基于ANSYSWorkbench的浮动油封力分析
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Abstract: The Force was first analyzed, and then from the rubber’s material characteristics and theoretical model, with the help of Solid edge, ANSYS Workbench software, simulation analysis was done for floating seals by using virtual prototype technology and FEM, get some color image of floating seals force. And made concrete analysis on the color figs obtained valuable conclusions. Key words： floating seals； FEM； ANSYS； force analysis
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
元分析应力云图。 以下为顶梁受集中载荷时其受力
从支架架型试验两端加载下的顶梁有限元分析
分析及校核的部分程序代码。
图谱（略）可以看出：最大等效应力为 258.872 MPa，
Private Sub Command2_Click()′求解顶梁上的集 从支架架型试验顶梁中部集中载荷加载下的顶梁有
浮封环压缩 O 形圈过程中，O 形圈在压缩中发 生弹性变形，并且非线性变形。 为了保证模拟分析 更贴合实际工况，本文在研究过程中，对模型采用 自动划分网格。 图 2 为根据要求压缩到最大位置后 网格划分情 况，此时有 14 194 个 “Element”，31 248 个“Nodes”。
3 结果分析 通过对浮动油封有限元模型加载计算和后处
图5
等效应力图
通过图 3、图 4、图 5 可以知道：两浮封环间距
3 mm 时浮封环和橡胶圈的压缩状态为最大弹性应
变和等效应力。 图 6 是浮封环慢慢压缩橡胶圈到浮
封座的过程中，支反力和位移关系图，随着 O 形圈
的变形，相同的位移量需要更大的作用力，相应支
反力随之增大。
3 000
2 500
2 000
F/N
主要部件—顶梁、掩护梁、底座等的作用载荷，并对 支架各主要部件进行有限元分析。该支架采用 Q690 高强度结构钢焊接而成， 屈服强度 σs=690 MPa，从 常规设计下的顶梁有限元分析应力云图可以看出， 最大等效应力为 561.314 MPa， 小于材料屈服极限
2010（3）:25-26. ［3］王 庆 五 ，左 昉 ，胡 仁 喜 ，等. ANSYS 10.0 机 械 设 计 高 级 应 用 实 例
责任编辑：于秀文 收稿日期：2011－04－01
124
第 32 卷第 10 期
基于 ANSYS Workbench 的浮动油封力分析— ——徐卫鹏
Vol.32No.10
1 浮动油封力分析
影响浮动油封密封端面间油膜的形态和厚度
的主要因素是其 pcv 值, pcv 是衡量机械密封耐磨性 和耐热性的重要指标，有
参考文献： ［1］鲁 忠 良 ，景 国 勋 ，肖 亚 宁. 支 架 设 计 使 用 安 全 辨 析 ［M］. 1 版. 北
京 ： 煤 炭 工 业 出 版 社 ，2006.
零部件设计，并进行支架的受力分析，得到支架各
［2］ 赵 喜 敬 ， 张 伟 杰 ， 姚 贵 英 ， 等 . 变 参 数 支 架 设 计 ［J］. 矿 山 机 械 ，
Abstract： Mechanics model of the balance ram is set up in the shield hydraulic support, and takes the distance between intersection of the column and the link joint of the top beam as variables to analyse stress in the balance ram. Then program with VB to automatically get the curves of stress of the balance ram. And the designed system interface is friendly, and convenient used in the process of the design of the balance ram. Key words： hydraulic support； balance ram； VB
1 500
1 000
500
00 2 4 6 8 10 12 14 x/mm
图 6 支反力和位移关系曲线
为了更深入地分析影响浮动油封所受支反力
的因素，在模型中改变浮封环锥角和加载过程中
图 2 有限元网格模型
本文在运用 ANSYS 对浮动油封力分析过程中， 采用 Mooney-Rivlin 应变能密度函数来模拟橡胶类 材料，其表达式为 W=C10（I1－3）＋C01（I2－3）。 将 C10、C01 记为 C1、C2， 那么 Mooney-Rivlin 应变能密度函数表 达式 W=C1（I1－3）＋C2（I2－3）。
式中
pc=4F/［π（D22-D12）］ F— ——浮动油封密封端面所受作用力；
D、D1— ——浮封环公称直径和密封端面内径。 采煤机摇臂浮封环端面主要受到 O 形圈弹性
变形后对其产生的轴向力 FO 和油膜对浮封环接触 面的力 FY 即
F=FO-FY 浮动油封结构见图 1。
E
3
2
1
图 1 浮动油封结构 1. 浮封环 2. O 形圈 3. 浮封座
图 4 最大弹性应变图
Equivalent Stress Type:Equivalent(von-Mises) Stress Unit:Pa Time:1 2011-3-31 15:02
Automatic 2.680 9e6 2.3458e6 2.010 7e6 1.675 6e6 1.340 5e6 1.005 4e6 6.703 1e5 3.352 1e5 122.88 Min
黄 磊， 刘混举 （太原理工大学 机械工程学院， 太原 030024）
摘 要： 建立液压支架平衡千斤顶力学模型， 以立柱柱窝到顶梁铰接点的距离为变量来研究 平衡千斤顶受力，利用 VB 对其进行编程，实现平衡千斤顶受力曲线的自动绘制。 所设计的系统界 面友好，便于液压支架设计中使用。
关键词： 液压支架； 平衡千斤顶； VB 中图分类号： TD355 文献标志码： A 文章编号： 1003 － 0794（2011）10 － 0126 － 03
2 有限元分析 在对浮动油封有限元分析过程中，充分考虑了
ANSYS 和 CAD 软件的特点，本文通过 Solid edge 建 立浮动油封三维模型后导入 ANSYS Workbench 中， 进行有限元分析。 浮动油封在使用过程中动环和静 环配合使用， 由力学知识可知其受力大小相同，为 了减少有限元网格， 提高运算速度， 本文只对浮动 油封的一半加以分析。
125
2 900 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 f
图 7 F-f 关系曲线
Hale Waihona Puke 第 32 卷第 10 期 2011 年 10 月
煤矿机械 Coal Mine Machinery
Vol.32No.10 Oct. 2011
基于 VB 的掩护式支架平衡千斤顶受力分析
中载荷
限元分析图谱 （略） 可以看出： 最大等效应力为
Dim l1, l2, l3, l4, l5, l6, l8, l9, l10
271.564 MPa，2 种加载情况下，其最大等效应力明显
Dim h1, h5, h6, h7, h9, h10, h11 Dim pk, w, u, p Open "fulfile2.txt" For Input As #2 Input #2, u, p, c2, c1, c3, c11, l8, hh11 Close #2 pk = 289: w = 0.3 pk = 289: w = 0.3 l1 = 1100: l2 = 1050: l3 = 1390: l4 = 840: l5 = 1670: l6 = 470: l9 = 900: l10 = 500 …… 3 液压支架有限元分析 根据支架的原始条件，进行支架的总体设计及
Stress Analysis of Balance Ram in Shield Support Based on VB
HUANG Lei , LIU Hun-ju （College of Mechanical Engineering ,Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China）
［M］. 2 版. 北京：机械工业出版社，2006. 作者简介： 赵喜敬（1964- ），女，河北邯 郸 人 ，硕 士 ，教 师 ，1987 年毕业于重庆大学机械设计制造及其自动化专业，主要从事机电一 体 化 方 面 的 研 究 ， 电 子 信 箱 ：zhxjzhxj2005@.
（σs=690 MPa），可以认为是安全的。
关键词： 浮动油封； 有限元； ANSYS； 力分析 中图分类号： TH136 文献标志码： A 文章编号： 1003 － 0794（2011）10 － 0124 － 03
Floating Seals Force Analysis Based on ANSYS Workbench
XU Wei-peng (Shanghai Branch， Tiandi Science and Technology Co., Ltd., Shanghai 200030， China)
理得到图 3～图 5 云图。
图 3 最终状态模拟图
Maximum Principal Stress Type:Maximun Principal Stress Unit:Pa Time:1 2011-3-31 15:01
3.3622e6 Max 2.8908e6 2.4194e6 1.9481e6 1.4767e6 1.0053e6 5.3393e5 62 556 -4.0882e5 -8.802e5 Min
第 32 卷第 10 期 2011 年 10 月
煤矿机械 Coal Mine Machinery
Vol.32No.10 Oct. 2011
基于 ANSYS Workbench 的浮动油封力分析 *
徐卫鹏 （天地科技股份有限公司 上海分公司， 上海 200030）
摘 要： 首先分析了浮动油封的受力情况， 然后从橡胶类的材料特征和理论模型入手， 借助 Solid edge、ANSYS Workbench 软件，利用虚拟样机技术对浮动油封进行了有限元仿真分析。 得到相 应云图和关系曲线，并对此加以详尽分析，得出了有价值结论。
0 前言
架油封可靠性不够好，故障率高。 而浮动油封具有
由于采煤机所处环境恶劣、振动大、冲击载荷 抗污染能力强、耐磨耐冲击、工作可靠、泄漏量小、
大、粉尘污染严重，摇臂行星头端面采用传统的骨 寿命长、端面磨损能自动补偿等优点，现在摇臂行
* 国家十一五科技支撑项目(2008BAB36B02)
星头端面都采用浮动油封替代传统的骨架油封。
小于材料屈服极限（σs=690 MPa）； 4 结语
基于样机整机型式试验的思路，虚拟样机整机 架型试验现场，并将常规设计的支架有限元应力云 图与支架型式试验不同加载方式下的支架有限元 应力云图进行了分析比较，可提高样机整机型式试 验的一次成功率，并可对同类型支架的设计及检测 提供虚拟研发平台，缩短支架的研发周期，节省大 量的人力物力。
在小应变情况下，不可压缩性橡胶材料的剪切
F/N
改变摩擦系数，得到图 7、图 8。 通过对比分析，得出 结论：
3 150
3 100
3 050
3 000
模量 G、泊松比 μ、材料系数 C 和弹性模量 E 之间的
2 950
关系为
E＝6C1（1＋
C1 C2
）。
利用此关系式及橡胶材料弹
性模量和硬度试验拟合曲线就可以确定材料系数 C。
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元分析应力云图。 以下为顶梁受集中载荷时其受力
从支架架型试验两端加载下的顶梁有限元分析
分析及校核的部分程序代码。
图谱（略）可以看出：最大等效应力为 258.872 MPa，
Private Sub Command2_Click()′求解顶梁上的集 从支架架型试验顶梁中部集中载荷加载下的顶梁有
浮封环压缩 O 形圈过程中，O 形圈在压缩中发 生弹性变形，并且非线性变形。 为了保证模拟分析 更贴合实际工况，本文在研究过程中，对模型采用 自动划分网格。 图 2 为根据要求压缩到最大位置后 网格划分情 况，此时有 14 194 个 “Element”，31 248 个“Nodes”。
3 结果分析 通过对浮动油封有限元模型加载计算和后处
图5
等效应力图
通过图 3、图 4、图 5 可以知道：两浮封环间距
3 mm 时浮封环和橡胶圈的压缩状态为最大弹性应
变和等效应力。 图 6 是浮封环慢慢压缩橡胶圈到浮
封座的过程中，支反力和位移关系图，随着 O 形圈
的变形，相同的位移量需要更大的作用力，相应支
反力随之增大。
3 000
2 500
2 000
F/N
主要部件—顶梁、掩护梁、底座等的作用载荷，并对 支架各主要部件进行有限元分析。该支架采用 Q690 高强度结构钢焊接而成， 屈服强度 σs=690 MPa，从 常规设计下的顶梁有限元分析应力云图可以看出， 最大等效应力为 561.314 MPa， 小于材料屈服极限
2010（3）:25-26. ［3］王 庆 五 ，左 昉 ，胡 仁 喜 ，等. ANSYS 10.0 机 械 设 计 高 级 应 用 实 例
责任编辑：于秀文 收稿日期：2011－04－01
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第 32 卷第 10 期
基于 ANSYS Workbench 的浮动油封力分析— ——徐卫鹏
Vol.32No.10
1 浮动油封力分析
影响浮动油封密封端面间油膜的形态和厚度
的主要因素是其 pcv 值, pcv 是衡量机械密封耐磨性 和耐热性的重要指标，有
参考文献： ［1］鲁 忠 良 ，景 国 勋 ，肖 亚 宁. 支 架 设 计 使 用 安 全 辨 析 ［M］. 1 版. 北
京 ： 煤 炭 工 业 出 版 社 ，2006.
零部件设计，并进行支架的受力分析，得到支架各
［2］ 赵 喜 敬 ， 张 伟 杰 ， 姚 贵 英 ， 等 . 变 参 数 支 架 设 计 ［J］. 矿 山 机 械 ，
Abstract： Mechanics model of the balance ram is set up in the shield hydraulic support, and takes the distance between intersection of the column and the link joint of the top beam as variables to analyse stress in the balance ram. Then program with VB to automatically get the curves of stress of the balance ram. And the designed system interface is friendly, and convenient used in the process of the design of the balance ram. Key words： hydraulic support； balance ram； VB
1 500
1 000
500
00 2 4 6 8 10 12 14 x/mm
图 6 支反力和位移关系曲线
为了更深入地分析影响浮动油封所受支反力
的因素，在模型中改变浮封环锥角和加载过程中
图 2 有限元网格模型
本文在运用 ANSYS 对浮动油封力分析过程中， 采用 Mooney-Rivlin 应变能密度函数来模拟橡胶类 材料，其表达式为 W=C10（I1－3）＋C01（I2－3）。 将 C10、C01 记为 C1、C2， 那么 Mooney-Rivlin 应变能密度函数表 达式 W=C1（I1－3）＋C2（I2－3）。
式中
pc=4F/［π（D22-D12）］ F— ——浮动油封密封端面所受作用力；
D、D1— ——浮封环公称直径和密封端面内径。 采煤机摇臂浮封环端面主要受到 O 形圈弹性
变形后对其产生的轴向力 FO 和油膜对浮封环接触 面的力 FY 即
F=FO-FY 浮动油封结构见图 1。
E
3
2
1
图 1 浮动油封结构 1. 浮封环 2. O 形圈 3. 浮封座
图 4 最大弹性应变图
Equivalent Stress Type:Equivalent(von-Mises) Stress Unit:Pa Time:1 2011-3-31 15:02
Automatic 2.680 9e6 2.3458e6 2.010 7e6 1.675 6e6 1.340 5e6 1.005 4e6 6.703 1e5 3.352 1e5 122.88 Min
黄 磊， 刘混举 （太原理工大学 机械工程学院， 太原 030024）
摘 要： 建立液压支架平衡千斤顶力学模型， 以立柱柱窝到顶梁铰接点的距离为变量来研究 平衡千斤顶受力，利用 VB 对其进行编程，实现平衡千斤顶受力曲线的自动绘制。 所设计的系统界 面友好，便于液压支架设计中使用。
关键词： 液压支架； 平衡千斤顶； VB 中图分类号： TD355 文献标志码： A 文章编号： 1003 － 0794（2011）10 － 0126 － 03
2 有限元分析 在对浮动油封有限元分析过程中，充分考虑了
ANSYS 和 CAD 软件的特点，本文通过 Solid edge 建 立浮动油封三维模型后导入 ANSYS Workbench 中， 进行有限元分析。 浮动油封在使用过程中动环和静 环配合使用， 由力学知识可知其受力大小相同，为 了减少有限元网格， 提高运算速度， 本文只对浮动 油封的一半加以分析。
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2 900 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 f
图 7 F-f 关系曲线
Hale Waihona Puke 第 32 卷第 10 期 2011 年 10 月
煤矿机械 Coal Mine Machinery
Vol.32No.10 Oct. 2011
基于 VB 的掩护式支架平衡千斤顶受力分析
中载荷
限元分析图谱 （略） 可以看出： 最大等效应力为
Dim l1, l2, l3, l4, l5, l6, l8, l9, l10
271.564 MPa，2 种加载情况下，其最大等效应力明显
Dim h1, h5, h6, h7, h9, h10, h11 Dim pk, w, u, p Open "fulfile2.txt" For Input As #2 Input #2, u, p, c2, c1, c3, c11, l8, hh11 Close #2 pk = 289: w = 0.3 pk = 289: w = 0.3 l1 = 1100: l2 = 1050: l3 = 1390: l4 = 840: l5 = 1670: l6 = 470: l9 = 900: l10 = 500 …… 3 液压支架有限元分析 根据支架的原始条件，进行支架的总体设计及
Stress Analysis of Balance Ram in Shield Support Based on VB
HUANG Lei , LIU Hun-ju （College of Mechanical Engineering ,Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China）
［M］. 2 版. 北京：机械工业出版社，2006. 作者简介： 赵喜敬（1964- ），女，河北邯 郸 人 ，硕 士 ，教 师 ，1987 年毕业于重庆大学机械设计制造及其自动化专业，主要从事机电一 体 化 方 面 的 研 究 ， 电 子 信 箱 ：zhxjzhxj2005@.
（σs=690 MPa），可以认为是安全的。
关键词： 浮动油封； 有限元； ANSYS； 力分析 中图分类号： TH136 文献标志码： A 文章编号： 1003 － 0794（2011）10 － 0124 － 03
Floating Seals Force Analysis Based on ANSYS Workbench
XU Wei-peng (Shanghai Branch， Tiandi Science and Technology Co., Ltd., Shanghai 200030， China)
理得到图 3～图 5 云图。
图 3 最终状态模拟图
Maximum Principal Stress Type:Maximun Principal Stress Unit:Pa Time:1 2011-3-31 15:01
3.3622e6 Max 2.8908e6 2.4194e6 1.9481e6 1.4767e6 1.0053e6 5.3393e5 62 556 -4.0882e5 -8.802e5 Min
第 32 卷第 10 期 2011 年 10 月
煤矿机械 Coal Mine Machinery
Vol.32No.10 Oct. 2011
基于 ANSYS Workbench 的浮动油封力分析 *
徐卫鹏 （天地科技股份有限公司 上海分公司， 上海 200030）
摘 要： 首先分析了浮动油封的受力情况， 然后从橡胶类的材料特征和理论模型入手， 借助 Solid edge、ANSYS Workbench 软件，利用虚拟样机技术对浮动油封进行了有限元仿真分析。 得到相 应云图和关系曲线，并对此加以详尽分析，得出了有价值结论。
0 前言
架油封可靠性不够好，故障率高。 而浮动油封具有
由于采煤机所处环境恶劣、振动大、冲击载荷 抗污染能力强、耐磨耐冲击、工作可靠、泄漏量小、
大、粉尘污染严重，摇臂行星头端面采用传统的骨 寿命长、端面磨损能自动补偿等优点，现在摇臂行
* 国家十一五科技支撑项目(2008BAB36B02)
星头端面都采用浮动油封替代传统的骨架油封。
小于材料屈服极限（σs=690 MPa）； 4 结语
基于样机整机型式试验的思路，虚拟样机整机 架型试验现场，并将常规设计的支架有限元应力云 图与支架型式试验不同加载方式下的支架有限元 应力云图进行了分析比较，可提高样机整机型式试 验的一次成功率，并可对同类型支架的设计及检测 提供虚拟研发平台，缩短支架的研发周期，节省大 量的人力物力。
在小应变情况下，不可压缩性橡胶材料的剪切
F/N
改变摩擦系数，得到图 7、图 8。 通过对比分析，得出 结论：
3 150
3 100
3 050
3 000
模量 G、泊松比 μ、材料系数 C 和弹性模量 E 之间的
2 950
关系为
E＝6C1（1＋
C1 C2
）。
利用此关系式及橡胶材料弹
性模量和硬度试验拟合曲线就可以确定材料系数 C。