馬創(chuàng)立

（湖南工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 株洲 412000）

偏心軸設(shè)計(jì)及其有限元分析

馬創(chuàng)立

（湖南工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 株洲 412000）

偏心軸是完成曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的另一種形式，在我們的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常在顎式破碎和其他一些進(jìn)行復(fù)擺運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)中用到。應(yīng)用十分廣泛，但是由于其形狀結(jié)構(gòu)特殊，使得軸局部受力不均勻，這讓生產(chǎn)制造很是受限。所以憑借有限元分析技術(shù)對(duì)偏心軸的受力進(jìn)行系統(tǒng)分析，找出其最容易受損的部位和受力面，從而可以對(duì)軸進(jìn)行校核改進(jìn)。

偏心軸的制造和設(shè)計(jì)；有限元分析的優(yōu)點(diǎn)；應(yīng)用

1 偏心軸及其主要應(yīng)用機(jī)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(dòng)工件自轉(zhuǎn)，但是偏心軸，不但能傳遞自轉(zhuǎn)，同時(shí)還能傳遞公轉(zhuǎn)；美國(guó)的壓縮機(jī)巨頭Copeland，就是用偏心軸來(lái)帶動(dòng)渦旋公轉(zhuǎn)從而快速高效地壓縮制劑的。在我們平時(shí)的生產(chǎn)和生活中用到最多的就是顎式破碎機(jī)和振動(dòng)篩這兩類機(jī)械對(duì)于這個(gè)部件的使用最為廣泛。除了這兩類機(jī)械意外還有一些特殊的機(jī)械在工作時(shí)會(huì)用到這個(gè)部件。偏心軸比起一般的軸較為特殊，其工作時(shí)主要承受彎矩和扭矩。而且根據(jù)其所在的機(jī)械工作條件的不同，在設(shè)計(jì)和校核時(shí)要區(qū)別處理。

（2）顎式破碎機(jī)俗稱顎破，又名老虎口。由動(dòng)顎和靜顎兩塊顎板組成破碎腔，模擬動(dòng)物的兩顎運(yùn)動(dòng)而完成物料破碎作業(yè)的破碎機(jī)。廣泛運(yùn)用于礦山冶煉、建材、公路、鐵路、水利和化工等行業(yè)中各種礦石與大塊物料的破碎。被破碎物料的最高抗壓強(qiáng)度為320Mpa。顎式破碎機(jī)在礦山、建材、基建等部門主要用作粗碎機(jī)和中碎機(jī)。按照進(jìn)料口寬度大小來(lái)分為大、中、小型三種，進(jìn)料口寬度大于600mm的為大型機(jī)器，進(jìn)料口寬度在300～600mm的為中型機(jī)，進(jìn)料口寬度小于300mm的為小型機(jī)。顎式破碎機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，工作可靠。顎式破碎機(jī)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(jī)體前壁上，另一是活動(dòng)顎板（動(dòng)顎），位置傾斜，與固定顎板形成上大下小的破碎腔（工作腔）。活動(dòng)顎板對(duì)著固定顎板做周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，時(shí)而分開(kāi)，時(shí)而靠近。分開(kāi)時(shí)，物料進(jìn)入破碎腔，成品從下部卸出；靠近時(shí)，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(jī)按照活動(dòng)顎板的擺動(dòng)方式不同，可以分為簡(jiǎn)單擺動(dòng)式顎式破碎機(jī)（簡(jiǎn)擺顎式破碎機(jī)）。復(fù)雜擺動(dòng)式顎式破碎機(jī)（復(fù)擺顎式破碎機(jī)）和綜合擺動(dòng)式顎式破碎機(jī)三種。動(dòng)顎上端直接懸掛在偏心軸上，作為曲柄連桿機(jī)構(gòu)的連桿，由偏心軸的偏心直接驅(qū)動(dòng)，動(dòng)顎的下端鉸連著推力板支撐到機(jī)架的后壁上。當(dāng)偏心軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，動(dòng)顎上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是由懸掛點(diǎn)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(diǎn)軌跡為圓弧線。由于這種機(jī)械中動(dòng)顎上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡比較復(fù)雜，故稱為復(fù)雜擺動(dòng)式顎式破碎機(jī)。振動(dòng)篩是利用振子激振所產(chǎn)生的往復(fù)旋型振動(dòng)而工作的。振子的上旋轉(zhuǎn)重錘使篩面產(chǎn)生平面回旋振動(dòng)，而下旋轉(zhuǎn)重錘則使篩面產(chǎn)生錐面回轉(zhuǎn)振動(dòng)，其聯(lián)合作用的效果則使篩面產(chǎn)生復(fù)旋型振動(dòng)。其振動(dòng)軌跡是一復(fù)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(diào)節(jié)上、下旋轉(zhuǎn)重錘的激振力，可以改變振幅。而調(diào)節(jié)上、下重錘的空間相位角，則可以改變篩面運(yùn)動(dòng)軌跡的曲線形狀并改變篩面上物料的運(yùn)動(dòng)軌跡。對(duì)于這兩類機(jī)械的偏心軸部件在進(jìn)行設(shè)計(jì)與校核時(shí)要根據(jù)給定條件進(jìn)行，一定要滿足設(shè)計(jì)要求。

2 有限元應(yīng)用對(duì)偏心軸設(shè)計(jì)制造的促進(jìn)作用

（1）有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。還利用簡(jiǎn)單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。有限元分析是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)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(duì)每一單元假定一個(gè)合適的(較簡(jiǎn)單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問(wèn)題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問(wèn)題被較簡(jiǎn)單的問(wèn)題所代替。

（2）由于大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。這為我們進(jìn)行偏心軸的強(qiáng)度和剛度以及疲勞強(qiáng)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(duì)于軸的各方面指數(shù)得到比較全面科學(xué)的分析與統(tǒng)計(jì)，從而制造出更加完美的產(chǎn)品。

3 結(jié)語(yǔ)

由于我國(guó)現(xiàn)在還是處在一個(gè)制造也飛速發(fā)展并不斷追趕世界先進(jìn)的時(shí)候，我們有很多地方和德國(guó)等有相當(dāng)差距。但是有些過(guò)程是可以進(jìn)行跳躍式發(fā)展的，通過(guò)高新軟件和傳統(tǒng)工業(yè)相結(jié)合可以大大提高我們的發(fā)展速度。從中總結(jié)出我們自己的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)供后代工程人員使用，我們的高端制造也沒(méi)有歷史，但是我們的高端“智造業(yè)”可以創(chuàng)造歷史。

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[2]宋川.軸類部件旋轉(zhuǎn)彎曲微動(dòng)疲勞損傷分析及模擬實(shí)驗(yàn)[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

[3]魏艷.顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)仿真及優(yōu)化[D].太原：太原理工大學(xué)，2013.

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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(chuàng)立（1991-），男，陜西渭南人，大學(xué)本科，主要研究方向：機(jī)械工程及自動(dòng)化。