水介质矿用单体液压支柱

韩治华

（重庆工程职业技术学院，重庆 400037）

0 引言

单体液压支柱的功用：是对工作面的顶板及顶板冒落的岩石进行支护，保证工作人员有一定的安全工作空间。工作原理：通过液压站向与单体液压支柱连接的三用阀注液，单体液压支柱在压力的作用下开始升起，达到需要的支撑高度，再利用液压支柱内当密封圈的密封作用，对工作面顶板和顶板冒落的岩石进行支护，完成支撑；若要下降移柱，则打开三用阀卸载阀，液压支柱开始下降，完成下降移柱工作。工作特点：体积小，重量轻，在煤矿井下运输方便、工作面使用也方便，更便于移动，维修简便，省时、省工、省财、省力、省心。

1 水介质单体液压支柱存在的主要问题

目前，国内矿山行业使用的单体液压支柱，大量的均以乳化液(MDT乳化油和水以5：95配制而成)作为传动支柱介质。在实际生产中，每次采煤循环支柱卸载时移动时，乳化液都要大量排出，会造成矿山井下工作环境和井下水的染，同时影响了矿区生活用水的质量，

造成了生态环境的严重破坏。随着我国环保意识的不断加强和可持续发展战略的实施，以水作为传动介质的“环保型”、“ 节能型”的单体液压支柱使用推广成为一种必然趋势。与传统单体液压支柱相比，水介质单体液压支柱具有无污染和综合效益高的优点。

水介质单体液压支柱推广受阻的主要原因是密封问题。因为水介质的粘度较乳化液(MDT乳化油和水以5：95配制而成)低，这样会导致在相同密封间隙下的漏流量，水介质是油介质的几十倍，这将大大降低系统的容积效率，使支护的安全性大大降低，与此同时，水介质的润滑性很差，摩擦副之间难以形成液体润滑膜，很容易造成干摩擦，导致密封元件的磨损加速、寿命缩短，并最终导致系统发生故障。

2 采用FN活塞杆用安全型动密封圈解决密封问题

2.1 FN活塞杆用动密封圈的工作原理

液压缸工作时，在对应的注水口注水过程中，水经过活塞杆密封圈端面的沟槽、密封圈端面的通孔，进入到密封圈内。或者水通过导向套密封槽内相应面上的引流沟槽，以及外壁环上的通孔，到达密封圈内的矩形赋能腔内。端面的静密封，FN活塞杆用动密封圈采用本体过盈办法解决。FN活塞杆用动密封圈的静密封面为两个完整的表面，即外壁环的外径表面和另一端的端表面，其密封面积占到密封圈表面积的1/2以上，这就使在密封槽宽度相同的情况下，静密封的面积大大增加，密封效果明显提高。与现有在用技术相比，不需使用支撑环及螺纹调节机构，也不需要在导向套上打交叉孔，减少了加工零件种类和数量，对加工精度的要求也有所降低，减少了加工成本。FN活塞杆用动密封圈的另一种形式，是在导向套密封槽相应的面上做出径向引流沟槽。两种使用形式不但可在新活塞杆可以使用，而且也能在旧活塞杆上使用，如旧活塞杆密封表面出现镀层脱落、划伤、锈坑、变形等缺陷，同样也能起到与新活塞杆一样的密封效果。经实验验证，以水做介质在上述有缺陷的活塞杆中使用，FN活塞杆用动密封圈同样能达到相关标准规定的密封效果。

2.2 FN活塞杆用动密封圈具体实施方式

1）图1、图2、图3是FN活塞杆用动密封圈的整体结构图。它是轴向截面近似为“口”字形的矩形断面，封闭环为柔性密封体，其轴向截面为由内壁2、端面3、4及外壁5组成空腔结构。内壁2、端面3、4及外壁5为一整体，9为其形成的赋能腔体；端面4上打有轴向贯穿壁厚的通孔6，端面4外侧设有径向贯通的沟槽7，沟槽7与通孔6贯通。密封圈内壁2表面在自由状态下，呈向中心方向有一定凸起的弧状。外壁10的两端面装于端面3.4内的密封槽18内。

图1 FN活塞杆用动密封圈轴向视图

图2 FN活塞杆用动密封圈图1的轴向剖面结构图

2）图4中，密封圈1是FN活塞杆用动密封圈的另一种结构形式，它是一个轴向截面近似为“n”字形的矩形断面，由轴向断面未封闭的环形柔性密封体1，内壁2.端面3.4组成一体，与外壁10组成空腔结构。9为其形成的赋能腔体，外壁10装于端面3.4内的密封槽18内；外壁10上有径向通孔11；在密封圈内径和与通孔11的外端面的交汇处，有一断面呈矩形，并平行于轴线的阶梯形环状槽8；密封圈内壁2表面在自由状态下，呈向中心方向有一定凸起的圆弧状。

图3 FN活塞杆用动密封圈实施轴向剖面结构图

图4 FN活塞杆用动密封圈的实施轴向剖面结构图

3）图5中，是FN活塞杆用动密封圈实施应用在双作用液压缸的轴向剖面结构图。密封圈1的轴向宽度略大于密封槽的宽度，采用过盈装配方式。密封圈1的外径与密封槽15的内径相等。密封圈1嵌入密封槽15内，防挤垫12嵌在密封圈1的阶梯形状的沟槽内，工作时，密封圈1向活塞杆方向的凸起部分受到活塞杆13的约束压力变形，产生正压力，并形成密封带，此正压力与形成的密封带达完全可达到活塞杆初始密封的必要条件。随着压力腔14压力的增高，高压力的工作液体通过密封圈1径流向沟槽7，到达密封圈1的端面引流通孔6，最终到达赋能腔内，根据帕斯卡原理，工作液体压强作用在密封圈腔内的外径面17上，大大加强了密封圈1的动密封效果。工作液体作用在腔内的内径面16及端面上，增强了密封圈1的静密封效果。当工作压力减小或撤销时，赋能腔内压力随系统压力减小或撤销，密封圈1的作用在活塞杆上的正压力，也随着系统压力的变化而减少，摩擦力也随即减少，大大减小摩擦副之间的摩擦，可避水介质的润滑性差，摩擦副之间难以形成液体润滑膜，造成干摩擦，导致密封元件的磨损加速、寿命缩短，并最终导致系统发生故障的情况。

图5 FN活塞杆用动密封圈实施使用状态结构示意图

2.3 FN活塞杆用动密封圈的特点

在以作为水介质的矿用单体液压支柱中，FN活塞杆用动密封圈克服了现有密封圈技术的不足，具有高密封性好，密封件少、结构简单、成本低的特点，可在有镀层脱落、磨损、划伤、锈坑、变形的活塞杆上使用。

FN活塞杆用密封圈为一轴向断面呈封闭状的环型柔性密封带体，其轴向截面为由内壁矩形环、两端面及外壁环组成密封圈空腔结构。密封圈外端靠内径处有一阶梯状环形槽。

密封圈可为为整体或组合结构，端面有贯穿密封圈厚度的通流孔，及与之相通的沟槽。

密封圈为整体结构时，与阶梯状环形槽相对应侧的端面上均布有轴向贯通壁厚的通流孔，端面外侧有径向贯通的沟槽，沟槽与通流孔对应相交并贯通，密封圈内壁环表面为呈中心方向有一定凸起的弧面。

密封圈为组合结构时，其中一种形式为：内壁环和两端面为一个零件，外壁环为一个零件，外壁环的两端面装于另一个零件两端面内的环槽中，外壁环上有贯穿其厚度的通流孔。另一种形式为：内壁环和两端面为一个零件，外壁环为一个零件，其外壁环的两端面装于另一个零件两端面内的环槽中，在阶梯状环形槽端面的对应端面上均布有轴向贯通的通流孔，并有呈径向贯通的沟槽，通流孔与沟槽相连通。

密封圈的轴向截面的各部分壁厚基本相近。

密封圈的材料为伸长率大于55%的高强度工程塑料、橡塑材料，高分子合成材料、橡胶材料。

2.4 采用缸内无活塞技术，避免因内泄漏造成的

支柱虚顶

在缸内无活塞，也不存在内泄漏，在重庆工程职业技术学院模拟矿井井下，对支柱进行3年的压力实验，没有发现泄漏现象，可避免因内泄漏造成的支柱虚顶、支柱脱顶，避免了支柱因虚顶和脱顶而造成的伤人事故隐患，保证了矿工的生命安全。

3 结束语

水介质矿用单体液压支柱,采用FN活塞杆用动密封圈，克服了现有密封圈技术不足，具有可靠的密封性，密封零部件少、结构简单、成本低，FN活塞杆动密封圈能用于活塞杆有镀层脱落、划伤、磨损、锈坑、变形等缺陷的密封中, 水介质矿用单体液压支柱缸内无活塞，不存在内泄漏, 避免了因内泄漏造成的支柱虚顶、支柱脱顶，避免了支柱因虚顶和脱顶而造成的伤人事故隐患，保证了矿工的生命安全。同时，水介质矿用单体液压支柱与传统单体液压支柱相比，水介质单体液压支柱具有无污染和综合效益高的优点。特别适合于在煤矿井下环境中。

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