偏心軸設計及其有限元分析

馬創立

（湖南工業大學 機械工程學院，湖南 株洲 412000）

偏心軸設計及其有限元分析

馬創立

（湖南工業大學 機械工程學院，湖南 株洲 412000）

偏心軸是完成曲柄搖桿機構的另一種形式，在我們的結構設計中經常在顎式破碎和其他一些進行復擺運動的機構中用到。應用十分廣泛，但是由于其形狀結構特殊，使得軸局部受力不均勻，這讓生產制造很是受限。所以憑借有限元分析技術對偏心軸的受力進行系統分析，找出其最容易受損的部位和受力面，從而可以對軸進行校核改進。

偏心軸的制造和設計；有限元分析的優點；應用

1 偏心軸及其主要應用機械用途

（1）偏心軸和它的名字一樣，它的中心并非在軸線的中心，一般的軸，只能帶動工件自轉，但是偏心軸，不但能傳遞自轉，同時還能傳遞公轉；美國的壓縮機巨頭Copeland，就是用偏心軸來帶動渦旋公轉從而快速高效地壓縮制劑的。在我們平時的生產和生活中用到最多的就是顎式破碎機和振動篩這兩類機械對于這個部件的使用最為廣泛。除了這兩類機械意外還有一些特殊的機械在工作時會用到這個部件。偏心軸比起一般的軸較為特殊，其工作時主要承受彎矩和扭矩。而且根據其所在的機械工作條件的不同，在設計和校核時要區別處理。

（2）顎式破碎機俗稱顎破，又名老虎口。由動顎和靜顎兩塊顎板組成破碎腔，模擬動物的兩顎運動而完成物料破碎作業的破碎機。廣泛運用于礦山冶煉、建材、公路、鐵路、水利和化工等行業中各種礦石與大塊物料的破碎。被破碎物料的最高抗壓強度為320Mpa。顎式破碎機在礦山、建材、基建等部門主要用作粗碎機和中碎機。按照進料口寬度大小來分為大、中、小型三種，進料口寬度大于600mm的為大型機器，進料口寬度在300～600mm的為中型機，進料口寬度小于300mm的為小型機。顎式破碎機結構簡單，制造容易，工作可靠。顎式破碎機的工作部分是兩塊顎板，一是固定顎板（定顎），垂直（或上端略外傾）固定在機體前壁上，另一是活動顎板（動顎），位置傾斜，與固定顎板形成上大下小的破碎腔（工作腔）?；顒宇€板對著固定顎板做周期性的往復運動，時而分開，時而靠近。分開時，物料進入破碎腔，成品從下部卸出；靠近時，使裝在兩塊顎板之間的物料受到擠壓，彎折和劈裂作用而破碎。顎式破碎機按照活動顎板的擺動方式不同，可以分為簡單擺動式顎式破碎機（簡擺顎式破碎機）。復雜擺動式顎式破碎機（復擺顎式破碎機）和綜合擺動式顎式破碎機三種。動顎上端直接懸掛在偏心軸上，作為曲柄連桿機構的連桿，由偏心軸的偏心直接驅動，動顎的下端鉸連著推力板支撐到機架的后壁上。當偏心軸旋轉時，動顎上各點的運動軌跡是由懸掛點的圓周線（半徑等于偏心距），逐漸向下變成橢圓形，越向下部，橢圓形越偏，直到下部與推力板連接點軌跡為圓弧線。由于這種機械中動顎上各點的運動軌跡比較復雜，故稱為復雜擺動式顎式破碎機。振動篩是利用振子激振所產生的往復旋型振動而工作的。振子的上旋轉重錘使篩面產生平面回旋振動，而下旋轉重錘則使篩面產生錐面回轉振動，其聯合作用的效果則使篩面產生復旋型振動。其振動軌跡是一復雜的空間曲線。該曲線在水平面投影為一圓形，而在垂直面上的投影為一橢圓形。調節上、下旋轉重錘的激振力，可以改變振幅。而調節上、下重錘的空間相位角，則可以改變篩面運動軌跡的曲線形狀并改變篩面上物料的運動軌跡。對于這兩類機械的偏心軸部件在進行設計與校核時要根據給定條件進行，一定要滿足設計要求。

2 有限元應用對偏心軸設計制造的促進作用

（1）有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用數學近似的方法對真實物理系統（幾何和載荷工況）進行模擬。還利用簡單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統。有限元分析是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的）近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件(如結構的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。

（2）由于大多數實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。這為我們進行偏心軸的強度和剛度以及疲勞強度的分析是十分有用的，為此在這方面下功夫也是很有意義的。使得對于軸的各方面指數得到比較全面科學的分析與統計，從而制造出更加完美的產品。

3 結語

由于我國現在還是處在一個制造也飛速發展并不斷追趕世界先進的時候，我們有很多地方和德國等有相當差距。但是有些過程是可以進行跳躍式發展的，通過高新軟件和傳統工業相結合可以大大提高我們的發展速度。從中總結出我們自己的先進經驗供后代工程人員使用，我們的高端制造也沒有歷史，但是我們的高端“智造業”可以創造歷史。

[1]趙月.復擺顎式破碎機強度的有限元分析[D].杭州：浙江大學，2013.

[2]宋川.軸類部件旋轉彎曲微動疲勞損傷分析及模擬實驗[D].成都：西南交通大學，2013.

[3]魏艷.顎式破碎機機構仿真及優化[D].太原：太原理工大學，2013.

[4]盛含香，吳東勇.大偏心軸及角度偏心軸的簡易加工[J].機械工人：冷加工，2010，（2）.

[5]馬鐵群，王利軍，王少雷.復擺顎式破碎機偏心軸優化[J].河北建筑工程學院學報，2011，（3）.

[6]劉祚時，彭建云.基于ANSYS的振動篩偏心軸模態分析[J].機械，2010，（2）.

The Design ofEccentric Shaftand Finite Element Analysis

MA Chuang-li
(Institute of Mechanical Engineering,Hunan University of Technology，Zhuzhou,Hnan 412000，China).

The eccentric shaft is another form used to finish crank rocker mechanism,it is often applied during structure design for machinery which performs compound pendulum jaw breaking and some other compound pendulum movement.It is widely applied,but due to its special shape and structure,some part of the shaft is loaded unevenly, which constrains manufacturing.So based on finite element analysis on the stress of the eccentric shaft system,this paper tried to find out the site of the most vulnerable and the bearing surface,so as to rectify and improve the shaft.

the manufacturing and design of eccentric shaft;The advantages of finite element analysis;application

TH133.2

A

2095-980X（2015）02-0081-01

2015-01-14

馬創立（1991-），男，陜西渭南人，大學本科，主要研究方向：機械工程及自動化。