往复式空气压缩机因其具有压力适用范围广、效率高以及适应性强等优点，目前已经被广泛应用于化工、煤炭、钢铁冶金等多个领域。活塞杆作为往复式空气压缩机的核心部件和易损件之一，其断裂造成的设备故障占重大安全事故的1/4以上。活塞杆的破坏形式主要为位于杆阶梯位置圆角处因应力集中引起的疲劳断裂，由于其两端分别与十字头和活塞相连，而活塞杆在往复运动中承受交变载荷，具体表现为从轴端到盖端运动过程中承受压应力，而从盖端向轴端运动过程中承受拉应力。因此在压缩机的实际运行过程中活塞杆的疲劳断裂与频繁的交变作用力密切相关。因此，在设计往复式空气压缩机活塞杆的过程中不仅应考虑活塞行程和冲次等因素，还应保证活塞杆在承受大吨位活塞力的过程中不发生安全事故，保证设备的连续运转率，使其在结构角度满足强度上的要求，避免产生过度的应力集中而在现场运行过程中发生疲劳破坏。本研究采用大型有限元分析软件ANSYS对往复式空气压缩机活塞杆进行强度分析，并采用基于GoodMan曲线的安全系数评价法则对分析结果进行评估，以确定其是否满足强度要求。
      往复式空气压缩机活塞杆的三维几何模型如图所示。为降低减少计算量，提高运算效率，本研究对作为分析对象的活塞杆几何模型采用1/4对称结构，活塞杆直径为76mm，根据机械设计手册中的推荐值可知该几何尺寸的活塞杆材质的力学性能参数。对活塞杆的三维几何模型进行适当的简化处理，去掉对强度计算结果影响较小的细节并以.SAT格式将模型导入到大型有限元分析软件ANSYS的前处理界面中对该模型进行网格划分，单元类型为四面体非结构化网格，总体网格尺寸为10mm，同时对产生应力集中的局部细节部位(如活塞杆阶梯圆角位置)网格进行细化处理，细化部分网格尺寸为1mm。经前处理之后共生成四面体单元30588个。由于作为分析对象的活塞杆为整体模型的1/4，因此需在对称表面上施加对称方向的约束以保证模型在计算过程中不产生刚性位移。并对活塞杆与十字头的接触面节点定义约束。活塞杆连接活塞的螺纹部分节点加载的工况活塞力(分拉、压两种工况分别加载)。以压工况为例，经网格划分并施加上述边界条件，得到ANSYS界面下的往复式空气压缩机的活塞杆有限元分析模型如图所示。
      经计算求解并提取有限元分析软件ANSYS的后处理结果得到往复式空气压缩机活塞杆在压工况的活塞力作用下的应力分布云图和变形分布图分别如下页图所示。根据图可知活塞杆在压工况条件下的最大应力为73.177MPa，最大应力产生于活塞杆阶梯圆角位置处，该位置应力集中明显，与用户使用现场某些活塞杆发生疲劳断裂位置相同。压工况条件下活塞杆的变形分布云图如下页图所示。根据图可知，活塞杆在压工况条件下最大变形出现在活塞杆与活塞连接部位，最大变形量为0.188mm。采用相同的分析方法对拉工况条件下活塞杆进行强度分析，得到拉工况条件下活塞杆的应力分布云图如图所示。根据图可知，活塞杆在拉工况条件下的最大应力为135.98MPa，最大应力产生于活塞杆与十字头连接位置的圆角处，该种工况与压工况相比应力值更大且有更加明显的应力集中，由此可判定拉工况对于该种结构的活塞杆为最危险工况。根据用户现场的实际使用案例可知，大多数活塞杆的疲劳断裂位置与分析结果吻合。拉工况条件下活塞杆的变形分布云图如图所示。根据图可知，活塞杆在拉工况条件下最大变形出现在活塞杆尾端与十字头连接部分，最大变形量为0.303mm。
      本研究采用有限元分析软件ANSYS对往复式空气压缩机活塞杆进行结构强度分析，按照压缩机实际运行工况活塞力定义边界条件并施加载荷，经ANSYS后处理得到应力分布和变形等强度分析结果，采用基于GoodMan曲线判定准则的规定来对活塞杆在拉、压两种工况条件下的静强度安全系数和疲劳强度安全系数进行计算，以判定其是否满足强度要求。

                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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