1．前言

压缩机是一种使用活塞将气体压缩并产生高压气体的通用机械设备，它可以将机械能转化为气体压力，为其他设备提供所需动力。由于其在工业应用中的广泛性，一个国家的机械工业发展水平往往可以用压缩机的设计制造水平来衡量。压缩机按其工作原理主要分为往复式、螺杆式、轴流式、喷射式等，其中技术最成熟使用范围最为广泛的是往复式压缩机。往复式压缩机应用于气体管道、化工厂、天然气加工厂和炼油厂中。往复式压缩机是一种能将能量从原动机如一个电动马达装置，柴油发动机、蒸汽发动机或涡轮，通过压缩和加压空气或气体排出到动能接收器或压力系统的设备。往复式压缩机具有成本低、制造技术成熟、效率高、耗电少等优点，故被广泛应用到现代化工企业生产中，用来提高气体压力和进行气体输送。但是，由于往复式压缩机设计原理及其自身的结构特点和工况的复杂性（如往复运动使得压缩空气不能连续排出、有脉动；运动部件较多；运行时受力不均衡，无法控制设备的往复惯性力；多级压缩，结构复杂），使其易损部件较多，故障率高，且可靠性差，容易影响企业正常生产和运行，甚至一次故障会导致高达千万元的经济损失，故提升压缩机的运行稳定性是十分重要的^[1]。活塞的往复运动使气体压缩，导致其体积变小同时压力升高。活塞的运动特点决定了压缩机产生的气体具有脉动性质，变化多样的交变载荷作用在压缩机各个零部件上，在运行时产生的往复惯性力和惯性力偶会使得机器产生共振，使压缩机具有振动剧烈、噪声大等缺点^[2]。往复式压缩机的构件在运行时会承受复杂的载荷作用，这些作用随着时间的变化，会产生大小和方向上的的变化。零部件产生裂纹的很大一部分原因要归咎于不断变化循环的动载荷，同时己经产生裂纹的零部件的裂纹也会再其影响下不断增大扩散，最终导致疲劳断裂^[3]。

连杆是压缩机中连接曲轴与活塞的部件，在气缸内做直线往复运动。连杆的作用以及其所处的位置决定了它是压缩机的要传动部件。其机械性能的好坏对压缩机工作时的稳定性具有重要的影响。近年来，压缩机制造不断朝着高压化、轻质化方向发展，连杆部件的工作工况也变得越来越复杂。复杂的交变载荷单独或共同作用在连杆上，这些作用力导致了连杆的的疲劳断裂。一些其他因素比如连杆材料的类型、强度和硬度，材料的热处理条件等也是影响连杆疲劳寿命的重要因素^[4]。

连杆三大疲劳失效形式是磨损、断裂、腐蚀^[10]。由于腐蚀和磨损特殊的作用机理，使得其作用进程非常缓慢，通过定期更换压缩机零部件就可以避免此类疲劳形式的发生。但是断裂往往在瞬间发生并且难以预测，随着大功率压缩机在我国使用越来越广泛，一旦发生断裂则会产生非常严重的后果。

因此，为尽量减少压缩机零部件疲劳的发生，关键在于在设计^[11]阶段使得连杆具有良好的动、静态力学特性，以满足各种复杂交变载荷条件，使其零部件具有良好的疲劳强度和结构刚度。在压缩机的设计中，连杆的强度设计是必不可少的重要环节，借助大型的有限元分析软件可以建立高精度三维连杆模型，分析受力状况并且在此基础之上进行结构优化。这种方法可以方便地分析连杆的各种受力情况，对于其结构优化设计有巨大帮助。利用有限元分析软件可以极大地提高效率，避免了不必要的重复浪费的工作。

2．国内外研究现状

现代工业的迅速发展使得空气压缩机的使用范围越来越广泛，而压缩机的设计也在不断更新，压缩机的设计越来越向着大功率和小结构靠拢。在满足现有要求的情况下，生产厂家不断优化产品参数，使得压缩机的曲轴连杆尺寸得到最优化的结果。近十多年来，我国设计生产的往复式压缩机在效率，降低能耗，提高运转可靠性，延长运转周期和提高产品质量^[]等方面都有了很大进步，但是国内企业生产的产品与国外产品仍有较大差距，同等产气压力的机器国外的曲轴连杆等主要零部件质量比国内的要轻三分之一，机器运行起来振动小、能量消耗也少^[5]。

连杆是往复式压缩机中最关键的部件之一，而连杆螺栓是连杆部件上特别重要的零件，在工作中它受交变载荷的作用，其中连杆螺栓是曲柄连杆机构中受力情况最恶劣的零件，同时也是压缩机的薄弱环节之一，若其损坏会造成连杆大头瓦脱落，机身破裂等严重事故^[6]。连杆是压缩机的主要部件之一，其结构的各项参数对运动部件的惯性力、使用寿命与稳定性有很大影响。压缩机的设计中非常重要的一个环节即是连杆的强度^[7]研究，由于连杆在工作时具有复杂的载荷分布，所以连杆的设计需要借助有限元软件^[8]，在建立精度较高的连杆模型的基础上，进行受力分析与结构优化。

印度尼西亚的Gadjah Mada对往复式空气压缩机的连杆失效做了相关研究，以确定连杆失效原因并评估失效的连杆疲劳性能，通过对连杆的化学成分分析，显微组织检查，力学性能分析，断面分析，连杆应力分析和疲劳裂纹扩展行为分析，得出的结论是连杆的故障是由两个因素造成的。首先，在大连杆端附近存在低圆角半径，其具有高应力集中，在动态载荷下裂纹从该应力集中成核。其次，存在于连接杆材料表面下的夹杂物似乎充当应力集中器，从而促进裂纹开始。为了防止未来的故障，材料和设计需要改进，包括：建议使用锻钢而不是铸钢作为连杆材料；钢熔体应使用真空脱气工艺处理，以获得无夹杂清洁钢；连杆应重新设计，在大连杆端附近使用更长的圆角半径，以减少应力集中^[9]。

薛义对往复式空气压缩机连杆处螺栓断裂原因进行了实验及分析后得出结论：（1）在整个螺栓法兰结构中，螺柱受力是最明显的，螺柱上靠近法兰端处与螺母相接触的第一个螺纹的牙底处应力最大。(2) 整个螺栓连接的最危险区域是螺柱与螺母的第一个螺纹啮合区附近，其承受的应力最大，如果存在几何缺陷，在疲劳载荷作用将会产生裂纹扩展，并最终导致螺栓的断裂失效。机加工或者设备安装搭建时，应重点注意该区域的几何缺陷问题^[4]。