礦用水介質單體液壓支柱的研制與使用

潘朝兵+李寶林+邊志鑫+陳可弟

摘要：以純水為工作介質的液壓傳動因密封、潤滑、防銹及水的氣蝕等問題沒有得到進展。人們研究的內容主要以材料選擇為突破點，希望能夠在保證防腐性能的前提下，通過加工工藝等技術的提升得到水介質傳動研究的突破。為實現水介質液壓傳動，針對液壓缸的結構進行改進，并對密封結構進行了調整，采用潤滑油進行密封與油缸工作面之間的防銹與潤滑，并實現了工作面之間的密封。該產品通過多次試驗已經成功地應用于煤礦井下的支護工作，并以環保無污染、壽命增加、降低運營成本等特點凸顯出水介質液壓傳動的極大優勢。

關鍵詞：水介質液壓傳動；純水單體液壓支護設備；單體液壓支柱

中圖分類號：TD3553文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.01.007

我國的煤炭在國內消耗所占的比例一直在70%左右，由于氣候變暖使得國際上一直關注能源消耗和排放等問題，能源結構的調整將使煤炭在一次性能源生產和消費中的比例有所降低，但預計到2050年煤炭所占比例可能也不會低于50%。煤炭開采過程中，支護設備是確保安全生產的關鍵設備，支護設備使用過程中會有乳化液排放，同時設備的安全性、使用壽命等都關系到安全生產和成本的高低。

1煤礦的支護設備

煤礦是否出煤，采煤工作面是關鍵，采煤工作面是否安全生產，其頂板的支護是關鍵；采煤工作面是否是環保生產，其支護設備所選用的工作介質是關鍵；因此，采煤工作面支護設備的優劣決定了煤礦是否能夠生產，是否能夠安全生產，是否能多生產，是否能環保生產等一系列問題。

我國煤礦數量多，中小煤礦更多。國家采取有力措施進行整頓、整合，將眾多小煤礦整合為管理相對正規的中小型煤礦，并大力推廣使用單體液壓支柱，嚴格禁止木支護、金屬摩擦式支柱的使用。這樣給單體液壓支護生產廠家帶來了市場機遇。由于受到煤層賦存條件、設備費用等種種原因的限制，在我國除少數煤礦的綜采工作面使用液壓支架外，大部分的煤礦支護設備均使用較廉價的單體液壓支護設備，可以說在我國煤礦回采工作面數量上來看，70%以上的工作面均使用單體支護設備。

單體支護設備是我國煤礦工作面必不可少的設備之一，也是煤礦工作面使用量最多、規模最大、投入資金最多的消耗型煤機產品。

2單體液壓支柱的特點

單體支護設備及技術在過去幾十年中，歷經了木支柱、金屬摩擦支柱、活塞式液壓支柱、柱塞懸浮式液壓支柱四個階段。近幾年才攻克了水介質液壓傳動技術，實現了水介質液壓支柱。水介質單體液壓支柱的研制成功，使煤炭開采進入了環保、低消耗的生產時期。

煤炭開采過程中的支護首先采用的是木質材料，在長達幾千年的煤炭開采中，木支柱起到了不可替代的作用。在我國20世紀50年代仍然使用木支柱作為回采工作面的主要支護材料，但木支柱無恒增阻降距，頂板來壓時常常會把支柱壓斷，造成冒頂事故；木支柱回柱既困難也很不安全，回柱后復用率很低，浪費了大量的木材。

單體金屬摩擦支柱是20世紀60年代初期誕生并發展起來的一種單體支護產品，被認為是第一代單體支護設備。在沿用了幾千年的木支柱后，單體金屬摩擦支柱的誕生是一次單體支護的技術革命。但其初撐力小且不均勻，支撐力受溫度和濕度的影響很大，容易造成采煤工作面頂板的凸凹不平，影響了安全生產，也無法保證足夠的恒增阻降距。

活塞式單體液壓支柱是20世紀80年代初期發展起來的一種單體支護產品，被認為是第二代單體支護設備，在我國已推廣應用近30年。單體液壓支柱的特點是：初撐力大、均勻，保證了采煤工作面頂板的平整和安全生產。近年來廣泛的使用懸浮式單體液壓支柱，因其結構特點具有伸縮行程大、初撐力大等優勢得到人們的認可并越來越多的應用到大型礦。但是隨著長期的推廣應用，也逐步暴露出活塞式懸浮結構的單體液壓支柱在技術原理和結構工藝上的缺陷。由于不同行程工作條件下懸浮結構密封面暴露在外，腐蝕和磕碰等難以避免而導致經常需要升井維修，增加了生產成本，同時工作過程中要排放乳化液。這些缺陷不僅導致活塞式單體液壓支柱維修費用高、安全風險大，還引發環保問題。

3水介質單體液壓支柱的特點

針對現有單體液壓支柱使用中暴露出來的問題，近年來針對新型水介質單體液壓支柱進行了研究與設計，成功研制出新型水介質單體支護液壓支柱。

均取得突破性進展。結構設計摒棄了追求材料性能、涂鍍防銹等思路，采用輔助結構實現了工作密封面與水隔離，油缸與伸縮活柱采用油潤滑和密封，實現了防銹、防滲漏及良好的潤滑性能。

如圖所示為防水耐油無紡布，用于隔離水與油。結構設計依據活塞式單體液壓支柱油缸內壁為密封工作面，工作面以油進行潤滑、密封，可有效的改善密封與油缸內表

1.活柱 2.導向環 3.密封圈 4.儲油環 5.油水分離布

圖水介質單體液壓支柱

面密封工作面的潤滑、防銹、防滲漏的優勢，密封采用橡膠式活塞結構，取代原有金屬活塞，更有效的實現密封。具有以下特點：

（1） 油缸內壁采用鏜孔、冷擠、滾壓等無害化加工方法，無需電鍍及化學鍍。

（2） 密封工作內表面不接觸工作介質，因此可在酸堿度較高的惡劣環境下工作，使用壽命長。

（3） 該產品工作行程等同或接近于懸浮式單體液壓支柱的工作行程。

（4） 油缸內表面為工作密封表面，不受裸露空氣及有害氣體的侵蝕，增加了使用壽命和維修周期。

4結論

水介質單體液壓支柱是目前唯一可以以水替代乳化液的環保型單體液壓支柱；排放的水介質無污染，達到環保要求，并降低使用成本；油缸內表面為工作密封面，內涂防銹潤滑油，工作時更加靈活，延長了支柱的維修周期；工作介質為純水，井下工作不需乳化液泵站，采用不銹鋼防爆高壓泵及過濾裝置即可實現井下單體液壓支柱的工作需要。因此水介質液壓傳動的研究與應用，不僅僅應用于煤礦開采，通過進一步的研究和推廣，將廣泛應用于各個領域。

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