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往復(fù)式空氣壓縮機(jī)因其具有壓力適用范圍廣、效率高以及適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于化工、煤炭、鋼鐵冶金等多個(gè)領(lǐng)域。活塞桿作為往復(fù)式空氣壓縮機(jī)的核心部件和易損件之一，其斷裂造成的設(shè)備故障占重大安全事故的1/4以上。活塞桿的破壞形式主要為位于桿階梯位置圓角處因應(yīng)力集中引起的疲勞斷裂，由于其兩端分別與十字頭和活塞相連，而活塞桿在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中承受交變載荷，具體表現(xiàn)為從軸端到蓋端運(yùn)動(dòng)過程中承受壓應(yīng)力，而從蓋端向軸端運(yùn)動(dòng)過程中承受拉應(yīng)力。因此在壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過程中活塞桿的疲勞斷裂與頻繁的交變作用力密切相關(guān)。因此，在設(shè)計(jì)往復(fù)式空氣壓縮機(jī)活塞桿的過程中不僅應(yīng)考慮活塞行程和沖次等因素，還應(yīng)保證活塞桿在承受大噸位活塞力的過程中不發(fā)生安全事故，保證設(shè)備的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)率，使其在結(jié)構(gòu)角度滿足強(qiáng)度上的要求，避免產(chǎn)生過度的應(yīng)力集中而在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過程中發(fā)生疲勞破壞。本研究采用大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)往復(fù)式空氣壓縮機(jī)活塞桿進(jìn)行強(qiáng)度分析，并采用基于GoodMan曲線的安全系數(shù)評(píng)價(jià)法則對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，以確定其是否滿足強(qiáng)度要求。
往復(fù)式空氣壓縮機(jī)活塞桿的三維幾何模型如圖所示。為降低減少計(jì)算量，提高運(yùn)算效率，本研究對(duì)作為分析對(duì)象的活塞桿幾何模型采用1/4對(duì)稱結(jié)構(gòu)，活塞桿直徑為76mm，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中的推薦值可知該幾何尺寸的活塞桿材質(zhì)的力學(xué)性能參數(shù)。對(duì)活塞桿的三維幾何模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理，去掉對(duì)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果影響較小的細(xì)節(jié)并以.SAT格式將模型導(dǎo)入到大型有限元分析軟件ANSYS的前處理界面中對(duì)該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元類型為四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，總體網(wǎng)格尺寸為10mm，同時(shí)對(duì)產(chǎn)生應(yīng)力集中的局部細(xì)節(jié)部位(如活塞桿階梯圓角位置)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理，細(xì)化部分網(wǎng)格尺寸為1mm。經(jīng)前處理之后共生成四面體單元30588個(gè)。由于作為分析對(duì)象的活塞桿為整體模型的1/4，因此需在對(duì)稱表面上施加對(duì)稱方向的約束以保證模型在計(jì)算過程中不產(chǎn)生剛性位移。并對(duì)活塞桿與十字頭的接觸面節(jié)點(diǎn)定義約束。活塞桿連接活塞的螺紋部分節(jié)點(diǎn)加載的工況活塞力(分拉、壓兩種工況分別加載)。以壓工況為例，經(jīng)網(wǎng)格劃分并施加上述邊界條件，得到ANSYS界面下的往復(fù)式空氣壓縮機(jī)的活塞桿有限元分析模型如圖所示。
經(jīng)計(jì)算求解并提取有限元分析軟件ANSYS的后處理結(jié)果得到往復(fù)式空氣壓縮機(jī)活塞桿在壓工況的活塞力作用下的應(yīng)力分布云圖和變形分布圖分別如下頁(yè)圖所示。根據(jù)圖可知活塞桿在壓工況條件下的最大應(yīng)力為73.177MPa，最大應(yīng)力產(chǎn)生于活塞桿階梯圓角位置處，該位置應(yīng)力集中明顯，與用戶使用現(xiàn)場(chǎng)某些活塞桿發(fā)生疲勞斷裂位置相同。壓工況條件下活塞桿的變形分布云圖如下頁(yè)圖所示。根據(jù)圖可知，活塞桿在壓工況條件下最大變形出現(xiàn)在活塞桿與活塞連接部位，最大變形量為0.188mm。采用相同的分析方法對(duì)拉工況條件下活塞桿進(jìn)行強(qiáng)度分析，得到拉工況條件下活塞桿的應(yīng)力分布云圖如圖所示。根據(jù)圖可知，活塞桿在拉工況條件下的最大應(yīng)力為135.98MPa，最大應(yīng)力產(chǎn)生于活塞桿與十字頭連接位置的圓角處，該種工況與壓工況相比應(yīng)力值更大且有更加明顯的應(yīng)力集中，由此可判定拉工況對(duì)于該種結(jié)構(gòu)的活塞桿為最危險(xiǎn)工況。根據(jù)用戶現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際使用案例可知，大多數(shù)活塞桿的疲勞斷裂位置與分析結(jié)果吻合。拉工況條件下活塞桿的變形分布云圖如圖所示。根據(jù)圖可知，活塞桿在拉工況條件下最大變形出現(xiàn)在活塞桿尾端與十字頭連接部分，最大變形量為0.303mm。
本研究采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)往復(fù)式空氣壓縮機(jī)活塞桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，按照壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況活塞力定義邊界條件并施加載荷，經(jīng)ANSYS后處理得到應(yīng)力分布和變形等強(qiáng)度分析結(jié)果，采用基于GoodMan曲線判定準(zhǔn)則的規(guī)定來對(duì)活塞桿在拉、壓兩種工況條件下的靜強(qiáng)度安全系數(shù)和疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以判定其是否滿足強(qiáng)度要求。
專業(yè)從事機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)│有限元分析│強(qiáng)度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
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