针对DTY500型往复式页岩气压缩机因自然冷却式气缸内外温差大、压力高而产生变形的问题,建立了自然冷却式压缩机气缸热-机耦合共轭传热模型,基于有限元法开展了气缸内温度场与热-机耦合下的气缸变形研究,掌握了压缩机气缸整体温度场特性与变形量的分布特征,对比分析了气缸轴向与周向的温度与变形规律,建立了以圆度差值和径向平均变形量作为工作腔变形评价指标,在此基础上,开展了气缸温度测试试验,气缸表面温度测点平均误差为4.29%。结果表明:最高温度为104.78℃出现在工作腔与排气腔之间的内壁区域,其中周向温度差异为10.35℃和轴向温度差异为6.87℃,导致气缸最大圆度差值为0.249 mm,致使活塞拉缸。研究结果对提高活塞工作寿命和保障页岩气压缩机安全稳定运行具有重要意义。