鄧 晶，曾柏森，王浩宇，黃 禧

(1.中國石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力有限公司成都?jí)嚎s機(jī)分公司，四川 成都 610100；2.中國石油塔里木油田分公司塔西南勘探開發(fā)公司澤普油氣開發(fā)部 阿克采氣作業(yè)區(qū)，新疆維吾爾自治區(qū) 喀什 844800)

1 引言

中、低壓往復(fù)式活塞壓縮機(jī)，通常壓縮缸徑很大，因此活塞會(huì)很重，往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量會(huì)很大。為了減輕活塞重量，常采用比重小、導(dǎo)熱性好的鋁活塞。大缸徑(缸徑≥400 mm)的壓縮機(jī)鋁活塞重量較大(一般都會(huì)在80 kg以上，缸徑為660 mm的缸重量甚至達(dá)到了200 kg)，在高速往復(fù)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)下慣性力較大，在某些特殊工況下，可能負(fù)荷會(huì)超過活塞桿許用載荷，出現(xiàn)活塞連接螺栓斷裂、活塞表面損壞等異?，F(xiàn)象。

本文先使用SolidWorks進(jìn)行建模優(yōu)化，再使用ANSYS對(duì)圖1(傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)大缸徑鋁活塞)和圖2(優(yōu)化后大缸徑鋁活塞)分別進(jìn)行了接觸模擬和活塞結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，從而明確大缸徑鋁活塞優(yōu)化和改進(jìn)的方向。

2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)大缸徑鋁活塞

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)大缸徑鋁活塞半體，常常采用六根對(duì)稱均勻分布的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。2個(gè)活塞半體之間采用圓柱銷定位，然后靠6根連接螺栓將其連接在一起。如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)大缸徑鋁活塞結(jié)構(gòu)示意圖

該結(jié)構(gòu)鋁活塞，連接螺栓和活塞端面主要承受初始預(yù)緊力和材料受熱膨脹后產(chǎn)生的熱應(yīng)力。由于鋁活塞與連接螺栓材料膨脹系數(shù)差別較大，受熱膨脹后產(chǎn)生熱應(yīng)力與初始預(yù)緊力的疊加可能會(huì)導(dǎo)致某些工況負(fù)荷超過螺栓材料或活塞材料的許用值?，F(xiàn)場(chǎng)機(jī)組鋁活塞組件曾發(fā)生活塞端面擊穿，活塞連接螺栓彎曲、斷裂和活塞端面破損事故。

3 優(yōu)化后大缸徑鋁活塞

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)損壞的大缸徑鋁活塞進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、總結(jié)及原因分析，在鋁活塞質(zhì)量不變的情況下，使用SolidWorks進(jìn)行建模優(yōu)化，對(duì)鋁活塞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)：鋁活塞半體每根加強(qiáng)筋厚度減小，加強(qiáng)筋數(shù)量由6根增加為8根；簡(jiǎn)化了鋁活塞結(jié)構(gòu)，取消了連接2個(gè)活塞半體的6根連接螺栓和定位圓柱銷，改用過盈配合將2個(gè)活塞半體連接在一起。如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后大缸徑鋁活塞結(jié)構(gòu)示意圖

4 有限元分析

4.1 接觸模擬

用ANSYS分別對(duì)傳統(tǒng)鋁活塞、優(yōu)化后鋁活塞各接觸面進(jìn)行了接觸模擬，如圖3～7所示。所有接觸面均模擬為滑動(dòng)摩擦面，并采用罰函數(shù)接觸算法求解。

圖3 傳統(tǒng)鋁活塞半體與連接螺母接觸有限元分析模擬

圖4 傳統(tǒng)鋁活塞半體與連接螺栓接觸有限元分析模擬

圖5 傳統(tǒng)鋁活塞2個(gè)半體接觸有限元分析模擬

圖6 優(yōu)化后鋁活塞2個(gè)半體接觸有限元分析模擬

圖7 優(yōu)化后鋁活塞2個(gè)半體過盈配合面接觸有限元分析模擬

優(yōu)化后鋁活塞2個(gè)活塞半體之間采用過盈配合，故采用滑動(dòng)摩擦的拉格朗日乘子法并配合接觸面手動(dòng)偏差，來模擬配合產(chǎn)生的正應(yīng)力與摩擦阻力，優(yōu)化后鋁活塞2個(gè)半體結(jié)構(gòu)過盈配合面接觸應(yīng)力有限元迭代計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后鋁活塞2個(gè)半體過盈配合面接觸應(yīng)力有限元迭代計(jì)算結(jié)果

4.2 活塞結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布比較

用ANSYS分別對(duì)傳統(tǒng)鋁活塞和優(yōu)化后鋁活塞應(yīng)用應(yīng)力分布拓?fù)浞椒ㄟM(jìn)行分析。

傳統(tǒng)鋁活塞在最大載荷工況下的VonMises應(yīng)力分布如圖9所示。由應(yīng)力分布圖可見，傳統(tǒng)鋁活塞在最大載荷工況下，活塞體沒有出現(xiàn)超過材料抗拉極限的情況?；钊w除了個(gè)別局部應(yīng)力集中部位超過100 MPa外，其它部位的VonMises應(yīng)力都沒有超過50 MPa。但連接螺栓本體應(yīng)力卻高于300 MPa。

優(yōu)化后鋁活塞在最大載荷工況下的VonMises應(yīng)力分布如圖10所示。由應(yīng)力分布圖可見，優(yōu)化后鋁活塞在最大載荷工況下，整個(gè)活塞體都沒有出現(xiàn)超過材料抗拉極限的情況。除了活塞轂部和過盈配合處加強(qiáng)筋局部應(yīng)力集中超過100 MPa外，其它部位的VonMises應(yīng)力都沒有超過50 MPa。

圖10 優(yōu)化后鋁活塞的VonMises應(yīng)力分布

傳統(tǒng)鋁活塞在最大載荷工況下的剪切應(yīng)力分布如圖11所示。由應(yīng)力分布圖可見，活塞體除了與連接螺栓接觸區(qū)域和個(gè)別局部應(yīng)力集中區(qū)域剪應(yīng)力超過10 MPa外，其它部位的剪應(yīng)力都在1～5 MPa。但連接螺栓與螺母局部應(yīng)力集中區(qū)域的剪應(yīng)力卻高于50 MPa。

圖11 傳統(tǒng)鋁活塞的剪應(yīng)力分布

優(yōu)化后鋁活塞在最大載荷工況下的剪切應(yīng)力分布如圖12所示。由應(yīng)力分布圖可見，活塞體超過50 MPa的區(qū)域幾乎不存在，除了少許過盈配合區(qū)域和個(gè)別加強(qiáng)筋上剪應(yīng)力超過10 MPa外，其它部位的剪應(yīng)力都在1～5 MPa。

圖12 優(yōu)化后鋁活塞的剪應(yīng)力分布

傳統(tǒng)鋁活塞在最大載荷工況下的主應(yīng)力分布如圖13所示。這里應(yīng)力正值代表拉應(yīng)力，負(fù)值代表壓應(yīng)力。由應(yīng)力分布圖可見，主應(yīng)力絕對(duì)值基本只有連接螺栓與螺母局部應(yīng)力集中區(qū)域高于50 MPa。

圖13 傳統(tǒng)鋁活塞的主應(yīng)力分布

優(yōu)化后鋁活塞在最大載荷工況下的主應(yīng)力分布如圖14所示。這里應(yīng)力正值代表拉應(yīng)力，負(fù)值代表壓應(yīng)力。由應(yīng)力分布圖可見，主應(yīng)力絕對(duì)值基本只有活塞轂部少許局部應(yīng)力集中區(qū)域高于50 MPa。

圖14 優(yōu)化后鋁活塞的主應(yīng)力分布

5 結(jié)論

通過對(duì)傳統(tǒng)大缸徑鋁活塞結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析及優(yōu)化改進(jìn)，簡(jiǎn)化了活塞結(jié)構(gòu)，降低了局部應(yīng)力集中，提高了活塞結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度安全性，固化了大缸徑壓縮機(jī)鋁活塞結(jié)構(gòu)，為后續(xù)大缸徑壓縮缸活塞設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐。