圓筒式磁力聯(lián)軸器參數(shù)化建模與仿真分析

蔣雅芬,方 清,劉慶運，劉 濤

（1.安徽工業(yè)大學(xué) 創(chuàng)新教育學(xué)院；2.安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032）

圓筒式磁力聯(lián)軸器參數(shù)化建模與仿真分析

蔣雅芬1,方 清2,劉慶運2，劉 濤2

（1.安徽工業(yè)大學(xué) 創(chuàng)新教育學(xué)院；2.安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032）

為了簡化產(chǎn)品建模流程和縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，以SolidWorks為二次開發(fā)平臺，Visual Basic6.0為編程語言，開展了圓筒式磁力聯(lián)軸器參數(shù)化建模.利用Ansoft軟件對磁力聯(lián)軸器進(jìn)行仿真分析，驗證了不同狀態(tài)下磁力線分布情況，以及相對磁轉(zhuǎn)角對磁力線分布的影響.

圓筒式磁力聯(lián)軸器；參數(shù)化建模；磁力線；相對磁轉(zhuǎn)角

在當(dāng)今時代，工業(yè)泄露不僅會造成原料與能源的浪費，還會導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸、大氣、水資源等環(huán)境污染以及人身傷亡等重大安全事故，嚴(yán)重制約了工業(yè)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，并給人們的生產(chǎn)和生活帶來了極大的危害[1].工業(yè)泄露主要來源于輸送設(shè)備.一般而言，我們以提高輸送設(shè)備的密封性能來解決泄露問題.然而，傳統(tǒng)的輸送設(shè)備釆用的是動密封的裝置，即在要求密封的位置有相對運動部件的存在，這些運動部件以機(jī)械的方式連接在一起.運動部件之間長期摩擦導(dǎo)致零部件的磨損，使得原本密封的位置發(fā)生了輸送介質(zhì)的泄漏.磁力聯(lián)軸器與傳統(tǒng)機(jī)械式聯(lián)軸器的根本區(qū)別就在于主、從動軸之間沒有直接的機(jī)械連接，而是通過無接觸的磁力傳動.內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間設(shè)有完全密封的隔離套，隔離套將內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子完全隔離開來.從動軸部分直接置于機(jī)體內(nèi)部，無需伸出機(jī)殼，完全取消了各式動密封裝置，把動密封轉(zhuǎn)化為靜密封，實現(xiàn)了輸送介質(zhì)的零泄漏[2].

因此，工業(yè)設(shè)備中廣泛采用磁力聯(lián)軸器以實現(xiàn)靜密封，如潛水機(jī)械、真空設(shè)備、攪拌器和流體輸送泵等.靜密封的采用不僅解決了石油化工等行業(yè)跑、冒、滴、漏的問題，同時還對減小污染具有重大環(huán)保意義[3].但是磁力聯(lián)軸器規(guī)格繁多、設(shè)計周期長等缺點，在一定程度上制約了其發(fā)展.本文開展了搭建圓筒式磁力聯(lián)軸器參數(shù)化平臺和Ansoft仿真分析，以期可以達(dá)到簡化產(chǎn)品建模流程，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期的目的.

1 基于VB二次開發(fā)SolidWorks基本原理

SolidWorks為了方便使用者對其進(jìn)行二次開發(fā)，提供了上百個API(應(yīng)用程序接口，Application Program Interface)函數(shù)，這些API函數(shù)是SolidWorks的COM(組件對象模型，Component Object Model)或 (對象的嵌入與鏈接，Object Linking and Embedding)接口.用戶可以使用VB/VBA等高級編程語言來對SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā)，建立適合用戶要求的，專用的SolidWorks功能插件.可以在SolidWorks主菜單上增加控制按鈕，將自己開發(fā)的應(yīng)用模塊（宏文件）嵌入到SolidWorks的菜單系統(tǒng)中.如圖1所示SolidWorks API對象的關(guān)系層次圖[4].基于對三維造型軟件使用的間接和直接經(jīng)驗，綜合各方面因素后選用SolidWorks作用參數(shù)化建模的三維造型工具.

相比較于其它的編程語言，VB（Visual Basic）是運行在Windows下的一種可視化的語言，它提供了用來開發(fā)Windows應(yīng)用程序的環(huán)境.VB功能齊全，語言規(guī)則簡單以及使用簡便，具有真正的“所見即所得”的特性和難以取代的簡單易用性.除此之外，VB編制的程序還可以用其自身的打包向?qū)В瑢?yīng)用程序進(jìn)行打包，然后生成EXE執(zhí)行文件.移植性好，可以在許多平臺上直接運行.這是選用VB語言開發(fā)的另一個原因.綜合各種因素，為實現(xiàn)磁力聯(lián)軸器參數(shù)化建模平臺的開發(fā)，選用VisualBasic6.0作為對SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā)的工具.

圖1 SolidWorks API對象的關(guān)系層次圖

2 VB二次開發(fā)SolidWorks過程

根據(jù)參數(shù)化建模平臺的功能需要，設(shè)計出滿足要求的參數(shù)化建模軟件[5].圖2為參數(shù)化建模平臺的流程圖.為實現(xiàn)參數(shù)化建模流程圖內(nèi)的各目標(biāo)，達(dá)到參數(shù)化建模的各功能，在Visual Basic6.0軟件中新建3個Combobox控件、13個Label控件，10個Text控件以及2個command控件，并根據(jù)需要修改了它們的Caption屬性.

圖2 參數(shù)化建模平臺的流程圖

由轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率三者之間公式:

得到在該功率和轉(zhuǎn)速下輸出的額定轉(zhuǎn)矩.

根據(jù)公式：

得到內(nèi)轉(zhuǎn)子軸在該電機(jī)和材料參數(shù)情況下的最小軸徑值dmin.

為了更直觀的顯示磁力聯(lián)軸器的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)以及擴(kuò)大程序的可應(yīng)用范圍，增加了磁鋼厚度、磁極對數(shù)、磁鋼的軸向長度以及氣隙厚度的選項.當(dāng)內(nèi)軛鐵內(nèi)徑和外徑、外軛鐵內(nèi)徑和外徑以及磁鋼厚度確定之后，氣隙的厚度值就已經(jīng)被確定.

基于Visual Basic 6.0對SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā)，其代碼的編制將會牽涉到API底層命令的調(diào)用，這對于大多數(shù)程序編程者而言，不容易也很難全面的去掌握.相比于完全由自己書寫的代碼，用這種錄制宏的方法可以快速而方便的得到SolidWorks的一系列操作命令.這要比檢索全英文的API文檔要方便許多，從而有效的提高了編程的效率，節(jié)省了大量的時間[6].模型建好之后單擊【停止宏】按鈕來停止宏的錄制，并命名保存，以備調(diào)用.

進(jìn)行參數(shù)化建模的目的，就是要達(dá)到用戶只需通過界面輸入磁力聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)的參數(shù)值，就可以得到三維模型.基于Visual Basic 6.0平臺設(shè)計建模功能的代碼，使其能夠接受用戶指定的參數(shù)信息，在事件驅(qū)動機(jī)制下運行程序，實現(xiàn)參數(shù)化模型的自動建立.程序使用者可以對建立好的三維模型進(jìn)行預(yù)覽和輸出打印.

點擊Visual Basic 6.0界面的【運行】按鈕，輸入磁力聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)參數(shù)值，如圖3所示，然后點擊建模按鈕，程序開始運行.

圖3 參數(shù)化建模軟件運行界面

單擊【建模（Start）】后，Visual Basic 6.0自動驅(qū)動Solid-Works打開，SolidWorks在后臺根據(jù)代碼的驅(qū)動和輸入的參數(shù)值，進(jìn)行自動化建模，運行結(jié)果如圖4所示.

圖4 程序運行結(jié)果

3 基于Ansoft的磁力聯(lián)軸器仿真分析

基于Ansoft軟件對磁力聯(lián)軸器模型進(jìn)行有限元分析，得到了兩個圓柱永磁體間靜態(tài)和瞬態(tài)下磁力線分布圖，以此來仿真工作中磁力聯(lián)軸器的運行特性.這為驗證磁力聯(lián)軸器的穩(wěn)定性，縮短磁力聯(lián)軸器的開發(fā)周期，節(jié)約磁力聯(lián)軸器的磁性材料提供了可能，為磁力機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了參考.

在Ansys Maxwell16.0軟件中繪制磁鋼[7]模型、指定材料、設(shè)置邊界條件，以及設(shè)定其求解類型、求解參數(shù)、網(wǎng)格剖分以及求解步驟等參數(shù)[8].

磁力線與相對磁轉(zhuǎn)角的關(guān)系特性在磁力聯(lián)軸器的仿真分析中占據(jù)著十分重要的地位，它們直接反應(yīng)了磁力聯(lián)軸器可傳遞轉(zhuǎn)矩的大小以及運行時的實際性能.本文從兩個角度探討磁力聯(lián)軸器在運行過程中的變化規(guī)律，分別從靜態(tài)和瞬態(tài)這兩個角度來進(jìn)行研究.

3.1 靜態(tài)下磁力線分布

磁力聯(lián)軸器在靜止?fàn)顟B(tài)下的內(nèi)外磁鋼相互吸引、一一對應(yīng)，其相對磁轉(zhuǎn)角為0[9].磁力聯(lián)軸器在非工作狀態(tài)下每一塊磁鋼間的相對位置以及非工作狀態(tài)下的磁力線分布如圖5所示.很顯然，這個狀態(tài)是磁力聯(lián)軸器的除工狀態(tài)外的又一穩(wěn)定狀態(tài)，此刻可傳遞的扭矩為零.靜態(tài)時，磁轉(zhuǎn)矩的計算結(jié)果如圖6所示，這與經(jīng)驗值相吻合.

圖5 磁力聯(lián)軸器靜態(tài)狀態(tài)下的磁力線分布

圖6 磁力聯(lián)軸器靜態(tài)狀態(tài)下可傳遞的轉(zhuǎn)矩值

3.2 瞬態(tài)下不同磁轉(zhuǎn)角磁力線分布

磁力聯(lián)軸器在由靜止?fàn)顟B(tài)向穩(wěn)定工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程中，內(nèi)外磁鋼的相對位置在不斷的改變，相對磁轉(zhuǎn)角在不斷的增大，磁力線的分布也在復(fù)雜的發(fā)生變化著.圖7、8、9分別列出了在不同位置時磁力線的分布情況.

圖7 D=00時磁力線圖

圖8 D=10.30時磁力線圖

圖9 D=20.80時磁力線圖

圖7 顯示的是相對磁轉(zhuǎn)角D=00時的氣隙磁場磁力線分布情況，從中可以看出此時磁力線的周向分量很少，聯(lián)軸器可以傳遞的轉(zhuǎn)矩很小，幾乎為0.圖8顯示的是相對磁轉(zhuǎn)角D=10.30時的氣隙磁場磁力線分布圖，明顯可以看出此時的磁力線周向分量變多.隨著相對磁轉(zhuǎn)角的增加，磁力線的周向分量逐漸增多，直至到大約D=20.80（如圖9所示）時磁力線的周向分量最大，此時可傳遞的轉(zhuǎn)矩最大.這基本符合在相對磁轉(zhuǎn)角等于一半磁極角時轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值（磁力線周向分量達(dá)到最大值）的理論計算結(jié)果.由驗證結(jié)果可以說明基于Ansoft的磁力線瞬態(tài)仿真結(jié)果是可信的.

4 結(jié)論

基于SolidWorks為二次開發(fā)平臺，運用Visual Basic6.0為二次開發(fā)的語言，創(chuàng)建圓筒式磁力聯(lián)軸器的參數(shù)化建模平臺，經(jīng)多次實驗驗證，在軟件運行界面下輸入不同磁力聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)參數(shù)值，SolidWorks自動生成不同的三維模型，運行結(jié)果表明該自動化建模平臺滿足設(shè)計要求，可以達(dá)到預(yù)期的設(shè)計目的.

基于Ansoft軟件對磁力聯(lián)軸器模型進(jìn)行有限元分析，驗證了不同狀態(tài)下磁力聯(lián)軸器的磁力線分布，相對磁轉(zhuǎn)角越大，磁力線的周向分布量越多，當(dāng)磁轉(zhuǎn)角D=20.80時，磁力線的周向分量最大，傳遞的轉(zhuǎn)矩也最大.

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