毕业设计磁力冲击式电锤的设计及性能分析.docx
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毕业设计磁力冲击式电锤的设计及性能分析
分类号：
TH12单位代码：
10335
密级：
不保密学号：
20925110
硕士学位论文
中文论文题目：
磁力冲击式电锤的设计及性能分析
英文论文题目：
DesignandAnalysisofaNovelMagnetic
ImpactElectricHammer
申请人姓名：
邓坤
指导教师：
沈萌红教授
合作导师：
邱清盈副教授
专业名称：
机械设计及理论
研究方向：
机械产品设计及分析
所在学系：
机械工程学系
论文提交日期二零一二年一月
磁力冲击式电锤的设计及性能分析
论文作者签名:
指导教师签名:
论文评阅人1：
评阅人2：
评阅人3：
评阅人4：
评阅人5：
答辩委员会主席：
委员1：
委员2：
委员3：
委员4：
委员5：
答辩日期：
浙江大学研究生学位论文独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
学位论文作者签名：
签字日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解浙江大学有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。
本人授权浙江大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
（保密的学位论文在解密后适用本授权书）
学位论文作者签名：
导师签名：
签字日期：
年月日签字日期：
年月日
致谢
值此论文完稿之际，首先要向我的导师沈萌红教授以及合作导师邱清盈副教授致以最诚挚的谢意，导师在学业、生活、思想等诸多方面都给予了悉心的指导和热情的帮助。
沈萌红老师严谨的治学态度以及平易近人的学者风范给我留下了深刻的印象，在研究生期间得到了他很多帮助；邱清盈老师是我的指导老师，本论文相关项目、选题、指导以及论文的撰写都倾注了他大量的心血，邱老师为人随和、知识渊博，在这将近三年的时间中，无论是学习上还是生活中都得到了他无微不至的关怀，给我提供了一个良好的科研环境。
在此，谨向沈老师及邱老师再次表示由衷的感谢！
深深感谢冯培恩教授、管成副教授、李玉良副教授、武建伟老师、高宇老师以及其他老师给在这两年多对我无私的帮助及指导。
深深感谢我的父母及亲人朋友这么多年来给我的关怀与支持，是你们给予了我奋发前进的动力，是你们让我能够全身心投入到学习与工作中，在此致以深深的谢意！
感谢实验室薛驰、陆银、庄菲菲、刘伟平、马祥、马友才、李荣鹏、李小龙、何挺、熊建波、杜宇等同学的关心与帮助。
最后再次感谢导师们悉心的教诲和同学朋友们的帮助和关怀！
邓坤
2012年1月于求是园
摘要
电锤产品在实际应用过程中工况较为复杂，因此对电锤各项性能指标要求均很高，而国产电锤普遍存在较多质量问题，主要表现为连续工作时间短、易发热、易磨损以及振动噪声大等方面。
本文将磁力冲击技术引入电锤产品中，提出一种新型磁力冲击式电锤，能够通过磁力冲击机构来实现冲击部件的往复冲击运动。
与传统的电锤产品相比，磁力冲击式电锤具有无摩擦磨损、结构简单、噪声震动小、环保无污染等优点。
结合国家自然科学基金项目、浙江省重大科技专项和企业需求，本文对磁力冲击式电锤的结构进行了具体的设计，对其冲击性能进行了深入的研究与分析，并且开展了冲击机构主要参数的分析与优化设计等研究工作。
全文共分为六章：
第1章阐述了课题的背景及研究意义，并归纳总结了电锤类产品、磁力传动技术、磁场数值分析方法的国内外研究现状，分析了研究磁力冲击式电锤的必要性以及可行性；
第2章介绍了磁力冲击式电锤的基本原理，对磁力冲击式电锤的具体结构进行设计，主要包括磁力冲击机构以及齿轮传动机构等各部件的结构设计；
第3章根据电磁场有限元基本理论，建立了磁力冲击机构的三维有限元模型，分析了静态下冲击机构的磁场分布以及受力情况，在此基础上运用APDL语言对整个动态冲击过程中的受力情况进行了循环计算；
第4章分析了磁极对数、磁体分布角度、最小间隙、磁体半径、磁体厚度等设计参数对磁力冲击机构的冲击性能的影响，通过构建二次响应面代理模型，对设计参数进行了优化；
第5章搭建了实验平台，对磁力冲击机构永磁体之间的受力进行了测试，验证了仿真模型的正确性，并介绍了样机制作的过程；
第6章对全文进行了总结，并对下一步研究工作进行了展望。
关键词：
磁力冲击式电锤磁力冲击机构冲击性能有限元分析
Abstract
Astheworkingconditionsoftheelectrichammerproductsareverycomplicated,thepropertiesoftheelectrichammerareveryhigh.Buttheelectrichammersmadeinourcountryhavevariouskindsofproblems,suchasshortworkingtime、easytoheat、easytowearandLargenoiseandvibration.Inordertosolvetheseproblems,anovelkindofelectrichammerbasedonmagneticimpacttheoryispresentedinthispaper,andthereciprocatingmovementofthepunchwasrealizedbythemagneticforcesincludingattractionsandrepulsiongeneratedbythepermanentmagnetmaterials.Comparedwithconventionaltransmissionmethods,magneticimpacthasthevirtuesofsimplestructure,lowpollutionandnofrictionandwear.InconjuctionwithnationalnaturalsciencefoundationofChinaandmajorscientificandtechnologicalprojectinZhejiangProvinceandthepracticalrequirements,thisthesistakesthemagneticimpactelectrichammerasresearchobject,designsthestructureoftheelectrichammer,studiestheimpactperformancesofthemagneticimpactmechanismandcarriesoutrelevantresearchaboutmainparametersdesignoptimization.Thefulltextisdividedintothefollowingsixchapters:
Thefirstchapterelaboratestheresearchbackgroundandsignificanceofthissubject.Furthermore,itsummarizestheresearchsituationofelectrichammerproducts、magnetictransmissiontechnologyandmagneticnumericalmethodbothhereandabroadaswellasthekeytechnologyinvolvedinsubjectstudy,andpointsoutnecessityandprobabilityoftheresearchaboutthemagneticimpactelectrichammer.
Thesecondchapterintroducesthebasictheoryoftheelectrichammer,andthedetailstructureofthehammerisdesigned.Itmainlyincludesthedesignofthemagneticimpactmechanismandreductiongearing.
Inchapterthree,accordingtothebasictheoryonnumericalanalysisforelectromagneticfield,the3Dfiniteelementmodelisestablished.Themagneticfieldandmechanicalpropertiesofthemagneticimpactmechanisminstaticstate,andthevariationofthemagneticforceandimpactenergyinthereciprocationprocesswerecalculatedwithfiniteelementmethodbysoftwareANSYS,respectively.
Inchapterfour,magneticimpactmechanismwithdifferentpolenumbersandangledistributionshavebeenstudied,therelationshipbetweenthemaindesignparameterssuchastheminimumgap,theradiusandthicknessofthemagnetandtheperformancehavebeenanalyzed.Andsamplepointshavebeenselectedtoestablishsurrogatemodel,themaindesignparametershavebeenoptimized.
Inchapterfive,experimentalplatformhasbeensetup,andthemagneticforcesbetweenthemagnetshavebeenmeasured,theresultsoftheexperimentverifythecorrectnessofthesimulationmodel.What'smore,theprocessprototypeoftheelectrichammerhasbeenintroduced.
Chaptersixmakestheconclusionofthepaperandgivesresearchworkofthenextstep.
Keywords:
magneticimpactelectrichammer,magneticimpactmechanism,impactperformance,finiteelementanalysis
1绪论
1.1课题背景及研究意义
电动工具是以电动机或电磁铁为动力通过传动机构驱动工作头的机械化工具，具有结构轻巧、携带方便、操作简单等优点[1]。
运用电动工具进行作业不但可以很大程度上降低操作人员的劳动强度，而且能够显著提高劳动生产的效率，并且能够达到较好的加工质量，因此电动工具被广泛的应用于机械、建筑、道路、林木农牧等各个行业中。
电动工具的品种繁多，按照使用场合进行分类，一般可以分为工业用电动工具与家用电动工具两大类；按照加工对象进行分类，主要可以分为金属切削类、砂磨类、装配作业类、建筑道路类及铁道矿山类工具这几大类[2]。
电锤是建筑道路类电动工具中的一个品种，在所有电动工具产品中占有一个较大的比例，是比较典型的电动工具产品。
随着世界城市化进程的不断推进，建筑道路装潢等产业将高速发展，电锤类产品的需求量将越来越大，将会有极其广阔的市场空间。
图1-1电锤外观图
电锤是以冲击为主、旋转为辅的手持电动工具，主要应用于建筑、道路施等工程中破碎砖石、混凝土等脆性材料，也可以用于在这些材料的构件上凿孔。
如图1-1所示，电锤的基本结构比较简单，主要部件包括电动机、齿轮减速机构、冲击转换机构、机壳以及钻夹头等。
目前常用的电锤类产品是气动冲击式电锤，主要分为曲柄连杆式电锤和摆杆轴承式电锤这两种。
其中在曲柄连杆活塞式冲击机构中，电动机轴线与冲锤轴线垂直，可以采用平衡块减小振动，缺点是电锤整体结构尺寸大，较为笨重；而在摆杆轴承式气垫活塞冲击机构中，电动机轴线与活塞冲锤轴线平行，电锤整体结构紧凑，尺寸小，但是不能采用平衡块进行减振，工作时振动大。
随着近些年工业、农业、园林业、建筑装修等领域的迅猛发展，电动工具得到了越来越多的重视及应用，电动工具行业得到了快速的发展及壮大。
据有关部门统计，我国是世界上最大的电动工具生产制造基地，大约70%的电动工具都是由中国生产的[3]。
通常而言，电动工具产品的外形结构复杂，既要考虑到外形的美观，又要考虑到机身的人机工程性，而且电动工具对安全性能要求较高，所以这对电动工具的设计、研发及制造提出了很高的要求以及很大的挑战。
目前，国内的电动工具生产制造的厂家很多，但是与国外的先进技术相比仍然存在着很大的差距，主要存在着质量水平较低、价格较低、自主品牌较少这三个问题，这也导致了国产电动工具在市场中的竞争力较低以及经常性的低价无序竞争[4]。
由于电锤产品在实际工程应用过程中的工况较为复杂，所以对电锤的各项性能指标要求均较高，而国产的电锤普遍存在着很多质量问题，主要表现在连续工作时间较短、长时间工作易发热、易磨损、耐久性差以及噪声振动大这几个方面。
因此在中高端市场中，进口品牌产品占据了大部分的市场空间[5]。
目前国内大多数企业生产出口的电锤都是“定牌生产”，自创品牌的产品非常少，技术含量十分低，而且许多企业实质上只是国外产品的生产加工车间，这些现状对我国电动工具的长远发展是非常不利的。
针对上述国内电锤的诸多问题，在实验室发明专利的基础上，本论文中提出了一种新型磁力冲击式电锤，能够通过磁力冲击机构来实现电锤的往复冲击运动，与传统的冲击方式相比，具有结构简单、无摩擦磨损问题、污染小等优点，并且能有效克服现有气动式冲击电锤结构复杂、加工成本高、噪声大等缺点。
将磁力冲击技术应用于电锤类产品中，不仅可以解决上述技术难题，还能够实现经济效益和社会效益的双赢。
1.2课题国内外研究现状
1.2.1电锤类产品国内外现状
根据实现冲击运动的原理不同，现有的电锤钻基本上可以归为以下三种类型：
冲击电钻、气动式冲击锤钻、电磁式冲击锤钻。
（1）冲击电钻
冲击电钻的冲击机构一般分为两种：
齿形冲击机构以及钢球冲击机构，由于前者结构较为简单，所以目前市面上的冲击电钻的冲击部分基本都采用齿形冲击机构[6]。
齿形冲击机构的结构类似于离合器，是由两个相对端面带有犬牙状齿的冲击构件（动冲击件、静冲击件）组成，由调节钮来控制冲击构件之间的分离和啮合，通过冲击构件之间的分离与啮合产生冲击运动，达到冲击的效果，并进行钻孔等作业。
（2）气动式冲击锤钻
气动式冲击锤钻的冲击运动是通过摆杆轴承机构或者曲柄连杆机构驱动活塞在气缸内的来回往复运动，使得活塞与冲锤之间形成气垫，通过气垫作用使冲锤产生来回冲击运动，达到冲击效果[7]。
（3）电磁式冲击锤钻
电磁式冲击锤钻是以电磁线圈为动力源的，有两种不同的实现冲击运动的具体方式：
一种是利用安装在锤杆后端的冲击弹簧的伸缩来实现锤头的往复冲击运动；另一种是通过带有线圈的定子与动子之间的相互排斥力来实现冲击运动的，其中动子与锤头为一体，当动子与定子上的电磁铁紧密接触时线圈通电，瞬间产生的电磁力使动子以及锤头获得极大的冲击力，从而完成冲击运动[8]。
对三种不同类型的锤钻进行研究分析以及对比，可以得出此三种产品的优缺点如表1-1所示：
表1-1三种电锤钻的优缺点对比
优点
缺点
冲击电钻
体积小，重量轻，易操作，安全可靠，钻孔精度较高
利用端面齿形啮合而产生冲击力的结构会导致发热和因摩擦而能量损失，齿形磨损厉害，寿命短，振动和噪声都非常大
气动式冲击电锤
结构可靠，冲击力比一般电钻大，冲击效率高
对活塞腔的密封性能要求较高，制造成本较大，振动和噪声非常大，易磨损，寿命短，维修不方便
电磁式冲击锤钻
结构简单，制造成本低，摩擦磨损小，维修方便
耗能大，线圈寿命短，容易出现故障，电磁兼容性差，冲击力不高，冲击频率低，弹簧容易失效而无法继续工作
目前在电锤类产品的研发方面，国外最具代表性的是德国博世、日本牧田、日本日立、美国百得等一些知名的电动工具公司，这些公司均投入了大量的资本进行研究与开发，从产品的基本工作性能到振动噪声以及人机工程学方面均有涉猎[9][10]。
其中较为著名的产品有BOSCH公司的GBH系列冲击锤钻，等级从2公斤到11公斤，单次冲击功从1.7J到15J，钻孔直径范围从4mm到50mm[11]。
总的来说，国外品牌的电锤普遍具有良好的冲击性能及安全可靠性，而且使用寿命较长。
反观国内电锤产品的研究现状，由于国内对电锤类产品的设计与研发起步较晚，所以绝大部分的电动工具生产厂商都是处于仿制和引进国外技术的阶段，基本上没有自己单独研发和生产电动工具的能力，这也导致了国产工具的质量普遍较差，只能依靠低廉的价格提升产品的竞争力，进而导致了进一步的恶性循环[12]。
目前，国内只有上海电动工具研究所、甘肃气动工具研究所及成都工具研究所等几家研究所在对电锤产品进行理论上的研究及论证，但是由于缺乏经验及资金的支持，所以很难得到突破性的成果及进展，故目前国内的技术水平与国外的差距仍然较大，急需进一步的提升[13][14]。
1.2.2磁力传动技术国内外研究现状
磁力传动是利用磁性物质之间同性相斥、异性相吸的原理，通过磁耦合把磁能转变为机械能的过程。
简单来说就是利用传动部件中永磁材料之间所产生的耦合力（包括吸引力和排斥力）来实现动力传递的一种新型传动方式[15]。
目前采用永磁、电磁或永磁与电磁混合结构的各类磁力机械已有很多，比较常见的有磁力吸盘、磁力弹簧、磁力齿轮、磁力凸轮、磁力联轴器等等，这些在机械、汽车、土木、电力、国防和核工业等很多工程领域得到了广泛应用[16][17][18]。
由于与传统的传动技术相比而言，磁力传动具有许多特殊的优点，例如结构简单、无接触传动、噪声振动小、节能环保等等，所以国内外学者对磁力传动机械做了大量的研究与探讨[19][20]。
（1）国外研究现状
国外学者很早就开始了对磁力传动技术的研究与探索，早在1940年，英国人Charles和GeoffreyHoward就开创性地提出了磁力驱动泵技术，运用永磁体之间的转矩驱动泵的转动，专门用于解决危险物质的密封传动问题，并且取得了良好的效果，这也是代表着对磁力传动技术研究的开始[21]；在20世纪六七十年代，德国和法国相继成功研制出了小型磁力驱动实验装置以及永磁联轴器，并扩展了磁力传动装置的应用场合与范围，这也代表着磁力驱动技术的进一步发展与拓宽[22]；在80年代末期，法国的Yonnet、HEMMERLIN等人已经开始对磁性联轴器的性能进行研究与探讨，他们根据等效电流原理以及磁荷法原理，运用解析的方法研究了磁性联轴器的传动性能，并给出了力与力矩的解析形式[23][24]；上世纪90年代，日本的研究学者首次提出了无接触磁性齿轮的概念，并且将其应用在医疗器械等微型机械中，取得了良好的反馈与成果，受到了学界广泛的关注，让磁力传动技术取得了突破性的进展[25][26]；文献[27]中在血液驱动泵中运用了磁力传动技术，运用磁场有限元方法对传动力以及力矩进行了分析计算，并且分析了参数对传动性能的影响；Y.D.Yao和D.R.Huang等人以磁性联轴器以及磁力齿轮为研究对象，首先建立了有限元仿真模型，然后运用数值计算方法对磁性联轴器以及磁力齿轮的性能进行了系统性的分析及优化，为后续各种磁力机械的设计以及数值分析奠定了基础[28][29][30]。
（2）国内研究现状
国内对于磁力传动学科的研究起步较晚，80年代中期甘肃省科学院磁性器件研究所首先展开了对磁性传动泵的研究[31]；1991年吉林工学院的赵凤桐、王淑文等人探讨了永磁体间作用力的计算方法[32]；90年代中期至今，合肥工业大学的赵韩、杨志轶、田杰等人根据磁场基本理论以及数值计算方法先后对永磁齿轮、磁性驱动器等磁力机械的静态动态性能做了理论分析以及实验验证[33][34]；2000以来江苏大学的孔繁余、曹卫东等人运用大型有限元计算软件ANSYS对磁性联轴器的进行了性能分析以及工作性能的优化设计[35][36]；文献[37]中建立了永磁离合器的仿真模型，对其传递性能进行了计算与分析。
目前虽然国内已经有一些单位对某些磁力传动机构做了理论分析以及实验研究，但是由于缺乏系统的归纳和分类，仍然没有形成系统的研究方法手段和学科体系。
由于上世纪中叶学者们对磁力传动技术以及理论认识尚浅，研究方法以及手段也较为局限，加之磁性材料性能在客观上的限制，磁力传动技术方面的研究进展得比较缓慢。
近些年，随着数值计算技术以及永磁材料高速发展，特别是第三代、第四代稀土永磁材料的出现，永磁材料性能大幅度提高，使得磁力传动技术得到了迅猛的发展以及提高，应用领域也越来越广泛。
目前磁力传动在许多行业都得到了研究与应用，比较常见的有磁性传动泵、永磁齿轮、磁力轴承、磁性联轴器等等，但是磁力传动在电动工具行业的应用还处于研究试验阶段，在这个方向上有巨大的发展前景[38]。
1.2.3电磁场数值计算的发展现状
在工程中，用于分析与研究磁场问题的方法主要有三种：
磁路法、解析法、数值计算方法[39]。
其中磁路法的核心是将磁场问题转化为磁路问题进行分析；解析计算方法则是根据电磁场基本理论对磁场问题进行分析以及推导求解，一般计算得到的结果中包含大量高次积分，很难在实际设计中进行运用[40][41]；数值计算方法则是一种以现代数学为基础的近似求解计算方法。
将以上三种方法进行研究分析以及对比，可以得出各个方法的复杂程度以及精确程度之间的对比如表1-2所示：
表1-2不同分析方法的对比
磁路法
解析法
数值算法
复杂程度
化场为路，计算比较简单方便
进行大量的积分运算，十分复杂
利用数值计算的方法，计算量也比较大
精确程度
进行了许多简化，而且需依据经验选取系数，精度较低
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