초록
왕복동식 압축기에서 피스톤과 커넥팅로드는 중요한 부분이다. 이러한 주요부에 기계적 부하가 과도하게 가해지면 해당 기부속이 손상될 수 있으며, 교체하기도 쉽지 않고 비용도 많이 든다. 따라서 내구성과 수명에 영향을 미치는 요인을 분석할 필요가 있다. 본 연구의 주요 목적은 피스톤과 커넥팅로드의 최대 응력 집중 위치를 확인하는 것이다. 이를 위해 설계된 공기압축기의 작업 공정의 동적계산을 기반으로 피스톤 및 커넥팅로드의 응력 분석을 수행하였다. 공기압축기의 피스톤과 커넥팅로드의 3 차원 모델을 따로 설계하고, 이러한 부품들의 유한요소 해석은 수치해석적인 근사해법을 사용하였다. 피스톤은 열 경계 조건 없이 크랭크 샤프트의 각도에 따라 압력 부하를 받는다. 시뮬레이션 결과는 피스톤과 커넥팅로드의 응력 집중 위치와 그 값을 예측하고 추정할 수 있다. 그 결과 크랭크 각도 $135^{\circ}$와 $225^{\circ}$에서 피스톤은 190MPa, 커넥팅로드는 123MPa 이상의 최대 등가응력이 나타났으며 이는 인장 항복강도 이하의 값이다. 또한, 커넥팅로드와 피스톤에 계산 된 안전 계수는 1보다 높게 나타났다. 더욱이, 이러한 결과는 왕복동 공기압축기 제작사에 피스톤 및 커넥팅로드를 설계함에 있어서 최적화를 위한 참고 자료로 활용 될 수 있다.
In a reciprocating compressor, the piston and connecting rod are important parts. Excess mechanical stress on these parts may cause damage, and broken parts are expensive and difficult to replace. Therefore, it is necessary to analyze the mechanical stress affecting durability and longevity. The main purpose of this study was to identify locations of maximum stress on pistons and connecting rods. Based on dynamic calculation of the working process of a specific air compressor, an analysis of piston and connecting rod performance has been completed. A three-dimensional model for the air compressor's pistons and connecting rods was built separately, and FEM analysis of these components was carried out using a numerical method. The pistons were loaded by pressure which was changed according to crankshaft angle without thermal boundary conditions. The simulation results were used to predict and estimate stress concentration as well as the value of this stress on pistons and connecting rods. The maximum equivalent stress calculated are over 190 MPa on pistons and 123 MPa on connecting rods at crank angle $135^{\circ}$ and $225^{\circ}$ but these are under tensile yield strength. Besides, the calculated safety factors of connecting rods and pistons is higher than 1. Moreover, the results obtained can be used to provide manufacturers with references to optimize the design of pistons and connecting rods for reciprocating compressors.
