1．目的及意义

煤炭是我国的主要能源。据预测，到2050年，煤炭所占能源消费比例仍然不会低于50%^[1]。面对煤炭能源技术革命的需求，实现智能化开采是国际煤炭开采领域的发展方向，也是我国煤矿实现安全、高效、绿色目标和煤炭生产转型升级的必由之路^[2]。我国煤炭产量的70%是由综采装备生产，每个工作面由100-200台液压支架组成庞大的支护设备群，提供安全生产空间。液压支架的智能化是煤炭开采智能化的重要组成部分。近十年来，国内外都开展了“自动化工作面”和“无人工作面”的研究工作，并取得了一定的技术进展，但液压支架的核心控制元件与动力元件仍然难以满足智能化控制的需求。

液压支架的动力源是液压泵站。目前，世界各主要采煤国使用的液压泵均为阀配流的卧式柱塞泵。我国的此类泵是上世纪70年代从英国引进后国产化，到目前为止，除了压力、流量增大外，原理与结构基本没有变化，高端综采工作面（如山西焦煤晋兴公司、神华神东公司）仍主要依赖进口，采用英国雷波（REPOWER）公司或德国卡玛特（KAMAT）公司的泵站。此类泵的主要问题是结构松散笨重、配流阀及密封使用寿命短、脉动及噪声大^[3-4]。近年来，从供液质量及节能角度考虑，采用变频控制泵 定量泵的组合形式进行调节，但由于现有泵转速低、转动惯量大、响应慢，变频调速效果达不到预期目的，设备的节能运行和智能化水平亟待提高^[5-6]。

在液压系统中，乳化液泵为液压支架提供正常运动所需的液压能（流量及压力），而控制阀作为控制元件，对液压泵所产生的总液压能依据执行机构的需求进行分配。下面结合井下煤矿液压系统高压大流量及工况多变的特点，从液压泵分析国内外相关技术的研究现状及发展趋势。

乳化液粘度低（仅为常用矿物型液压油的1/30-1/50），润滑性差。减小乳化液介质润滑摩擦副的数量，提高驱动部件的承载能力，其中最常见的是卧式往复柱塞泵，采用阀配流，有三柱塞和五柱塞两种形式^[7-10]。德国KAMAT公司、Hauhinco GmbH公司和英国REPOWER公司等均以生产此种形式的泵而著称。为德国KAMAT公司生产的高水基往复柱塞泵，流量有300L/min、400L/min等规格，压力可达到31.5MPa，容积效率87%。我国此类泵是上世纪70年代从英国引进后进行国产化，目前的生产企业有浙江中煤、天地玛珂、无锡威顺等。另一种油水分离的液压泵以瑞士HYDROWATT公司开发的径向柱塞泵为代表。该泵有5柱塞和7柱塞两种形式，采用阀配流，并且可以多个泵串联起来。最高压力可达35MPa。油水分离高水基液压泵一般采用阀配流，压力高，但存在以下两个突出问题：①驱动腔润滑油液发热严重，加速了摩擦副磨损，大功率时需增设单独的润滑油冷却系统。润滑腔定期加油导致维护麻烦，无油或少油会导致发热失效，润滑腔油液的泄漏导致环境污染；②卧式泵设置减速机构，泵的转速低，结构笨重，旋转部件转动惯量大，变频工况下，响应速度慢，在相同流量下，泵的排量大，导致变频控制分辨率低，不能满足液压系统压力流量快速变化的需求。

随着先进材料及工艺相关成果在液压泵中的应用，出现了一类（或直接用水）液压泵，其显著特点是润滑介质与工作介质相同，输入轴与电机直联。如图所示为美国Hartmann公司研制的PVX系列端面配流轴向柱塞泵，该泵可使用各种石油基、水乙二醇，航空煤油及磷酸酯等作为介质，输出流量为32L/min-378L/min，最高压力可到30MPa。丹麦Danfoss公司研制的Nessie PAH系列水液压轴向柱塞泵也采用端面配流，最高工作压力可达16MPa。华中科技大学也在此方面开展了大量的工作，已研制出压力16MPa、流量220L/min的中高压海水泵以及压力120MPa，流量3L/min的超高压海水泵，均采用全海水润滑结构^[11-13]。

高水基润滑液压泵由于其结构紧凑、功率密度高，是近年来低粘度高压容积式泵的研究热点。由于其转动惯量小、变频响应速度快；转速高，相同输出流量下，泵排量降低，变频控制分辨率高，为提高系统控制精度和响应速度创造了有利的条件。水基润滑液压泵由于所有的摩擦副均由润滑性差的高水基介质润滑，摩擦磨损问题异常突出。国内外均开展了相关研究。如2006年葡萄牙阿韦罗大学Davim研究了pv值、温度和滑动距离对干摩擦条件下30%碳纤维增强PEEK的摩擦学特性^[14]。意大利科学院海洋科学研究所T.Pierluigi对金属及合金在海水环境下的相关研究进行了总结^[15]。国内，浙江大学、北京工业大学、南京航空航天大学、燕山大学等学者研究了高分子材料、金属、陶瓷等材料配对副在淡水和海水润滑条件下的摩擦学特性^[16-17]；兰州化学物理研究所薛群基团队研究了海深环境对不同材料摩擦学特性的影响^[18]。吴德发教授等人研究了WC-Co-Cr涂层/Si3N4配对副在常压悬沙水润滑下的摩擦磨损特性^[19]。从润滑理论方面，日本Kazama等人初步建立了水润滑轴向柱塞泵中斜盘/滑靴副的混合润滑模型^[20]。

由于乳化液介质的汽化压力低，乳化液泵的另一个突出问题是气蚀^[21-22]。对于阀配流的泵，吸入阀腔易出现负压，气蚀尤其严重。关于配流阀的气蚀问题，目前的研究主要集中在结构的优化以及材料抗气蚀性能的提高^[23-24]。但阀配流的结构原理导致其气蚀难以消除，配流阀的过流压力损失是诱导气蚀的关键因素^[25-26]。如何从原理上减小吸入通道的压力损失是减少气蚀的重要途径。

上述研究为液压泵的完善提供了良好的基础，但目前能满足煤矿井下液压支架高压大流量要求的液压泵在国内外尚属空白。基于液压支架电液系统智能化的需求以及国内外相关技术最新发展趋势,构建超高压大流量液压泵及其吸排液阀模型，根据负载特性，结合实际经验，综合分析传动和液力部分的深层耦合关系，对模型进行动态性能分析、结构及动载支撑强度分析计算及参数优化，建立1200L/min，40MPa液压泵理论设计模型是我本次毕业设计的目的。