1、202313科研开发156Modern Chemical Research当代化工研究202313科研开发156Modern Chemical Research当代化工研究煤矿用纯水介质高压大流量柱塞泵关键技术研究李 菊（山东兖矿智能制造有限公司 山东 273500）摘要：液力驱动以其高的能量密度、紧凑的结构和可调的布置方式等优势，被越来越多的应用。纯水（含水、海水）无毒、不燃烧，不需要储存、运输，是一种环保的传输介质。以纯水为工作介质，拓宽了水力驱动的适用范围，在娱乐、食品、造纸、水下工具、消防等方面，纯水力已得到了广泛的应用。水力活塞式泵体和泄压阀是水力活塞式泵体的重要组成部分，是实现水力
2、活塞式泵体应用的先决条件。纯水力活塞泵的核心工作环境是高压、高速工况，为提高工作效率，提高工作寿命，对摩擦副材料提出了更高的要求。在此基础上，提出了一种适用于水力活塞泵的新方法，随着智能化、绿色开采技术的进一步发展与改进，将在未来的发展过程中，对纯水供液技术、智能生命周期管理、远程集中供液中心等方面进行深入的研究，并最终形成综合开采智能供液技术体系与标准。关键词：纯水液压技术；乳化液泵技术；柱塞泵；供液技术中图分类号：TH137 文献标识码：ADOI：10.20087/ki.1672-8114.2023.13.052Research on Key Technologies of High Pr
3、essure and High Flow Plunger Pump for Pure Water Medium in Coal MinesLi Ju(Shandong Yankuang Intelligent Manufacturing Co.,Ltd.,Shandong,273500)Abstract：Hydraulic drive is increasingly being applied due to its advantages such as high energy density,compact structure,and adjustable layout.Pure water(
4、containing water or seawater)is non-toxic,non flammable,and does not require storage or transportation.It is an environmentally friendly transmission medium.Using pure water as the working medium has expanded the applicability of hydraulic drive,and has been widely used in entertainment,food,paperma
5、king,underwater tools,fire protection,and other fields.The hydraulic piston pump body and pressure relief valve are important components of the hydraulic piston pump body and are prerequisites for achieving the application of the hydraulic piston pump body.The core working environment of pure hydrau
6、lic piston pumps is high-pressure and high-speed working conditions.In order to improve work efficiency and prolong working life,higher requirements are put forward for friction pair materials.On this basis,a new method suitable for hydraulic piston pumps was proposed.It is pointed out that with the
7、 further development and improvement of intelligent and green mining technology,in-depth research will be conducted on pure water supply technology,intelligent lifecycle management,remote centralized supply centers,and other aspects in the future development process,and ultimately form a comprehensi
8、ve intelligent mining supply technology system and standards.Key words：pure water hydraulic technology；emulsion pump technology；plunger pump；liquid supply technology以纯水为工作介质的水力机械由于其安全、对环境友好等优点，近年来逐渐发展为一种新型的绿色传动技术。工作介质为纯水，重点研究其润滑与密封、腐蚀与磨损、气蚀与空化等关键科学问题，重点解决其在水质控制、材料与表面改性等方面的关键科学问题，实现其安全、稳定的工作。实现综合开采技术
9、与设备的绿色发展，是当前煤矿科学工作者面临的一个重要课题。综采液压系统由液压支架、液压支架的阀门和乳化液泵等构成，以乳化液为工作介质。作为乳化液的主要组分，由于乳化油中存在着大量的防腐剂、稳定剂和润滑剂等添加剂，泄露后，这些添加剂的使用将给环境带来很大的安全隐患。1.纯水液压技术（1）纯水液压传动兴起的原因。1795年，约瑟夫布拉马发明了世界上最早的水压机，这是水力技术走向实际应用的开始。20世纪，随着石油行业的繁荣，人们开发出了耐油性橡胶和多种助剂，以克服石油的缺陷，以及以石油为基础的液压介质所具有的优良物理化学性质，使得它迅速替代了水作为一种液压传输的媒介。使得液压传动在压力、体积比、效率
10、、流量、功率等方面，都有了很大的提高，并形成了一种传动、控制、检测一体化的技术；其在航空航天、武器装备、舰船、工程机械、矿山冶金、石化、娱乐、影视、医疗等行业中的应用日益广泛1。然而，在环境保护、安全、健康、能源等方面要求越来越高的今天，传统的液压驱动系统所存在的缺陷也越来越明显。（2）纯水液压在清洁度高的场合的应用。在食品业中，与空气驱动、电气驱动相比较，使用纯水液压驱动具有以下优点：食物加工装备的材质以不锈钢为主，使用纯水液压装置成本增加的幅度较小。在食品厂有多种水的来源，可以把作动器与原料结合在一起，无需屏蔽装置，该系统结构简单、占用空间少。纯水液压式系统，既不污染产品又不污染环境，可用
11、202313科研开发157Modern Chemical Research当代化工研究202313科研开发157Modern Chemical Research当代化工研究作高压清洗装置。与常规的空气动力式切割机比较，水力式切割机的噪音可减少18db，并显著地减少了设备的运行及维修费用。（3）纯水液压传动的研究内容及难点。由于纯水具有强烈的腐蚀性、较低的黏度、较差的润滑性能和较高的蒸发压力，因此对其进行深入的研究具有很大的挑战性。传统的油压式液压元件，无论是从结构上、还是从材质上，都无法适应纯水环境下的要求。以水力驱动为核心，以水力、材料、摩擦和机械制造等学科为基础，开展水力驱动材料、结构和加
12、工工艺等多学科的交叉与融合，研制出一种寿命长、成本低、综合性能好的水力驱动装置。摩擦磨损问题。纯水元件的核心摩擦副为间隙密封，在确保密封性的同时，要获得良好的润滑性能，就必须对水润滑条件下的摩擦磨损机制进行深入研究。开发、筛选具有良好自润滑性能、良好亲水性能的低成本摩擦副，并给出改进润滑性能、延长磨损寿命的具体途径2。新材料、新工艺的实用性研究。要想延长部件的使用寿命，除了改善其耐磨性能外，还需要对部件的结构进行合理的设计，并选取合适的工况。还有基于材料学、摩擦学等领域的相关理论，根据水力机械传动系统中的摩擦副结构及材料特性，建立水力机械传动系统中的关键摩擦副模型。在此基础上，采用有限元分析、
13、优化理论等方法，对水力传动部件中的每一种摩擦副进行优化，并将聚合物、金属陶瓷等多种材料通过适当的方法进行复合，使不同材料之间的性能优势得到最优匹配，从而实现水力传动部件的最优匹配。提高产品性价比。产品的结构设计、与产品的加工装配难度、生产自动化程度、产品的库存、备件的储存和维护，都是影响产品定价的主要因素。如何在保证产品质量的前提下，设计出一种既可以减小加工误差又可以增加生产效率的合适的构型，对于提升产品质量的性价比具有十分重要的意义。2.高压大流量乳化液泵技术（1）国内现状。在“十二五”“十三五”中，煤科院智能控制技术研究部突破了高压力大流量乳化液泵专用材料与工艺、大功率驱动系统可靠性、高水
14、基高压力大流量泵头脉动、噪声与空泡防控技术，和两个不同的流量级别的BRW（400/37.5）与BRW（630/40），满足7m以上大采高的综采与供液系统的匹配需求。其中，BRW（630/40）乳化液泵的成功研发，打破了国外对它的垄断，从而弥补了国内在该技术领域的不足3。主要技术包括：通过对其独特的材质及关键的加工技术，开发出一种高强度、高韧度的全不锈钢泵头材料，使泵头的抗拉强度提高70%，韧度提高5倍；开发出一种具有高磨耗、高防粘涂料的复合工具，可有效地解决不锈钢的高黏度、高效率的加工问题；突破1m直径主孔和环向槽同轴加工技术，突破多点支承同轴度误差控制在0.02mm内的技术难点。当前，我国高
15、端、高压力、大流速的乳化液泵市场由英国的雷波公司、德国的卡玛特公司、豪辛柯公司主导，它们的产品在乳化液泵的设计与生产方面，也是国际上最领先的。当前，为适应综采工作面的高流速、大初支撑力的要求，乳化液泵站正在朝着一体化的方向发展，单水泵的技术指标也朝着更高的压力和更高的流量需求发展。（2）国外现状。在单泵的结构方面，目前国际上最先进的高压力、大流量的乳化液泵，全部采用了五个活塞的形式，来增加其容积，并且大多采用了耐磨、耐腐蚀的高性能的材质，例如陶瓷活塞，具有很长的工作寿命。虽然因为设计理念的不同，它们的结构参数也存在一定的差别，但是它们的高端乳化液泵在单泵参数方面，都已经达到了流量630L/mi
16、n，压力36MPa以上的大功率传动系统的可靠技术。提出了一种基于大偏心率、大负载的高效乳化液泵的设计方法，突破大行程小曲柄速度重负荷传动高可靠技术，解决大流量液力系统高容积效率和高耐久性难题。首创了“高抗磨损、低摩擦系数”的“硬质合金缸套-高强度铸铁滑板”摩擦副，突破了基于表层微组织效应的重载油膜动压润滑技术难点；创新了“裂分多点支承人字形齿轮”的驱动方式，已解决了大负载下、大功率下的机械能量输出、以及转子不均匀支承负载的稳定问题4。3.柱塞泵关键技术根据柱塞泵与气缸转子轴之间的位置关系，可将活塞泵划分为两类，一类是斜圆盘型，另一类是斜轴型。这两种柱塞泵的工作原理都是一样的，但是它们的运动方式却不一样，所以主轴、柱塞、缸体的形状以及受力都不一样，水的粘性较小，润滑性能较差；因此，在高压、高速的水流下，会对配合表面造成强烈的冲刷，时间长了就会在部件的表面上形成一道道的丝状沟槽，而在高速的水流中，还会带着一些污染粒子，对部件的破坏作用就会变得更加严重。为了减少冲刷和磨损，必须减慢水流的流速，选择高硬、抗冲刷的材质，以改善滤芯的精确度等。在水中声速较在石油中要高出10%，造成了水力系统冲击、