的具體結構圖，可以看出導向套筒的內部為正方形截面，與沖擊盤前端進行配合，能夠很好地限制沖擊盤的周向轉動，然后導向套筒外部是凸起部分是與機殼內部凹槽進行配合，起固定導向套筒的作用。轉動盤是不能進行軸向移動的，所以通過軸承將轉動盤固定在支承座與機殼之間，轉動盤的具體結構如圖29所示。圖22 磁力沖擊式電錘裝配圖圖中，1旋轉套筒，2軸承，3限位螺帽，4驅動齒輪，5沖擊盤，6沖擊環(huán)形永久磁鐵，7旋轉環(huán)形永久磁鐵，8軸承，9大齒輪，10轉動盤，11軸承，12電機，13軸承，14支承座，15軸承，16中間齒輪，17小齒輪，18花鍵套筒，19花鍵軸，20中間軸，21導向套筒，22 軸承，23傳動齒輪，24殼體。2. 通過限位螺帽以及沖擊盤的端面定位來實現對沖擊行程的設定及調節(jié)，能夠根據不同的技術要求對沖擊行程進行改變，對產品的產業(yè)化系列化具有重要意義。4. 使用整塊磁鐵分區(qū)充磁技術，簡化了磁鐵的裝配結構，提高了沖擊機構的可靠性。電機通過齒輪機構帶動旋轉套筒轉動，安裝在旋轉套筒前端凹槽的鉆頭也會隨之轉動。圖210 旋轉套筒結構圖由于在新型電錘中引入磁力沖擊機構代替了原有的擺桿軸承機構，所以需要重新設計支撐架來固定磁力沖擊機構以及傳動軸等部件。圖211 支撐架結構圖本章介紹了磁力沖擊式電錘的基本原理以及沖擊實現的過程，給出了電錘的總體設計方案，并重點闡述了磁力沖擊機構的具體結構設計，運用導向套筒限制沖擊盤的轉動，通過限位螺帽實現沖擊行程的設定及調節(jié)，并且使用了整塊磁鐵分區(qū)充磁技術，簡化了沖擊機構的整體結構，對產品的后續(xù)產業(yè)化具有重要意義。有限元方法是以變分原理和剖分差值為基礎的一種數值計算方法，首先利用變分原理將所需要解決的微分方程型數學模型轉化為相應的變分問題，即泛函求極值問題；然后利用剖分插值，離散化變分問題為普通多元函數的極值問題，最終歸結為一組多元的代數方程組，然后進行求解[52]。ANSYS軟件作為眾多有限元分析軟件中的一種，不僅具有強大的建模分析功能，能夠進行二維三維的靜態(tài)、瞬態(tài)等多種類型的電磁場分析，并且具有強大的后處理功能，能夠顯示磁場分布、磁通密度等參量并進行其他參數的分析與計算[53]。宏觀電磁現象的基本規(guī)律可以非常簡潔地用一個方程組，即麥克斯韋方程組來表示。（1）基本方程磁力沖擊機構中只包含唯一的磁場源永磁體，所產生的磁場屬于靜態(tài)磁場范疇，所以對應于靜態(tài)磁場的基本方程組（Maxwell方程組）的微分形式如下：式中：▽為微分矢量算子，H為磁場強度，B為磁感應強度，J為傳導電流密度。（2）定解條件在解決實際電磁場問題時，需要針對性地給定不同的定解條件，其中定解條件包括初始條件以及邊界條件[55]。磁力沖擊機構的分析屬于靜態(tài)磁場分析，不存在初始條件，只存在邊界條件。（3）磁作用力由于沖擊過程中的沖擊力是由永磁體間的磁作用力提供的，故磁體間的磁作用力是本文的主要研究與分析對象。但考慮到磁力沖擊機構進行沖擊運動時的復雜性，則須按照三維有限元問題進行處理。具體建模步驟如下：1. 建立三維模型以磁極數目N、永磁體半徑R、永磁體厚度d、最小氣隙s等主要設計變量建立參數化模型，并且在最外層建立一個空氣層，空氣層尺寸一般為實體模型尺寸的35倍，然后對所有的part進行布爾運算得到整體模型，圖31為磁力沖擊機構的三維模型圖，圖32為進行布爾運算后得到的三維模型圖。圖33空氣的定義圖圖34永磁體材料的定義圖圖35軛鐵材料的BH曲線3. 網格劃分網格劃分在有限元分析過程中是極其重要的一個步驟，網格質量的好壞直接影響著分析結果的準確性[57]。圖36 三維網格模型圖4. 定義邊界條件對整個模型的外邊界面上施加通量平行邊界條件，并對沖擊部分施加力的計算標志，圖37為定義邊界條件后的模型圖。從圖中可以得到，在磁體間距為5mm的情況下。在結構參數已定的情況下，磁作用力F由永磁體之間的間距L以及相對轉角θ共同決定，而在磁力沖擊機構實現沖擊運動的過程中，間距L及轉角θ均在不斷地變化，不能對整個動態(tài)過程進行直接分析與求解，故將單次沖擊及吸合的過程離散為多個微元段，每個微元段的時間間隔為ΔT。由于隨著永磁體間隔距離的增大，磁作用力會迅速減小，因此為了保證磁力沖擊機構的沖擊部分在完成沖擊運動后能夠正常回到起始位置，在對其進行設計時需要考慮到沖擊行程的問題。磁力沖擊機構的整個沖擊運動過程分為沖程以及回程兩部分，需要分別進行考慮。整個循環(huán)計算的流程如圖310所示。其中GUI模式是通過直觀的界面操作來實現的，而命令流模式則是運用APDL程序設計語言將整個分析的過程通過ANSYS的命令組織起來，其中APDL是ANSYS Parametric Design Language的縮寫，即ANSYS參數化設計語言[58][59]。由于在磁力沖擊機構進行沖擊運動的過程中，磁體間距L以及相對轉角θ均在不斷變化，所以本論文中將采用APDL參數化語言對整個沖擊過程中的受力情況進行計算與分析，根據上節(jié)中的循環(huán)計算流程框圖，具體的實現過程分為以下幾個步驟：1. 定義材料屬性首先，在進行分析之前需要在程序開始定義單元類型及材料屬性，通過ET命令選擇SOLID117單元，通過MP等命令給不同的材料賦予不同的材料屬性，包括磁導率以及矯頑力大小等，下列為部分代碼；ET，1，SOLID117； MP,MURX,1,MP,MGXX,1,0MP,MGYY,1,0MP,MGZZ,1,10000002. 參數化模型的建立根據磁力沖擊機構的具體尺寸，以角度a和間距s為變量，運用cylinder、block等命令建立磁力沖擊機構的三維實體模型，然后運用VADD命令將建立的單個體疊加起來，運用VOVLAP命令進行布爾運算，得到的參數化模型如圖311所示，運用APDL語言進行參數化建模的優(yōu)勢就是能夠直接通過修改參數以達到重新建立新模型的目的，下列為部分代碼；cylinder,0,a,90+acylinder,s,0,90block,VADD,5,6,7,8,9,10VADD,15,16,17,18,19,20,21VOVLAP,ALLNUMCMP,VOLU 參數化模型圖3. 網格劃分首先通過MSHAPE命令確定網格的類型，然后運用ESIZE命令確定網格的大小，然后運用VMESH命令劃分網格，得到的網格如圖312所示，從圖中可以看出磁力沖擊機構的網格劃分得很均勻，質量較高，下面為部分代碼；MSHAPE,0,3DMSHKEY,1ESIZE,TYPE,1MAT,1VMESH,1圖312 網格劃分圖4. 邊界條件的確定運用ASEL命令選取面，然后運用DA命令在所選面上施加邊界條件； ASEL,S,AREA,107,110,1,1DA,ALL,AZ,05. 求解過程選擇靜態(tài)求解器進行求解，對目標組件施加力的計算標志，然后運用EMFT命令實現磁力的求解計算；ANTYPE,STATICALLSEL,ALLMAGSOLV,2,25,0FINISH/POST1VSEL,S,VOLU,5,8,1VSEL,A,VOLU,10 NSLV,R,1 ESEL,ALL EMFT6. 循環(huán)流程的實現在APDL語言中有許多實現循環(huán)的命令，結合磁力沖擊機構循環(huán)的特點，采用*DO以及*ENDDO命令進行循環(huán)流程的實現，采用*IF、*ELSE以及*ENDIF命令來實現限制條件的判別及選擇。故設定的循環(huán)次數為180次，然后根據仿真計算得到的磁作用力以及牛頓運動定律可以得到加速度、速度以及位移等值，下面為部分代碼； *DO,i,1,180,1V(1)=0F(i)=_fzsumV(i+1)=V(i)F(i)*t/mL(i)=t*(V(i)+V(i+1))/2*IF, F(i), GT, 0, THEN*IF, s, EQ, 12, THENs=s, a=a+1*ELSEs=s+L(i), a=a+1*ENDIF*ELSE*IF, s, EQ, 0, THENs=s, a=a+1*ELSEs=sL(i), a=a+1*ENDIF*ENDIFallsfini*ENDDO根據上述APDL程序，對尺寸為s=2mm，d=10mm，R=20mm的磁力沖擊機構的沖擊過程進行了仿真計算，得到磁作用力及沖擊能量隨時間的變化如圖313及圖314所示，圖313中正值代表排斥力，負值代表吸引力。圖314 沖擊能量隨轉角的變化圖本章介紹了電磁場有限元分析的基本理論基礎，運用ANSYS軟件中的電磁場模塊建立了磁力沖擊機構的靜態(tài)有限元分析模型，并在此基礎上對磁力沖擊機構的動態(tài)沖擊過程進行了探討與分析，給出了循環(huán)計算流程，并運用APDL參數化語言實現了整個動態(tài)沖擊過程仿真計算的命令流處理。目前市場中的電錘基本分為大功率、中功率、小功率這三種類型，不同類型的電錘產品對應著不同的技術指標以及尺寸參數，而本文中是要設計一款小功率的電錘，其技術指標為輸入功率為550W，錘擊率為0~3000次/min，單次錘擊功為0~，最佳鉆孔范圍為4~10mm。θ2=90176。本節(jié)將運用第3章中的方法分析磁力