水介質礦用單體液壓支柱

韓治華

（重慶工程職業技術學院，重慶 400037）

0 引言

單體液壓支柱的功用：是對工作面的頂板及頂板冒落的巖石進行支護，保證工作人員有一定的安全工作空間。工作原理：通過液壓站向與單體液壓支柱連接的三用閥注液，單體液壓支柱在壓力的作用下開始升起，達到需要的支撐高度，再利用液壓支柱內當密封圈的密封作用，對工作面頂板和頂板冒落的巖石進行支護，完成支撐；若要下降移柱，則打開三用閥卸載閥，液壓支柱開始下降，完成下降移柱工作。工作特點：體積小，重量輕，在煤礦井下運輸方便、工作面使用也方便，更便于移動，維修簡便，省時、省工、省財、省力、省心。

1 水介質單體液壓支柱存在的主要問題

目前，國內礦山行業使用的單體液壓支柱，大量的均以乳化液(MDT乳化油和水以5：95配制而成)作為傳動支柱介質。在實際生產中，每次采煤循環支柱卸載時移動時，乳化液都要大量排出，會造成礦山井下工作環境和井下水的染，同時影響了礦區生活用水的質量，

造成了生態環境的嚴重破壞。隨著我國環保意識的不斷加強和可持續發展戰略的實施，以水作為傳動介質的“環保型”、“ 節能型”的單體液壓支柱使用推廣成為一種必然趨勢。與傳統單體液壓支柱相比，水介質單體液壓支柱具有無污染和綜合效益高的優點。

水介質單體液壓支柱推廣受阻的主要原因是密封問題。因為水介質的粘度較乳化液(MDT乳化油和水以5：95配制而成)低，這樣會導致在相同密封間隙下的漏流量，水介質是油介質的幾十倍，這將大大降低系統的容積效率，使支護的安全性大大降低，與此同時，水介質的潤滑性很差，摩擦副之間難以形成液體潤滑膜，很容易造成干摩擦，導致密封元件的磨損加速、壽命縮短，并最終導致系統發生故障。

2 采用FN活塞桿用安全型動密封圈解決密封問題

2.1 FN活塞桿用動密封圈的工作原理

液壓缸工作時，在對應的注水口注水過程中，水經過活塞桿密封圈端面的溝槽、密封圈端面的通孔，進入到密封圈內。或者水通過導向套密封槽內相應面上的引流溝槽，以及外壁環上的通孔，到達密封圈內的矩形賦能腔內。端面的靜密封，FN活塞桿用動密封圈采用本體過盈辦法解決。FN活塞桿用動密封圈的靜密封面為兩個完整的表面，即外壁環的外徑表面和另一端的端表面，其密封面積占到密封圈表面積的1/2以上，這就使在密封槽寬度相同的情況下，靜密封的面積大大增加，密封效果明顯提高。與現有在用技術相比，不需使用支撐環及螺紋調節機構，也不需要在導向套上打交叉孔，減少了加工零件種類和數量，對加工精度的要求也有所降低，減少了加工成本。FN活塞桿用動密封圈的另一種形式，是在導向套密封槽相應的面上做出徑向引流溝槽。兩種使用形式不但可在新活塞桿可以使用，而且也能在舊活塞桿上使用，如舊活塞桿密封表面出現鍍層脫落、劃傷、銹坑、變形等缺陷，同樣也能起到與新活塞桿一樣的密封效果。經實驗驗證，以水做介質在上述有缺陷的活塞桿中使用，FN活塞桿用動密封圈同樣能達到相關標準規定的密封效果。

2.2 FN活塞桿用動密封圈具體實施方式

1）圖1、圖2、圖3是FN活塞桿用動密封圈的整體結構圖。它是軸向截面近似為“口”字形的矩形斷面，封閉環為柔性密封體，其軸向截面為由內壁2、端面3、4及外壁5組成空腔結構。內壁2、端面3、4及外壁5為一整體，9為其形成的賦能腔體；端面4上打有軸向貫穿壁厚的通孔6，端面4外側設有徑向貫通的溝槽7，溝槽7與通孔6貫通。密封圈內壁2表面在自由狀態下，呈向中心方向有一定凸起的弧狀。外壁10的兩端面裝于端面3.4內的密封槽18內。

圖1 FN活塞桿用動密封圈軸向視圖

圖2 FN活塞桿用動密封圈圖1的軸向剖面結構圖

2）圖4中，密封圈1是FN活塞桿用動密封圈的另一種結構形式，它是一個軸向截面近似為“n”字形的矩形斷面，由軸向斷面未封閉的環形柔性密封體1，內壁2.端面3.4組成一體，與外壁10組成空腔結構。9為其形成的賦能腔體，外壁10裝于端面3.4內的密封槽18內；外壁10上有徑向通孔11；在密封圈內徑和與通孔11的外端面的交匯處，有一斷面呈矩形，并平行于軸線的階梯形環狀槽8；密封圈內壁2表面在自由狀態下，呈向中心方向有一定凸起的圓弧狀。

圖3 FN活塞桿用動密封圈實施軸向剖面結構圖

圖4 FN活塞桿用動密封圈的實施軸向剖面結構圖

3）圖5中，是FN活塞桿用動密封圈實施應用在雙作用液壓缸的軸向剖面結構圖。密封圈1的軸向寬度略大于密封槽的寬度，采用過盈裝配方式。密封圈1的外徑與密封槽15的內徑相等。密封圈1嵌入密封槽15內，防擠墊12嵌在密封圈1的階梯形狀的溝槽內，工作時，密封圈1向活塞桿方向的凸起部分受到活塞桿13的約束壓力變形，產生正壓力，并形成密封帶，此正壓力與形成的密封帶達完全可達到活塞桿初始密封的必要條件。隨著壓力腔14壓力的增高，高壓力的工作液體通過密封圈1徑流向溝槽7，到達密封圈1的端面引流通孔6，最終到達賦能腔內，根據帕斯卡原理，工作液體壓強作用在密封圈腔內的外徑面17上，大大加強了密封圈1的動密封效果。工作液體作用在腔內的內徑面16及端面上，增強了密封圈1的靜密封效果。當工作壓力減小或撤銷時，賦能腔內壓力隨系統壓力減小或撤銷，密封圈1的作用在活塞桿上的正壓力，也隨著系統壓力的變化而減少，摩擦力也隨即減少，大大減小摩擦副之間的摩擦，可避水介質的潤滑性差，摩擦副之間難以形成液體潤滑膜，造成干摩擦，導致密封元件的磨損加速、壽命縮短，并最終導致系統發生故障的情況。

圖5 FN活塞桿用動密封圈實施使用狀態結構示意圖

2.3 FN活塞桿用動密封圈的特點

在以作為水介質的礦用單體液壓支柱中，FN活塞桿用動密封圈克服了現有密封圈技術的不足，具有高密封性好，密封件少、結構簡單、成本低的特點，可在有鍍層脫落、磨損、劃傷、銹坑、變形的活塞桿上使用。

FN活塞桿用密封圈為一軸向斷面呈封閉狀的環型柔性密封帶體，其軸向截面為由內壁矩形環、兩端面及外壁環組成密封圈空腔結構。密封圈外端靠內徑處有一階梯狀環形槽。

密封圈可為為整體或組合結構，端面有貫穿密封圈厚度的通流孔，及與之相通的溝槽。

密封圈為整體結構時，與階梯狀環形槽相對應側的端面上均布有軸向貫通壁厚的通流孔，端面外側有徑向貫通的溝槽，溝槽與通流孔對應相交并貫通，密封圈內壁環表面為呈中心方向有一定凸起的弧面。

密封圈為組合結構時，其中一種形式為：內壁環和兩端面為一個零件，外壁環為一個零件，外壁環的兩端面裝于另一個零件兩端面內的環槽中，外壁環上有貫穿其厚度的通流孔。另一種形式為：內壁環和兩端面為一個零件，外壁環為一個零件，其外壁環的兩端面裝于另一個零件兩端面內的環槽中，在階梯狀環形槽端面的對應端面上均布有軸向貫通的通流孔，并有呈徑向貫通的溝槽，通流孔與溝槽相連通。

密封圈的軸向截面的各部分壁厚基本相近。

密封圈的材料為伸長率大于55%的高強度工程塑料、橡塑材料，高分子合成材料、橡膠材料。

2.4 采用缸內無活塞技術，避免因內泄漏造成的

支柱虛頂

在缸內無活塞，也不存在內泄漏，在重慶工程職業技術學院模擬礦井井下，對支柱進行3年的壓力實驗，沒有發現泄漏現象，可避免因內泄漏造成的支柱虛頂、支柱脫頂，避免了支柱因虛頂和脫頂而造成的傷人事故隱患，保證了礦工的生命安全。

3 結束語

水介質礦用單體液壓支柱,采用FN活塞桿用動密封圈，克服了現有密封圈技術不足，具有可靠的密封性，密封零部件少、結構簡單、成本低，FN活塞桿動密封圈能用于活塞桿有鍍層脫落、劃傷、磨損、銹坑、變形等缺陷的密封中, 水介質礦用單體液壓支柱缸內無活塞，不存在內泄漏, 避免了因內泄漏造成的支柱虛頂、支柱脫頂，避免了支柱因虛頂和脫頂而造成的傷人事故隱患，保證了礦工的生命安全。同時，水介質礦用單體液壓支柱與傳統單體液壓支柱相比，水介質單體液壓支柱具有無污染和綜合效益高的優點。特別適合于在煤礦井下環境中。

[1] 駱永標,彭德光,李方俊.顆粒填料對聚氨酯彈性體耐水解性的影響[J].液壓與氣動,2005(6):60-64.LUO Yongbiao,PANG Deguang,LI Fangjun.Effect of PatticleFillers on the Hydrolytic Performance of Polyurethane ElasticBody[J].Chinese Hydraulics＆Pneumatics,2005 (6):60-64.

[2] 楊高品,駱永標,謝鵬程等.水介質單體液壓支柱Y型密封圈的CAE優化分析[J].潤滑與密封,2006.Yang Gaopin,Luo Yongbia,Xie Pengcheng.Optimization Analysis for Y-type Seal-ring of Hydraulic,2006-12.Prop with W ater M edium with CAE.

[3] Moldflow Plastics Insight 4.1幫助文件.