大缸径往复式活塞压缩机铝活塞优化设计

邓 晶，曾柏森，王浩宇，黄 禧

(1.中国石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司，四川 成都 610100；2.中国石油塔里木油田分公司塔西南勘探开发公司泽普油气开发部 阿克采气作业区，新疆维吾尔自治区 喀什 844800)

1 引言

中、低压往复式活塞压缩机，通常压缩缸径很大，因此活塞会很重，往复运动质量会很大。为了减轻活塞重量，常采用比重小、导热性好的铝活塞。大缸径(缸径≥400 mm)的压缩机铝活塞重量较大(一般都会在80 kg以上，缸径为660 mm的缸重量甚至达到了200 kg)，在高速往复压缩机运转下惯性力较大，在某些特殊工况下，可能负荷会超过活塞杆许用载荷，出现活塞连接螺栓断裂、活塞表面损坏等异常现象。

本文先使用SolidWorks进行建模优化，再使用ANSYS对图1(传统结构大缸径铝活塞)和图2(优化后大缸径铝活塞)分别进行了接触模拟和活塞结构应力分析，从而明确大缸径铝活塞优化和改进的方向。

2 传统结构大缸径铝活塞

传统结构大缸径铝活塞半体，常常采用六根对称均匀分布的加强筋结构。2个活塞半体之间采用圆柱销定位，然后靠6根连接螺栓将其连接在一起。如图1所示。

图1 传统结构大缸径铝活塞结构示意图

该结构铝活塞，连接螺栓和活塞端面主要承受初始预紧力和材料受热膨胀后产生的热应力。由于铝活塞与连接螺栓材料膨胀系数差别较大，受热膨胀后产生热应力与初始预紧力的叠加可能会导致某些工况负荷超过螺栓材料或活塞材料的许用值。现场机组铝活塞组件曾发生活塞端面击穿，活塞连接螺栓弯曲、断裂和活塞端面破损事故。

3 优化后大缸径铝活塞

通过对现场损坏的大缸径铝活塞进行统计、总结及原因分析，在铝活塞质量不变的情况下，使用SolidWorks进行建模优化，对铝活塞结构进行了优化改进：铝活塞半体每根加强筋厚度减小，加强筋数量由6根增加为8根；简化了铝活塞结构，取消了连接2个活塞半体的6根连接螺栓和定位圆柱销，改用过盈配合将2个活塞半体连接在一起。如图2所示。

图2 优化后大缸径铝活塞结构示意图

4 有限元分析

4.1 接触模拟

用ANSYS分别对传统铝活塞、优化后铝活塞各接触面进行了接触模拟，如图3～7所示。所有接触面均模拟为滑动摩擦面，并采用罚函数接触算法求解。

图3 传统铝活塞半体与连接螺母接触有限元分析模拟

图4 传统铝活塞半体与连接螺栓接触有限元分析模拟

图5 传统铝活塞2个半体接触有限元分析模拟

图6 优化后铝活塞2个半体接触有限元分析模拟

图7 优化后铝活塞2个半体过盈配合面接触有限元分析模拟

优化后铝活塞2个活塞半体之间采用过盈配合，故采用滑动摩擦的拉格朗日乘子法并配合接触面手动偏差，来模拟配合产生的正应力与摩擦阻力，优化后铝活塞2个半体结构过盈配合面接触应力有限元迭代计算结果如图8所示。

图8 优化后铝活塞2个半体过盈配合面接触应力有限元迭代计算结果

4.2 活塞结构应力分布比较

用ANSYS分别对传统铝活塞和优化后铝活塞应用应力分布拓扑方法进行分析。

传统铝活塞在最大载荷工况下的VonMises应力分布如图9所示。由应力分布图可见，传统铝活塞在最大载荷工况下，活塞体没有出现超过材料抗拉极限的情况。活塞体除了个别局部应力集中部位超过100 MPa外，其它部位的VonMises应力都没有超过50 MPa。但连接螺栓本体应力却高于300 MPa。

优化后铝活塞在最大载荷工况下的VonMises应力分布如图10所示。由应力分布图可见，优化后铝活塞在最大载荷工况下，整个活塞体都没有出现超过材料抗拉极限的情况。除了活塞毂部和过盈配合处加强筋局部应力集中超过100 MPa外，其它部位的VonMises应力都没有超过50 MPa。

图10 优化后铝活塞的VonMises应力分布

传统铝活塞在最大载荷工况下的剪切应力分布如图11所示。由应力分布图可见，活塞体除了与连接螺栓接触区域和个别局部应力集中区域剪应力超过10 MPa外，其它部位的剪应力都在1～5 MPa。但连接螺栓与螺母局部应力集中区域的剪应力却高于50 MPa。

图11 传统铝活塞的剪应力分布

优化后铝活塞在最大载荷工况下的剪切应力分布如图12所示。由应力分布图可见，活塞体超过50 MPa的区域几乎不存在，除了少许过盈配合区域和个别加强筋上剪应力超过10 MPa外，其它部位的剪应力都在1～5 MPa。

图12 优化后铝活塞的剪应力分布

传统铝活塞在最大载荷工况下的主应力分布如图13所示。这里应力正值代表拉应力，负值代表压应力。由应力分布图可见，主应力绝对值基本只有连接螺栓与螺母局部应力集中区域高于50 MPa。

图13 传统铝活塞的主应力分布

优化后铝活塞在最大载荷工况下的主应力分布如图14所示。这里应力正值代表拉应力，负值代表压应力。由应力分布图可见，主应力绝对值基本只有活塞毂部少许局部应力集中区域高于50 MPa。

图14 优化后铝活塞的主应力分布

5 结论

通过对传统大缸径铝活塞结构进行分析及优化改进，简化了活塞结构，降低了局部应力集中，提高了活塞结构的疲劳强度安全性，固化了大缸径压缩机铝活塞结构，为后续大缸径压缩缸活塞设计提供了技术支撑。