水介質單體液壓支柱工作原理和關鍵設計問題的優化

摘 要：為了豐富單體液壓支柱的設計，本文以水作為介質開展一種單體液壓支柱設計分析。在分析水介質液壓單體支柱的工作原理的基礎上，針對微造型結構和單體支柱材料選擇這兩個關鍵設計問題展開優化分析，為提高單體液壓支柱的設計奠定一定的理論基礎。

關鍵詞：水介質;液壓支柱;工作原理;設計優化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.012

0 引言

伴隨著人類在環保方面的意識逐漸加強，符合節能和環保等優點的環保液壓技術逐漸成為人們關注焦點[1-2]。當前國內采用的單體液壓支柱主要將乳化液作為介質，這對地下水介質和采空區都會引發嚴重的污染。所以，該文章指出了以水介質替代乳化液來作為工作介質，水介質單體液壓支柱的使用，對煤礦的發展有著十分重要的意義，它不僅可以減少煤礦成本投入、資源浪費，更為保護條件提供了可能。本文以水作為介質開展一種單體液壓支柱設計分析[3-4]。在分析水介質液壓單體支柱的工作原理的基礎上，針對微造型結構和單體支柱材料選擇這兩個關鍵設計問題展開優化分析。

1 工作原理

由于外注式液壓單體支柱應用較為廣泛，本文設計的水介質液壓單體支柱也采用外注式。因此，本文說明的是外注式液壓單體支柱的工作原理。首先，高壓水介質利用泵站高壓通過注液槍注入三用閥進入單體支柱的缸體內部，進入內部的水介質引起單體支柱出現活柱體升高的結果并到達活柱體頂部跟巷道頂板發生緊密結合，此時支柱完成第1階段工作，包括升柱與初撐二個過程;當支柱的支護時間進一步增加后，導致頂板壓力不斷升高而超出支柱額定工作阻力以上，在這種情況下安全閥處于開啟狀態，同時內部介質往外流出，之后活柱體高度降低，單體支柱受力達到新的平衡，這就完成了液壓單體支柱的承載-溢流過程;開啟液壓單體支柱的三用閥中的卸載閥，工作介質排出，活柱體隨著介質的排出緩緩下降，完成液壓單體回柱過程。水介質液壓單體支柱的工作原理如下圖1所示。

2 關鍵問題

2.1 水介質液壓單體支柱的微造型結構優化

隨之制造業也向著精密的方向發展，現代加工業已達到納米微小程度，同時也為微造型技術提供了安全的可靠。所謂微造型是指在零部件表面加工出微細形貌，以很好地改善表面的摩擦學性能。表面微造型加工技術包括電子束刻蝕、振動碾壓法、機械微刻法、激光表面微造型技術等。

液壓單體支柱長期用于礦井下，大量的粉塵顆粒懸浮在工作環境中，且水介質的潤滑性能差，會引起明顯摩擦磨損的現象。之后，優化柱體的外表面微結構，按照300mm間隔來優化條形溝槽結構，通常可以利用這些溝槽來存儲工作液、粉塵顆粒并提升動壓力。不僅能夠提高其抗震能力和改善潤滑環境，也可以大幅度的減少磨損。水介質液壓單體支柱結構圖如圖2所示。

2.2 單體支柱材料選擇

使用水介質作為液壓單體的工作介質，因為其高汽化壓力、強導電性、粘度低、潤滑性差等特點，會導致水介質液壓單體在使用過程中容易出現磨損等問題。

（1）工程陶瓷。隨著科學技術的發展，針對使用原有材料制造的水介質液壓單體所存在的問題，進行新材料選型，而具有耐高溫、耐腐蝕、耐氣蝕的新型材料工程陶瓷在水介質液壓單體制造過程中發揮了重要作用，但是該材料耐沖擊性能差。

（2）金屬材料。金屬材料易于加工成型、力學性能好，已經形成了一套非常成熟的加工技術，采用金屬材料制備水介質液壓元件時應使其具備優異耐蝕性。其中，耐蝕合金被廣泛應用在水介質液壓元件的制造領域，尤其是鈦合金表現出了非常優異的特性，但存在成本過高的問題。從提升性價比的角度考慮，需盡量選擇不銹鋼材質。

（3）聚合物。聚合物可以滿足輕質、高比強度以及低摩擦系數的使用要求。大部分聚合物和金屬或自身間的摩擦系數通常介于0.1～0.4之間。同時，聚合物還表現出了優異的抗振、消聲等性能。目前可以用于制作水介質液壓元件的聚合物包括：聚醚醚酮基復合材料、DU軸承材料、高密度聚乙烯等。

參考文獻：

[1]李虹.液壓傳動的重要研究方向—水介質液壓傳動[J].化工裝備技術，2002，28（06）：67-71.

[2]鄒建，吳張永，保勇前等.水介質液壓溢流閥噪聲控制研究[J].機床與液壓，2010，38（08）：57-58.

[3]傅新，杜學文，鄒俊等.孔隙高速流動中氣穴觀測與噪聲特性[J].機械工程學報，2007，43（04）：98-102.

[4]陳云富.水介質壓錐閥閥口流場的仿真研究[J].科學技術與工程，2008，8（09）：2431-2434.

作者簡介：閆石林（1970-），女，山西平遙人，碩士，副教授，主要從事于機械設計領域。