水介質(zhì)單體液壓支柱工作原理和關(guān)鍵設(shè)計問題的優(yōu)化

摘 要：為了豐富單體液壓支柱的設(shè)計，本文以水作為介質(zhì)開展一種單體液壓支柱設(shè)計分析。在分析水介質(zhì)液壓單體支柱的工作原理的基礎(chǔ)上，針對微造型結(jié)構(gòu)和單體支柱材料選擇這兩個關(guān)鍵設(shè)計問題展開優(yōu)化分析，為提高單體液壓支柱的設(shè)計奠定一定的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：水介質(zhì);液壓支柱;工作原理;設(shè)計優(yōu)化

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

0 引言

伴隨著人類在環(huán)保方面的意識逐漸加強，符合節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點的環(huán)保液壓技術(shù)逐漸成為人們關(guān)注焦點[1-2]。當(dāng)前國內(nèi)采用的單體液壓支柱主要將乳化液作為介質(zhì)，這對地下水介質(zhì)和采空區(qū)都會引發(fā)嚴(yán)重的污染。所以，該文章指出了以水介質(zhì)替代乳化液來作為工作介質(zhì)，水介質(zhì)單體液壓支柱的使用，對煤礦的發(fā)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(zhì)開展一種單體液壓支柱設(shè)計分析[3-4]。在分析水介質(zhì)液壓單體支柱的工作原理的基礎(chǔ)上，針對微造型結(jié)構(gòu)和單體支柱材料選擇這兩個關(guān)鍵設(shè)計問題展開優(yōu)化分析。

1 工作原理

由于外注式液壓單體支柱應(yīng)用較為廣泛，本文設(shè)計的水介質(zhì)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(zhì)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(nèi)部，進入內(nèi)部的水介質(zhì)引起單體支柱出現(xiàn)活柱體升高的結(jié)果并到達活柱體頂部跟巷道頂板發(fā)生緊密結(jié)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(dāng)支柱的支護時間進一步增加后，導(dǎo)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(tài)，同時內(nèi)部介質(zhì)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(zhì)排出，活柱體隨著介質(zhì)的排出緩緩下降，完成液壓單體回柱過程。水介質(zhì)液壓單體支柱的工作原理如下圖1所示。

2 關(guān)鍵問題

2.1 水介質(zhì)液壓單體支柱的微造型結(jié)構(gòu)優(yōu)化

隨之制造業(yè)也向著精密的方向發(fā)展，現(xiàn)代加工業(yè)已達到納米微小程度，同時也為微造型技術(shù)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(xué)性能。表面微造型加工技術(shù)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(shù)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(huán)境中，且水介質(zhì)的潤滑性能差，會引起明顯摩擦磨損的現(xiàn)象。之后，優(yōu)化柱體的外表面微結(jié)構(gòu)，按照300mm間隔來優(yōu)化條形溝槽結(jié)構(gòu)，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(huán)境，也可以大幅度的減少磨損。水介質(zhì)液壓單體支柱結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.2 單體支柱材料選擇

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

（1）工程陶瓷。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，針對使用原有材料制造的水介質(zhì)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(zhì)液壓單體制造過程中發(fā)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(xué)性能好，已經(jīng)形成了一套非常成熟的加工技術(shù)，采用金屬材料制備水介質(zhì)液壓元件時應(yīng)使其具備優(yōu)異耐蝕性。其中，耐蝕合金被廣泛應(yīng)用在水介質(zhì)液壓元件的制造領(lǐng)域，尤其是鈦合金表現(xiàn)出了非常優(yōu)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(zhì)。

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

參考文獻：

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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(shè)計領(lǐng)域。