偏心轴设计及其有限元分析

马创立

（湖南工业大学 机械工程学院，湖南 株洲 412000）

偏心轴设计及其有限元分析

马创立

（湖南工业大学 机械工程学院，湖南 株洲 412000）

偏心轴是完成曲柄摇杆机构的另一种形式，在我们的结构设计中经常在颚式破碎和其他一些进行复摆运动的机构中用到。应用十分广泛，但是由于其形状结构特殊，使得轴局部受力不均匀，这让生产制造很是受限。所以凭借有限元分析技术对偏心轴的受力进行系统分析，找出其最容易受损的部位和受力面，从而可以对轴进行校核改进。

偏心轴的制造和设计；有限元分析的优点；应用

1 偏心轴及其主要应用机械用途

（1）偏心轴和它的名字一样，它的中心并非在轴线的中心，一般的轴，只能带动工件自转，但是偏心轴，不但能传递自转，同时还能传递公转；美国的压缩机巨头Copeland，就是用偏心轴来带动涡旋公转从而快速高效地压缩制剂的。在我们平时的生产和生活中用到最多的就是颚式破碎机和振动筛这两类机械对于这个部件的使用最为广泛。除了这两类机械意外还有一些特殊的机械在工作时会用到这个部件。偏心轴比起一般的轴较为特殊，其工作时主要承受弯矩和扭矩。而且根据其所在的机械工作条件的不同，在设计和校核时要区别处理。

（2）颚式破碎机俗称颚破，又名老虎口。由动颚和静颚两块颚板组成破碎腔，模拟动物的两颚运动而完成物料破碎作业的破碎机。广泛运用于矿山冶炼、建材、公路、铁路、水利和化工等行业中各种矿石与大块物料的破碎。被破碎物料的最高抗压强度为320Mpa。颚式破碎机在矿山、建材、基建等部门主要用作粗碎机和中碎机。按照进料口宽度大小来分为大、中、小型三种，进料口宽度大于600mm的为大型机器，进料口宽度在300～600mm的为中型机，进料口宽度小于300mm的为小型机。颚式破碎机结构简单，制造容易，工作可靠。颚式破碎机的工作部分是两块颚板，一是固定颚板（定颚），垂直（或上端略外倾）固定在机体前壁上，另一是活动颚板（动颚），位置倾斜，与固定颚板形成上大下小的破碎腔（工作腔）。活动颚板对着固定颚板做周期性的往复运动，时而分开，时而靠近。分开时，物料进入破碎腔，成品从下部卸出；靠近时，使装在两块颚板之间的物料受到挤压，弯折和劈裂作用而破碎。颚式破碎机按照活动颚板的摆动方式不同，可以分为简单摆动式颚式破碎机（简摆颚式破碎机）。复杂摆动式颚式破碎机（复摆颚式破碎机）和综合摆动式颚式破碎机三种。动颚上端直接悬挂在偏心轴上，作为曲柄连杆机构的连杆，由偏心轴的偏心直接驱动，动颚的下端铰连着推力板支撑到机架的后壁上。当偏心轴旋转时，动颚上各点的运动轨迹是由悬挂点的圆周线（半径等于偏心距），逐渐向下变成椭圆形，越向下部，椭圆形越偏，直到下部与推力板连接点轨迹为圆弧线。由于这种机械中动颚上各点的运动轨迹比较复杂，故称为复杂摆动式颚式破碎机。振动筛是利用振子激振所产生的往复旋型振动而工作的。振子的上旋转重锤使筛面产生平面回旋振动，而下旋转重锤则使筛面产生锥面回转振动，其联合作用的效果则使筛面产生复旋型振动。其振动轨迹是一复杂的空间曲线。该曲线在水平面投影为一圆形，而在垂直面上的投影为一椭圆形。调节上、下旋转重锤的激振力，可以改变振幅。而调节上、下重锤的空间相位角，则可以改变筛面运动轨迹的曲线形状并改变筛面上物料的运动轨迹。对于这两类机械的偏心轴部件在进行设计与校核时要根据给定条件进行，一定要满足设计要求。

2 有限元应用对偏心轴设计制造的促进作用

（1）有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。

（2）由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。这为我们进行偏心轴的强度和刚度以及疲劳强度的分析是十分有用的，为此在这方面下功夫也是很有意义的。使得对于轴的各方面指数得到比较全面科学的分析与统计，从而制造出更加完美的产品。

3 结语

由于我国现在还是处在一个制造也飞速发展并不断追赶世界先进的时候，我们有很多地方和德国等有相当差距。但是有些过程是可以进行跳跃式发展的，通过高新软件和传统工业相结合可以大大提高我们的发展速度。从中总结出我们自己的先进经验供后代工程人员使用，我们的高端制造也没有历史，但是我们的高端“智造业”可以创造历史。

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[2]宋川.轴类部件旋转弯曲微动疲劳损伤分析及模拟实验[D].成都：西南交通大学，2013.

[3]魏艳.颚式破碎机机构仿真及优化[D].太原：太原理工大学，2013.

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[5]马铁群，王利军，王少雷.复摆颚式破碎机偏心轴优化[J].河北建筑工程学院学报，2011，（3）.

[6]刘祚时，彭建云.基于ANSYS的振动筛偏心轴模态分析[J].机械，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

马创立（1991-），男，陕西渭南人，大学本科，主要研究方向：机械工程及自动化。