基于微造型的臥式煤礦高壓大流量水液壓泵的缸套摩擦副的制作方法

本發明屬于煤礦水液壓技術領域，具體地說是一種基于微造型的臥式煤礦高壓大流量水液壓泵的缸套摩擦副。

背景技術：

乳化液泵作為煤礦井下安全高效開采的必備配套設備，是煤礦井下最重要的核心動力裝置之一，其一般采用臥式柱塞結構。煤礦井下的液壓支架、單體液壓支柱等支護裝備，部分電牽引采煤機液壓調高系統，部分刮板機、皮帶機的齒輪箱和液力耦合器，以及乳化液鉆機與乳化液鋸等工具設備，變軌吊、安裝叉車、安裝運輸車、組裝架、棚架移動設備等綜采工作面快速安裝、運輸、回撤裝備，均依靠乳化液泵提供動力。可見，乳化液泵的性能是保證煤礦安全高效開采的關鍵。

乳化液泵以乳化液為工作介質，乳化液中含有大量的基礎油、乳化劑和穩定劑等化學物質，嚴重污染礦區地下水資源，乳化液還易分解變質，嚴重影響煤礦工人的工作環境和身體健康，且配置乳化液的設備還需定期清洗檢查，且耗費大量化學合成劑，使用成本高，工人勞動強度大。

與乳化液介質相比，水介質具有環境友好、清潔安全、價格低廉、取用方便等諸多優點，是替代乳化液的理想介質，而煤礦井下水資源豐富，部分低洼處積水還需專門抽排處理，使用經處理的井下廢水替代乳化液作為工作介質，對礦區廢水再利用，降低煤礦支護成本，保護礦區環境，推進煤礦節能減排，改善工人工作環境等具有重要意義，符合國家節能減排可持續發展的戰略需求。但水介質粘度低潤滑性能差，煤礦乳化液泵缸套摩擦副運動速度高(一般曲軸轉速在400r/min以上)，液力端壓力高(一般為31.5mpa-50mpa)，流量大(一般在400l/min以上)，介質污染嚴重(主要包括磨屑及砂石子等微磨粒污染)，使用水為工作介質將會加劇缸套摩擦副的摩擦磨損，縮短缸套摩擦副的使用壽命，且井下環境惡劣，設備維修成本高、難度大，嚴重影響井下的安全和高效生產。基于上述原因，綠色、安全、廉價的水介質，一直未能在煤礦井下得到很好推廣和應用。

隨著人們對安全生產、環境保護以及節能減排的日益重視，各國都制定了相應的法律和法規，以實現經濟和環境的可持續發展，這也要求乳化液技術應向安全、環保和節能的方向發展。因此，必須針對煤礦的特殊工況，解決制約煤礦井下臥式高壓大流量柱塞泵水液壓化的缸套摩擦副的摩擦和磨損問題，從而為煤礦乳化液裝備的水壓化奠定基礎。

要減小或消除上述現象，除了從缸套摩擦副材料的選擇及材料的處理工藝上進行考慮之外，還應重點從其結構設計著手，提出適用于臥式煤礦高壓大流量水液壓泵的新型缸套摩擦副新結構。

微造型技術是在摩擦副表面加工出規律分布的微觀形貌，以產生動壓潤滑效果，具有流體動壓潤滑、二次供液潤滑及容納微磨粒的作用效果。目前微造型技術在機械密封、配流副、推力軸承、刀具抗磨等領域已有成功應用。此外，本發明的第一發明人提出的中國專利申請號201611094299.7的專利公開了一種基于微造型閥芯和異形閥腔的煤礦水壓三用閥，將微造型技術應用于閥芯的潤滑和減磨領域。

本發明涉及的基于微造型的臥式煤礦高壓大流量水液壓泵的缸套摩擦副，其微造型陣列采用變尺寸設計，不再是簡單的均勻分布，微造型陣列的深度尺寸、直徑尺寸和面積尺寸是規律變化的，且這種規律變化是與水液壓泵的缸套摩擦副的工況變化相適應的，不但有效改善了臥式煤礦高壓大流量水液壓泵的缸套摩擦副在水介質環境下的摩擦和磨損問題，而且可較大限度的確保缸套摩擦副在周期運動過程中的穩定潤滑和恒定承載。此外，借助缸套摩擦副的往復運動，摩擦副微造型壁面與微磨粒、水介質的流固耦合作用，以及及水介質的壓力波動可實現對微磨粒的自清理，進一步改善臥式煤礦高壓大流量水液壓泵的缸套摩擦副的磨粒磨損問題，最終使缸套摩擦副的抗磨性能得到提高。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題在于提供一種基于微造型的臥式煤礦高壓大流量水液壓泵的缸套摩擦副，以提高微造型缸套摩擦副在水介質環境下的穩定潤滑和抗磨性能。本發明所要解決的技術問題采用以下技術方案來實現。

基于微造型的臥式煤礦高壓大流量水液壓泵的缸套摩擦副，包括固定件、耐磨環及與其配對的摩擦件，耐磨環安裝在固定件上且與摩擦件同軸布置，摩擦件表面設有周向分布的微造型陣列，該微造型陣列的微造型深度尺寸、微造型間距尺寸及微造型面積尺寸中至少有一個尺寸是沿耐磨環軸線方向規律變化的。

所述的微造型陣列的微造型結構可以為圓柱形、球冠形、正方體、長方體、凹臺形、錐臺形、圓錐形、球柱形或半橢球形中的一種或多種。

所述的微造型深度尺寸由摩擦件的一端至另一端逐漸增加，或逐漸減小，或先增加后減小，或先減小后增加。所述的微造型間距尺寸由摩擦件的一端至另一端逐漸增加，或逐漸減小，或先增加后減小，或先減小后增加。所述的微造型面積尺寸由摩擦件的一端至另一端逐漸增加，或逐漸減小，或先增加后減小，或先減小后增加。所述的微造型深度尺寸、微造型間距尺寸及微造型面積尺寸還可以組合變化。

所述的摩擦件為缸套時，柱塞為固定件，耐磨環安裝在柱塞外表面的凹槽內，耐磨環與缸套組成摩擦副；所述的摩擦件也可以為柱塞，此時缸套為固定件，耐磨環安裝在缸套內表面的凹槽內，耐磨環與柱塞組成摩擦副。

由于微造型深度尺寸、微造型間距尺寸、微造型面積尺寸、摩擦副相對運動速度及摩擦副兩端的壓力差對基于微造型的臥式煤礦高壓大流量水液壓泵的缸套摩擦副的動壓潤滑性能影響均較大。該缸套摩擦副處于高速高壓工況，柱塞與缸套間相對運動速度高，且相對運動的形式為按照正余弦曲線變化的往復周期運動；此外，隨著柱塞的往復運動，柱塞完成吸、排液過程，吸、排液過程中壓力由大變小，再由小變大。因此，為了補償運動速度及耐磨環兩端壓力差變化導致的動壓潤滑性能的變化，將微造型深度尺寸、微造型間距尺寸及微造型面積尺寸設計成可變形式，通過規律地改變摩擦件上與耐磨環有效接觸區域的微造型陣列的上述三個尺寸，以匹配柱塞運動過程中的速度及壓力變化，借助微造型深度尺寸、微造型間距尺寸及微造型面積尺寸間的協同作用，補償速度及壓力變化造成的潤滑及承載力波動，進而實現缸套摩擦副的穩定潤滑和承載。通過合理設置微造型深度尺寸、微造型間距尺寸及微造型面積尺寸，不僅改善了缸套摩擦副的潤滑性能，而且還能防止缸套摩擦副產生偏磨現象，從而提高臥式煤礦高壓大流量水液壓泵在復雜工況條件下的可靠性，延長摩擦副的使用壽命。

此外，煤礦井下磨屑及砂石子等微磨粒對水介質污染嚴重，借助柱塞的往復運動，摩擦件上微造型壁面與微磨粒、水介質的流固耦合作用及水介質的壓力波動可實現微造型凹坑對摩擦副間隙中微磨粒的容納、輸送及外排的自清理過程，從而進一步改善臥式煤礦高壓大流量水液壓泵的缸套摩擦副的磨粒磨損問題，使缸套摩擦副的抗磨性能得到提高。

本發明在臥式煤礦高壓大流量水液壓泵的缸套摩擦副表面開設變尺寸的微造型陣列結構，具有以下優勢：一是缸套摩擦副的微造型陣列結構，能產生較好的動壓潤滑效果，提高缸套摩擦副的潤滑性能，進而改善缸套摩擦副的抗磨性能；二是缸套摩擦副的微造型陣列結構的微凹坑能夠存儲潤滑介質，具有二次潤滑的功能；三是缸套摩擦副的微造型陣列結構的微凹坑形貌能夠存儲微磨粒，且在柱塞的運動及高壓介質的作用下，微凹坑形貌還具有輸送和外排微磨粒的功能，從而減輕或避免磨粒磨損；四是采用變尺寸設計，通過微造型深度尺寸、微造型間距尺寸及微造型面積尺寸間的協同作用，補償因柱塞速度及介質壓力變化造成的潤滑及承載力波動，從而實現缸套摩擦副的穩定潤滑和承載，進而防止缸套摩擦副的不穩定潤滑及承載力波動導致的耐磨環、缸套及柱塞間的偏磨現象，提高臥式煤礦高壓大流量水液壓泵在復雜工況條件下的可靠性。

附圖說明

圖1為本發明的總體結構示意圖；

圖2為本發明變微造型深度尺寸的微造型陣列剖面結構示意圖；

圖3為本發明摩擦件柱面展開的變微造型間距尺寸的微造型陣列示意圖；

圖4為本發明摩擦件柱面展開的變微造型面積尺寸的微造型陣列示意圖；

圖5為本發明摩擦件柱面展開的微造型深度尺寸、微造型間距尺寸及微造型面積尺寸組合變化的微造型陣列示意圖；

圖6為圖5中a-a位置在微造型深度尺寸按照不同規律變化下的剖面結構示意圖；

圖7為本發明微觀形貌對微磨粒的清理示意圖；

圖中：1.摩擦件；2.耐磨環；3.固定件；4.微造型陣列；5.水介質；6.微磨粒。

具體實施方式

為了使本發明所實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體實施例和圖示，進一步闡述本發明。

如圖1所示，基于微造型的臥式煤礦高壓大流量水液壓泵的缸套摩擦副，包括固定件3、耐磨環2及與其配對的摩擦件1，耐磨環2安裝在固定件3上且與摩擦件1同軸布置，摩擦件1表面設有周向分布的微造型陣列4，其特征在于：該微造型陣列4的微造型深度尺寸、微造型間距尺寸及微造型面積尺寸中至少有一個尺寸是沿耐磨環2軸線方向規律變化的。

所述的微造型陣列4的微造型結構可以為圓柱形、球冠形、正方體、長方體、凹臺形、錐臺形、圓錐形、球柱形或半橢球形中的一種或多種。

如圖2所示，所述的微造型深度尺寸由摩擦件1的一端至另一端逐漸增加，或逐漸減小，或先增加后減小，或先減小后增加。

如圖3所示，所述的微造型間距尺寸由摩擦件1的一端至另一端逐漸增加，或逐漸減小，或先增加后減小，或先減小后增加。

如圖4所示，所述的微造型面積尺寸由摩擦件1的一端至另一端逐漸增加，或逐漸減小，或先增加后減小，或先減小后增加。

如圖5和圖6所示，所述的微造型深度尺寸、微造型間距尺寸及微造型面積尺寸還可以組合變化。

所述的摩擦件1為缸套時，柱塞為固定件3，耐磨環2安裝在柱塞外表面的凹槽內，耐磨環2與缸套組成摩擦副；所述的摩擦件1也可以為柱塞，此時缸套為固定件3，耐磨環2安裝在缸套內表面的凹槽內，耐磨環2與柱塞組成摩擦副。

此外，如圖7所示，煤礦井下磨屑及砂石子等微磨粒對水介質污染嚴重，借助柱塞的往復運動，摩擦件1上微造型壁面與微磨粒、水介質的流固耦合作用及水介質的壓力波動可實現微造型凹坑對摩擦副間隙中微磨粒的容納、輸送及外排的自清理過程，從而進一步改善臥式煤礦高壓大流量水液壓泵的缸套摩擦副的磨粒磨損問題，使缸套摩擦副的抗磨性能得到提高。

由于微造型深度尺寸、微造型間距尺寸、微造型面積尺寸、摩擦副相對運動速度及摩擦副兩端的壓力差對基于微造型的臥式煤礦高壓大流量水液壓泵的缸套摩擦副的動壓潤滑性能影響均較大。該缸套摩擦副處于高速高壓工況，柱塞與缸套間相對運動速度高，且相對運動的形式為按照正余弦曲線變化的往復周期運動；此外，隨著柱塞的往復運動，柱塞完成吸、排液過程，吸、排液過程中壓力由大變小，再由小變大。因此，為了補償運動速度及耐磨環兩端壓力差變化導致的動壓潤滑性能的變化，將微造型深度尺寸、微造型間距尺寸及微造型面積尺寸設計成可變形式，通過規律地改變摩擦件1上與耐磨環2有效接觸區域的微造型陣列4的上述三個尺寸，以匹配柱塞運動過程中的速度及壓力變化，借助微造型深度尺寸、微造型間距尺寸及微造型面積尺寸間的協同作用，補償速度及壓力變化造成的潤滑及承載力波動，進而實現缸套摩擦副的穩定潤滑和承載。通過合理設置微造型深度尺寸、微造型間距尺寸及微造型面積尺寸，不僅改善了缸套摩擦副的潤滑性能，而且還能防止缸套摩擦副產生偏磨現象，從而提高臥式煤礦高壓大流量水液壓泵在復雜工況條件下的可靠性，延長摩擦副的使用壽命。

以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征和優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的基本原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明中的微造型深度尺寸、微造型間距尺寸及微造型面積尺寸的組合變化還可以產生其它形式的微造型陣列，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。