礦用水介質(zhì)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(zhì)的液壓傳動(dòng)因密封、潤(rùn)滑、防銹及水的氣蝕等問(wèn)題沒(méi)有得到進(jìn)展。人們研究的內(nèi)容主要以材料選擇為突破點(diǎn)，希望能夠在保證防腐性能的前提下，通過(guò)加工工藝等技術(shù)的提升得到水介質(zhì)傳動(dòng)研究的突破。為實(shí)現(xiàn)水介質(zhì)液壓傳動(dòng)，針對(duì)液壓缸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，采用潤(rùn)滑油進(jìn)行密封與油缸工作面之間的防銹與潤(rùn)滑，并實(shí)現(xiàn)了工作面之間的密封。該產(chǎn)品通過(guò)多次試驗(yàn)已經(jīng)成功地應(yīng)用于煤礦井下的支護(hù)工作，并以環(huán)保無(wú)污染、壽命增加、降低運(yùn)營(yíng)成本等特點(diǎn)凸顯出水介質(zhì)液壓傳動(dòng)的極大優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：水介質(zhì)液壓傳動(dòng)；純水單體液壓支護(hù)設(shè)備；單體液壓支柱

中圖分類(lèi)號(hào)：TD3553文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.01.007

我國(guó)的煤炭在國(guó)內(nèi)消耗所占的比例一直在70%左右，由于氣候變暖使得國(guó)際上一直關(guān)注能源消耗和排放等問(wèn)題，能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整將使煤炭在一次性能源生產(chǎn)和消費(fèi)中的比例有所降低，但預(yù)計(jì)到2050年煤炭所占比例可能也不會(huì)低于50%。煤炭開(kāi)采過(guò)程中，支護(hù)設(shè)備是確保安全生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，支護(hù)設(shè)備使用過(guò)程中會(huì)有乳化液排放，同時(shí)設(shè)備的安全性、使用壽命等都關(guān)系到安全生產(chǎn)和成本的高低。

1煤礦的支護(hù)設(shè)備

煤礦是否出煤，采煤工作面是關(guān)鍵，采煤工作面是否安全生產(chǎn)，其頂板的支護(hù)是關(guān)鍵；采煤工作面是否是環(huán)保生產(chǎn)，其支護(hù)設(shè)備所選用的工作介質(zhì)是關(guān)鍵；因此，采煤工作面支護(hù)設(shè)備的優(yōu)劣決定了煤礦是否能夠生產(chǎn)，是否能夠安全生產(chǎn)，是否能多生產(chǎn)，是否能環(huán)保生產(chǎn)等一系列問(wèn)題。

我國(guó)煤礦數(shù)量多，中小煤礦更多。國(guó)家采取有力措施進(jìn)行整頓、整合，將眾多小煤礦整合為管理相對(duì)正規(guī)的中小型煤礦，并大力推廣使用單體液壓支柱，嚴(yán)格禁止木支護(hù)、金屬摩擦式支柱的使用。這樣給單體液壓支護(hù)生產(chǎn)廠家?guī)?lái)了市場(chǎng)機(jī)遇。由于受到煤層賦存條件、設(shè)備費(fèi)用等種種原因的限制，在我國(guó)除少數(shù)煤礦的綜采工作面使用液壓支架外，大部分的煤礦支護(hù)設(shè)備均使用較廉價(jià)的單體液壓支護(hù)設(shè)備，可以說(shuō)在我國(guó)煤礦回采工作面數(shù)量上來(lái)看，70%以上的工作面均使用單體支護(hù)設(shè)備。

單體支護(hù)設(shè)備是我國(guó)煤礦工作面必不可少的設(shè)備之一，也是煤礦工作面使用量最多、規(guī)模最大、投入資金最多的消耗型煤機(jī)產(chǎn)品。

2單體液壓支柱的特點(diǎn)

單體支護(hù)設(shè)備及技術(shù)在過(guò)去幾十年中，歷經(jīng)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(gè)階段。近幾年才攻克了水介質(zhì)液壓傳動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了水介質(zhì)液壓支柱。水介質(zhì)單體液壓支柱的研制成功，使煤炭開(kāi)采進(jìn)入了環(huán)保、低消耗的生產(chǎn)時(shí)期。

煤炭開(kāi)采過(guò)程中的支護(hù)首先采用的是木質(zhì)材料，在長(zhǎng)達(dá)幾千年的煤炭開(kāi)采中，木支柱起到了不可替代的作用。在我國(guó)20世紀(jì)50年代仍然使用木支柱作為回采工作面的主要支護(hù)材料，但木支柱無(wú)恒增阻降距，頂板來(lái)壓時(shí)常常會(huì)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(fù)用率很低，浪費(fèi)了大量的木材。

單體金屬摩擦支柱是20世紀(jì)60年代初期誕生并發(fā)展起來(lái)的一種單體支護(hù)產(chǎn)品，被認(rèn)為是第一代單體支護(hù)設(shè)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(hù)的技術(shù)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(chǎn)，也無(wú)法保證足夠的恒增阻降距。

活塞式單體液壓支柱是20世紀(jì)80年代初期發(fā)展起來(lái)的一種單體支護(hù)產(chǎn)品，被認(rèn)為是第二代單體支護(hù)設(shè)備，在我國(guó)已推廣應(yīng)用近30年。單體液壓支柱的特點(diǎn)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(chǎn)。近年來(lái)廣泛的使用懸浮式單體液壓支柱，因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)具有伸縮行程大、初撐力大等優(yōu)勢(shì)得到人們的認(rèn)可并越來(lái)越多的應(yīng)用到大型礦。但是隨著長(zhǎng)期的推廣應(yīng)用，也逐步暴露出活塞式懸浮結(jié)構(gòu)的單體液壓支柱在技術(shù)原理和結(jié)構(gòu)工藝上的缺陷。由于不同行程工作條件下懸浮結(jié)構(gòu)密封面暴露在外，腐蝕和磕碰等難以避免而導(dǎo)致經(jīng)常需要升井維修，增加了生產(chǎn)成本，同時(shí)工作過(guò)程中要排放乳化液。這些缺陷不僅導(dǎo)致活塞式單體液壓支柱維修費(fèi)用高、安全風(fēng)險(xiǎn)大，還引發(fā)環(huán)保問(wèn)題。

3水介質(zhì)單體液壓支柱的特點(diǎn)

針對(duì)現(xiàn)有單體液壓支柱使用中暴露出來(lái)的問(wèn)題，近年來(lái)針對(duì)新型水介質(zhì)單體液壓支柱進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，成功研制出新型水介質(zhì)單體支護(hù)液壓支柱。

均取得突破性進(jìn)展。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摒棄了追求材料性能、涂鍍防銹等思路，采用輔助結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了工作密封面與水隔離，油缸與伸縮活柱采用油潤(rùn)滑和密封，實(shí)現(xiàn)了防銹、防滲漏及良好的潤(rùn)滑性能。

如圖所示為防水耐油無(wú)紡布，用于隔離水與油。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)活塞式單體液壓支柱油缸內(nèi)壁為密封工作面，工作面以油進(jìn)行潤(rùn)滑、密封，可有效的改善密封與油缸內(nèi)表

1.活柱 2.導(dǎo)向環(huán) 3.密封圈 4.儲(chǔ)油環(huán) 5.油水分離布

圖水介質(zhì)單體液壓支柱

面密封工作面的潤(rùn)滑、防銹、防滲漏的優(yōu)勢(shì)，密封采用橡膠式活塞結(jié)構(gòu)，取代原有金屬活塞，更有效的實(shí)現(xiàn)密封。具有以下特點(diǎn)：

（1） 油缸內(nèi)壁采用鏜孔、冷擠、滾壓等無(wú)害化加工方法，無(wú)需電鍍及化學(xué)鍍。

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

（3） 該產(chǎn)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(nèi)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(jié)論

水介質(zhì)單體液壓支柱是目前唯一可以以水替代乳化液的環(huán)保型單體液壓支柱；排放的水介質(zhì)無(wú)污染，達(dá)到環(huán)保要求，并降低使用成本；油缸內(nèi)表面為工作密封面，內(nèi)涂防銹潤(rùn)滑油，工作時(shí)更加靈活，延長(zhǎng)了支柱的維修周期；工作介質(zhì)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(guò)濾裝置即可實(shí)現(xiàn)井下單體液壓支柱的工作需要。因此水介質(zhì)液壓傳動(dòng)的研究與應(yīng)用，不僅僅應(yīng)用于煤礦開(kāi)采，通過(guò)進(jìn)一步的研究和推廣，將廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

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