压缩机活塞杆的服役行为及失效分析

摘要

活塞杆在整个压缩机机构中负责动力的传动,主要是将曲轴的旋转运动转变为往复运动,推动活塞做功。活塞杆在运行过程中经常发生失效断裂,这严重影响了压缩机的正常运行,增大了企业的生产成本。对断裂活塞杆进行失效分析,找出活塞杆断裂的原因,对于提高活塞杆的使用寿命,保持压缩机的运行稳定性有很重要的指导意义。
　　 本文以一起发生失效断裂事故的压缩机活塞杆作为研究对象,从理化试验分析和有限元力学模拟两方面对活塞杆的失效原因进行了研究。在理化试验方面,主要对活塞杆失效件进行了断口分析、微观组织检验、化学成分分析和力学性能测试。试验结果表明:失效活塞杆材质的化学成分、抗拉强度和屈服强度均符合GB/T3077-1999《合金结构钢》中38CrMoAl的技术条件,但延伸率和冲击韧性低于标准中的规定值;材质的金相组织由回火索氏体和块状铁素体组成,而且在活塞杆表面未观察到氮化层;活塞杆的断裂属于疲劳断裂,疲劳源位于断口边缘靠近轴肩的区域。
　　 依据活塞杆设计图纸中的结构和实际加工后的结构建立了两种模型,采用ANSYS软件对活塞杆进行有限元力学分析。通过建模、网格划分、有限元计算,获得了活塞杆在最大拉力作用下的应力分布图。模拟计算结果表明活塞杆的最大等效应力位置位于轴肩处,通过对比轴肩部位的圆角过渡和内凹槽过渡两种结构形式,发现后一种结构使活塞杆轴肩处的应力集中更加严重,其最大等效应力从520MPa增大到892MPa。
　　 综合失效活塞杆的理化试验结果和有限元模拟分析结果可知,导致活塞杆发生疲劳断裂的裂纹源产生于活塞杆轴端的轴肩过渡区,该部位存在较大的应力集中,在交变载荷作用下,很容易萌生疲劳裂纹,造成疲劳断裂。失效活塞杆在加工制造时未严格按照设计图纸的要求进行加工,把本应是圆角过渡的结构加工成了内凹槽,使该部位的应力集中更加严重,同时材质金相组织中存在的块状铁素体和未进行氮化处理说明该活塞杆的热处理工艺不合格,这在一定程度上也降低了材料的抗疲劳性能,在两方面因素的综合影响下活塞杆过早地发生了疲劳断裂失效。