传统单体液压支柱及其三用阀以乳化液为工作介质,严重污染地下水资源,且乳化液易变质,影响工人工作环境和身心健康。此外,配置乳化液还需消耗大量化学合成剂及劳动力,使用成本高。随着人们对环境保护及生产安全的日益重视,各国都制定相关法律法规,鼓励煤矿支护装备向安全、环保的方向发展。水具有安全环保、价格低廉、来源广泛等优点,水液压技术在煤矿领域的普及应用是煤矿支护装备发展的重要方向之一。同时三用阀是单体液压支柱水压化的核心部件,其润滑、磨损、气蚀等关键问题,也是其它煤矿液压设备水压化面临的共性问题。论文以单体支柱的核心元件水压三用阀为研究载体,设计了一种基于微造型阀芯及异形阀腔的水压三用阀新结构,使用水替代乳化液为工作介质。重点研究了改善水压三用阀的润滑、磨损及气蚀等关键问题的方法和途径。研究成果可为水压三用阀的实用化奠定理论和试验基础。论文的主要研究工作及结论如下:1.提出了微造型阀芯新结构,以改善水压三用阀阀芯的润滑及磨损特性。建立了复杂工况下微造型阀芯导向段和密封段的动压润滑模型,研究了阀芯微造型区域恒定条件及阀芯密封区域不确定条件下的微造型阀芯动压润滑和减磨机理。结果表明:(1)合适的微造型阀芯能产生良好的动压润滑效果,微造型区域的阀芯表面压力大于阀套表面的压力,壁面间压力分布不均匀。(2)阀芯微造型的径宽比B应取较小值,而深厚比D在低雷诺数或B＞0.2的情况下应取较小值,在径宽比B=0.2及高雷诺数的情况下应取较大值,最佳值在D=1.4附近,且雷诺数越高,则惯性承载和空化承载效应越强。(3)除三角形外,各形貌均能够产生动压效果,且球冠形具有较小的剪切摩擦力和泄漏量。直线楔形可增大核心区压力,夹角形将导致核心区收缩,直角楔过渡有助于增大核心区的最大正压和最大负压,且在相同面积率下增大正负压影响区面积比有助增加动压承载力。(4)阀芯密封区域不确定条件下的润滑机理研究表明,叠合量大于2.5mm时随叠合量减小,阀芯表面的总承载力增加,剪切摩擦力基本不变,阀芯表面综合摩擦作用减弱。2.开展了水介质环境及干摩擦工况下微造型摩擦副的摩擦和磨损试验,验证了理论分析的可靠性。结果表明:摩擦系数随载荷减小呈增大趋势,且微造型有助于摩擦副在较低转速下进入流体润滑区,扩大了流体润滑范围。进一步研究表明合理的微造型结构才具有减磨效果,摩擦系数随微造型直径及面积率的增大先减后增,随微造型深度的增大渐增大,最佳的微造型直径、深度及面积率分别为300μm、40μm和10%,且摩擦系数与磨损质量正相关。干磨时光滑下试环产生严重黏着和磨粒磨损,而微造型试片仅发生磨粒磨损,且磨损状况明显好转。从磨痕来看,微造型试片的磨痕相对于光滑试片尺寸小,深度浅,分布区域性强,微坑间圆周方向上磨痕少,进一步证明微造型具有减磨的重要功能。3.提出了通过异形阀腔改善气蚀破坏的新方法。建立了异形阀腔CFD模型,优化了阀腔结构,研究了气蚀转移及削减的方法。结果表明:二级节流的抗气蚀能力强,气穴主要出现于阀口及节流口2下游阀腔涡旋的中心。涡旋回流有助于填补流体与阀套壁面分离产生的负压空间,并挤压阀口来流,抑制来流与壁面分离,迫使来流附壁流动,抑制阀芯壁面气穴发生。此外,高压引流结构的引入能进一步减缓阀口气蚀,且引流槽的抗气蚀性能优于引流孔结构。最终,针对阀口夹角分别取15°、30°和45°三种情况,优化得到三组最佳的阀腔结构和参数。4.提出了基于微造型阀芯及异形阀腔的水压三用阀新结构。研究了冲击载荷作用下的系统动态特性,对影响三用阀性能的主要参数进行了单因素和多因素分析,确定了三用阀组件的结构尺寸与支护系统性能参数间的响应关系,并优化了最佳的因素与水平组合。结果表明:阀腔闭死容积(E因子)对支柱的压力和位移特性无影响,而减小阻尼孔直径(A因子)、阀口闭合量(B因子)、阀芯等效阻尼(D因子)及增大阻尼腔闭死容积(C因子)均能改善支柱的压力和位移特性。出现下沉位移较大值和峰值压力较小值的因子和水平基本一致。因子显著性由强至若依次为C、A、D和B因子,且一般在A、D因子低水平,C因子高水平时系统动态性能好,优化得到最优组合为A1B1C3D1(E)。5.针对阀芯表面的微造型加工,搭建了微造型微钻电解复合加工平台,并研究了微造型微钻电解复合加工工艺。结果表明:采用钝化性电解液,增加阴极转速及降低进给速度有助于提高加工精度,提高电解液浓度及电解电压有助于提高加工效率,但不利于降低杂散腐蚀。加工产生的气泡形态及电流稳定性与电解精度和效率具有关联性,电流稳定,气泡数目多、体积小、分布均匀,则加工质量好,电解效率高。最终通过对比,选取NaNO3电解液为电解质,并取机加工转速nj=40000r/min,机加工进给速度0=1Oμm/s,电解液浓度Ca=4%,电解电压Ud=5V,电解进给速度Vf=5μm/s,阴极旋转速度nd=6000r/min。