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往復式空氣壓縮機因其具有壓力適用范圍廣、效率高以及適應性強等優點，目前已經被廣泛應用于化工、煤炭、鋼鐵冶金等多個領域。活塞桿作為往復式空氣壓縮機的核心部件和易損件之一，其斷裂造成的設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，而活塞桿在往復運動中承受交變載荷，具體表現為從軸端到蓋端運動過程中承受壓應力，而從蓋端向軸端運動過程中承受拉應力。因此在壓縮機的實際運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。因此，在設計往復式空氣壓縮機活塞桿的過程中不僅應考慮活塞行程和沖次等因素，還應保證活塞桿在承受大噸位活塞力的過程中不發生安全事故，保證設備的連續運轉率，使其在結構角度滿足強度上的要求，避免產生過度的應力集中而在現場運行過程中發生疲勞破壞。本研究采用大型有限元分析軟件ANSYS對往復式空氣壓縮機活塞桿進行強度分析，并采用基于GoodMan曲線的安全系數評價法則對分析結果進行評估，以確定其是否滿足強度要求。
往復式空氣壓縮機活塞桿的三維幾何模型如圖所示。為降低減少計算量，提高運算效率，本研究對作為分析對象的活塞桿幾何模型采用1/4對稱結構，活塞桿直徑為76mm，根據機械設計手冊中的推薦值可知該幾何尺寸的活塞桿材質的力學性能參數。對活塞桿的三維幾何模型進行適當的簡化處理，去掉對強度計算結果影響較小的細節并以.SAT格式將模型導入到大型有限元分析軟件ANSYS的前處理界面中對該模型進行網格劃分，單元類型為四面體非結構化網格，總體網格尺寸為10mm，同時對產生應力集中的局部細節部位(如活塞桿階梯圓角位置)網格進行細化處理，細化部分網格尺寸為1mm。經前處理之后共生成四面體單元30588個。由于作為分析對象的活塞桿為整體模型的1/4，因此需在對稱表面上施加對稱方向的約束以保證模型在計算過程中不產生剛性位移。并對活塞桿與十字頭的接觸面節點定義約束。活塞桿連接活塞的螺紋部分節點加載的工況活塞力(分拉、壓兩種工況分別加載)。以壓工況為例，經網格劃分并施加上述邊界條件，得到ANSYS界面下的往復式空氣壓縮機的活塞桿有限元分析模型如圖所示。
經計算求解并提取有限元分析軟件ANSYS的后處理結果得到往復式空氣壓縮機活塞桿在壓工況的活塞力作用下的應力分布云圖和變形分布圖分別如下頁圖所示。根據圖可知活塞桿在壓工況條件下的最大應力為73.177MPa，最大應力產生于活塞桿階梯圓角位置處，該位置應力集中明顯，與用戶使用現場某些活塞桿發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圖所示。根據圖可知，活塞桿在壓工況條件下最大變形出現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拉工況條件下活塞桿進行強度分析，得到拉工況條件下活塞桿的應力分布云圖如圖所示。根據圖可知，活塞桿在拉工況條件下的最大應力為135.98MPa，最大應力產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力值更大且有更加明顯的應力集中，由此可判定拉工況對于該種結構的活塞桿為最危險工況。根據用戶現場的實際使用案例可知，大多數活塞桿的疲勞斷裂位置與分析結果吻合。拉工況條件下活塞桿的變形分布云圖如圖所示。根據圖可知，活塞桿在拉工況條件下最大變形出現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對往復式空氣壓縮機活塞桿進行結構強度分析，按照壓縮機實際運行工況活塞力定義邊界條件并施加載荷，經ANSYS后處理得到應力分布和變形等強度分析結果，采用基于GoodMan曲線判定準則的規定來對活塞桿在拉、壓兩種工況條件下的靜強度安全系數和疲勞強度安全系數進行計算，以判定其是否滿足強度要求。
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