摘 要：为了丰富单体液压支柱的设计，本文以水作为介质开展一种单体液压支柱设计分析。在分析水介质液压单体支柱的工作原理的基础上，针对微造型结构和单体支柱材料选择这两个关键设计问题展开优化分析，为提高单体液压支柱的设计奠定一定的理论基础。

关键词：水介质;液压支柱;工作原理;设计优化

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

0 引言

伴随着人类在环保方面的意识逐渐加强，符合节能和环保等优点的环保液压技术逐渐成为人们关注焦点[1-2]。当前国内采用的单体液压支柱主要将乳化液作为介质，这对地下水介质和采空区都会引发严重的污染。所以，该文章指出了以水介质替代乳化液来作为工作介质，水介质单体液压支柱的使用，对煤矿的发展有着十分重要的意义，它不仅可以减少煤矿成本投入、资源浪费，更为保护条件提供了可能。本文以水作为介质开展一种单体液压支柱设计分析[3-4]。在分析水介质液压单体支柱的工作原理的基础上，针对微造型结构和单体支柱材料选择这两个关键设计问题展开优化分析。

1 工作原理

由于外注式液压单体支柱应用较为广泛，本文设计的水介质液压单体支柱也采用外注式。因此，本文说明的是外注式液压单体支柱的工作原理。首先，高压水介质利用泵站高压通过注液枪注入三用阀进入单体支柱的缸体内部，进入内部的水介质引起单体支柱出现活柱体升高的结果并到达活柱体顶部跟巷道顶板发生紧密结合，此时支柱完成第1阶段工作，包括升柱与初撑二个过程;当支柱的支护时间进一步增加后，导致顶板压力不断升高而超出支柱额定工作阻力以上，在这种情况下安全阀处于开启状态，同时内部介质往外流出，之后活柱体高度降低，单体支柱受力达到新的平衡，这就完成了液压单体支柱的承载-溢流过程;开启液压单体支柱的三用阀中的卸载阀，工作介质排出，活柱体随着介质的排出缓缓下降，完成液压单体回柱过程。水介质液压单体支柱的工作原理如下图1所示。

2 关键问题

2.1 水介质液压单体支柱的微造型结构优化

随之制造业也向着精密的方向发展，现代加工业已达到纳米微小程度，同时也为微造型技术提供了安全的可靠。所谓微造型是指在零部件表面加工出微细形貌，以很好地改善表面的摩擦学性能。表面微造型加工技术包括电子束刻蚀、振动碾压法、机械微刻法、激光表面微造型技术等。

液压单体支柱长期用于矿井下，大量的粉尘颗粒悬浮在工作环境中，且水介质的润滑性能差，会引起明显摩擦磨损的现象。之后，优化柱体的外表面微结构，按照300mm间隔来优化条形沟槽结构，通常可以利用这些沟槽来存储工作液、粉尘颗粒并提升动压力。不仅能够提高其抗震能力和改善润滑环境，也可以大幅度的减少磨损。水介质液压单体支柱结构图如图2所示。

2.2 单体支柱材料选择

使用水介质作为液压单体的工作介质，因为其高汽化压力、强导电性、粘度低、润滑性差等特点，会导致水介质液压单体在使用过程中容易出现磨损等问题。

（1）工程陶瓷。随着科学技术的发展，针对使用原有材料制造的水介质液压单体所存在的问题，进行新材料选型，而具有耐高温、耐腐蚀、耐气蚀的新型材料工程陶瓷在水介质液压单体制造过程中发挥了重要作用，但是该材料耐冲击性能差。

（2）金属材料。金属材料易于加工成型、力学性能好，已经形成了一套非常成熟的加工技术，采用金属材料制备水介质液压元件时应使其具备优异耐蚀性。其中，耐蚀合金被广泛应用在水介质液压元件的制造领域，尤其是钛合金表现出了非常优异的特性，但存在成本过高的问题。从提升性价比的角度考虑，需尽量选择不锈钢材质。

（3）聚合物。聚合物可以满足轻质、高比强度以及低摩擦系数的使用要求。大部分聚合物和金属或自身间的摩擦系数通常介于0.1～0.4之间。同时，聚合物还表现出了优异的抗振、消声等性能。目前可以用于制作水介质液压元件的聚合物包括：聚醚醚酮基复合材料、DU轴承材料、高密度聚乙烯等。

参考文献：

[1]李虹.液壓传动的重要研究方向—水介质液压传动[J].化工装备技术，2002，28（06）：67-71.

[2]邹建，吴张永，保勇前等.水介质液压溢流阀噪声控制研究[J].机床与液压，2010，38（08）：57-58.

[3]傅新，杜学文，邹俊等.孔隙高速流动中气穴观测与噪声特性[J].机械工程学报，2007，43（04）：98-102.

[4]陈云富.水介质压锥阀阀口流场的仿真研究[J].科学技术与工程，2008，8（09）：2431-2434.

作者简介：闫石林（1970-），女，山西平遥人，硕士，副教授，主要从事于机械设计领域。