復擺顎式破碎機偏心軸的優(yōu)化

馬軼群 王利軍 王少雷

（1.河北建筑工程學院，河北 張家口075024；2.張家口市計量測試所，河北 張家口075000）

0 引 言

顎式破碎機作為一種傳統(tǒng)的破碎設(shè)備，由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、制造容易、維修方便、適應(yīng)性好等優(yōu)點，一直是粉碎行業(yè)廣泛應(yīng)用的設(shè)備，而且仍然有著良好的應(yīng)用前景.偏心軸是顎式破碎機中的一個十分重要的零件，在設(shè)計中如果真實地反映設(shè)計參數(shù)的客觀屬性無疑將具有十分重要的意義，并能取得明顯的技術(shù)經(jīng)濟效益.

1 主要內(nèi)容

在Pro／E平臺上建立了顎式破碎機偏心軸的三維模型，分析偏心軸工作時的受力，利用Pro／E仿真功能對顎式破碎機進行應(yīng)力分析，對其偏心軸部分做有限元的分析.在有限元分析基礎(chǔ)上確定的結(jié)構(gòu)尺寸做優(yōu)化處理，使破碎機達到節(jié)能的效果.

2 偏心軸的有限元分析

偏心軸的三維模型見云圖圖1～圖2.在偏心軸有限元模型中，單元的平均尺寸為323.33mm，細化部分的平均尺寸為20.67mm，細化部分包括模型上很窄的圓柱面.網(wǎng)格劃分的實際最大偏差值為9.1%，在允許的偏差范圍內(nèi).該有限元模型中共有22746個單元，15152個節(jié)點.變形系數(shù)取300.模型中的載荷為Z軸方向上的均布載荷，大小為23.4N／mm2；約束為固定約束，共兩處，分別為偏心軸兩側(cè)機架上的軸承位置，參見圖1.偏心軸有限元分析數(shù)值結(jié)果如表1所示.從表1中可知，有限元分析中偏心軸受到的總載荷為6548220N，比計算值（6348200N）大3.05%.

表1 偏心軸有限元分析數(shù)值結(jié)果

2.1 偏心軸的有限元分析云圖

偏心軸的有限元分析的等高線云圖如圖1～2所示.分析圖1各云圖以及有限元分析數(shù)值結(jié)果表1可知，偏心軸兩側(cè)位于兩軸承之間的部位的應(yīng)力值最大，最大值為211.4N／mm2，遠小于材料的最大許用應(yīng)力（331N／mm2），該結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為1.6；模型兩端的應(yīng)力較小，最小值近似為0.最大位移或變形值為0.489mm，最小變形近似為0.偏心軸最大應(yīng)力和最大變形的位置如圖1和圖2所示.

圖1 偏心軸有限元分析應(yīng)力云圖

圖2 偏心軸有限元分析變形云圖

由于偏心軸是一個受力最復雜的零件，從設(shè)備的可靠性來看，安全系數(shù)應(yīng)該取得足夠大.所以，在對偏心軸的結(jié)構(gòu)尺寸進行修改時，不能以削弱其強度為代價.分析偏心軸應(yīng)力和變形云圖，很明顯，如果在偏心軸中部增加一個支承，會進一步改善偏心軸的受力和變形情況，使其應(yīng)力分布變得更加均勻，變形形態(tài)也將得到進一步改善，但這在結(jié)構(gòu)上難以實現(xiàn)，所以應(yīng)該考慮另外的修改方案，如加大應(yīng)力最大部位的尺寸.

下面對偏心軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行修改，并對修改后的模型進行有限元再分析.

2.2 偏心軸的模型修改及有限元再分析

本文僅對偏心軸的一處結(jié)構(gòu)參數(shù)進行修改，即增大偏心軸兩側(cè)的兩軸承之間的軸徑，直徑由340 mm增加到360mm，同時在該圓柱體兩端進行圓角處理.其模型與原模型圖基本相似，可參見圖2.

在偏心軸的有限元模型中，單元的平均尺寸為323.33mm，細化部分的平均尺寸為20.67mm，細化部分包括模型上很窄的圓柱面.網(wǎng)格劃分的實際最大偏差值為9.4%，在允許的偏差范圍內(nèi).該有限元模型中共有20486個單元，13461個節(jié)點.模型中的載荷與原模型相同；約束為固定約束，共二處，分別為偏心軸兩側(cè)機架上的軸承位置，參見圖1和圖2.變形系數(shù)取1000.

分析云圖3～圖4各圖及有限元再分析數(shù)值結(jié)果表2可知，偏心軸的最大應(yīng)力變小了，從原來的211.4N／mm2變到177.8N／mm2，減小了15.8%，安全系數(shù)為1.86.偏心軸的最大位移為0.246mm，與原模型最大變形（0.489mm）相比減小49.8%.偏心軸最大應(yīng)力和最大變形的位置與原模型相似，可參見圖1和圖2.

圖3 偏心軸有限元再分析應(yīng)力云圖

圖4 偏心軸有限元分析變形云圖

對修改后的偏心軸模型進行有限元分析，可知其應(yīng)力和變形的分布情況都沒有太大的變化.

通過模型修改，偏心軸的質(zhì)量由原來的2262kg增加到2283kg，增加鋼材用量21kg，增幅僅為0.9%.

下面是偏心軸模型修改后的有限元再分析數(shù)值結(jié)果表.

3 結(jié) 論

通過對破碎機偏心軸的有限元分析，獲得了這些零件的應(yīng)力與變形參數(shù)及其可視化的分布狀況（云圖），從而為修改零件的結(jié)構(gòu)參數(shù)提供了理論論據(jù).本文正是通過這些研究成果，對各主要零件模型進行了多次結(jié)構(gòu)修改，并且對所有修改過的模型反復進行了有限元再分析，同時將這些分析結(jié)果與原模型的分析結(jié)果進行對比，以確定修改是否可行，并確定最終設(shè)計方案.