往复式压缩机中活塞杆与活塞连接处结构分析

摘 要：本文通过实际案例，说明活塞杆与活塞的连接处由于预紧力过大，会导致活塞杆与活塞连接的部分提前发生疲劳失效，针对该情况，本文提供了三种活塞杆与活塞连接的结构形式，并说明其安装方法。

关键词：活塞杆 活塞 预紧力 疲劳失效

中图分类号：TH457 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（c）-0085-02

往复式压缩机是一种应用范围广、需求量大的通用型机械设备，它的主要工作原理是：通过曲柄连杆机构，将传动机构的旋转运动转换为活塞的往复直线运动来压缩气体。本文主要是围绕着往复式压缩机中活塞杆与活塞的连接结构而进行的分析和讨论。

依据以往经验，若活塞杆与活塞的连接结构设计得当，则可以有效地提高活塞部件的使用寿命，确保长周期使用；反之，会给压缩机的正常运行埋下潜在安全隐患，甚至给用户直接带来严重的经济损失。

1 案例分析

图1中显示的是某型号压缩机的活塞杆在活塞连接段处发生断裂的案例，其断裂的原因经中科院分析确定为疲劳断裂。虽然疲劳断裂属于正常的失效形式，是零件长期使用的必然结果，但是该活塞杆的疲劳断裂却仅用了2个月。经过分析和推理，我们不难判定，造成活塞杆在活塞连接段处发生短周期疲劳断裂的主要原因是活塞杆与活塞连接的预紧力过大，导致活塞杆与活塞连接的部分长期工作在较高应力状态下，进而降低了活塞杆的寿命周期，使其提前发生疲劳断裂。分析其应力过大的原因，主要有以下几种可能性：

（1）活塞杆在加工制造过程中，可能存在形位公差误差过大的现象，这样会导致活塞杆与活塞装配后相互之间发生别劲，使活塞杆在活塞连接段处产生较大的弯曲应力。

（2）活塞杆与活塞装配时，操作者未严格按照装配图要求进行安装，导致装配后的活塞部件预紧力过大，进而导致活塞杆的拉伸应力过大。

（3）设计者在设计活塞杆与活塞连接结构时，对预紧力的考虑过于保守，反而却忽略了活塞杆的应力水平，直接导致活塞杆在设计阶段就存在拉伸应力过大的问题。

2 活塞杆与活塞连接的结构形式

活塞杆与活塞预紧连接的方法不同，其结构形式也有所不同，根据以往所见，活塞杆与活塞预紧连接的方法大致有几种：扭矩法、螺母转角法，液压拉伸法等，这几种方法在机械设计手册中均有详细讲述。

扭矩法适用于小型往复压缩机的活塞部件使用，装配时，按照计算好的力矩拧紧即可（见图2）。该方法控制预紧力的精度较低，一般情况下，误差在±25%之间。

螺母转角法适用于中小型往复压缩机的活塞部件使用，安装时，较小的螺母直接按照计算好的角度旋转到位即可；较大的螺母则需要先将活塞杆与活塞连接的部分加热，使其热胀变长，然后按照计算好的角度旋转螺母，冷却后变得到我们设计所需的预紧力（见图3）。

液压拉伸法适用于大中型往复压缩机的活塞部件使用，装配时，需要用专门的液压拉伸装置拉伸连接件到一定的轴向力（该轴向力应与需要的预紧力相等），拧紧螺母后，除去轴向力即可得到需要的预紧力（见图4）。该方法控制预紧力的精度较高，但是拆装比较繁琐，成本也较高。

3 结语

通过以上对活塞杆与活塞连接结构的分析和讨论，希望能给大家提供一个简单、实用、正确的设计思路，方便以后的设计工作。同时，帮助大家避免设计中的一些失误与不足。

参考文献

[1] 郁永章，姜培正，孙嗣莹.压缩机工程手册[M].中国石化出版社，2011.

[2] 机械设计手册编委会.机械设计手册（第2卷）[M].3版.北京：机械工业出版社，2004.

[3] 李益民.机械制造工艺设计简明手册[M].北京：机械工业出版社，1994.