基于微造型阀芯和异形阀腔的煤矿水压三用阀

摘要

基于微造型阀芯和异形阀腔的煤矿水压三用阀，涉及煤矿水液压技术领域。包括左阀筒、右阀筒、单向阀、卸载阀、安全阀和连接螺杆，其中安全阀包括阀芯、阀套、端盖、弹簧座、安全阀弹簧、调压螺母、阀垫Ⅱ和阻尼。阀套安装在右阀筒内部，阀套与连接螺杆间通过螺纹连接，阀芯安装在阀套内部，且阀芯表面设有微造型结构。阀芯和阀套配合构成异形阀腔结构，异形阀腔包括节流口Ⅰ、节流口Ⅱ、节流口Ⅲ、滑阀腔、前腔、中腔、引流腔和后腔。节流口Ⅰ为滑阀节流口，节流口Ⅱ处阀芯壁面由一段圆弧和一段长直线组成，节流口Ⅱ处阀套壁面由一段短直线和一段斜线组成，节流口Ⅲ处设有引流结构。本发明能改善水压三用阀安全阀的气蚀、润滑和磨损等问题。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿水液压技术领域，具体地说是一种基于微造型阀芯和异形阀腔的煤矿水压三用阀。

背景技术

传统的单体液压支柱及其三用阀均使用乳化液为工作介质，每年配置乳化液需消耗乳化油近万吨，且全部的乳化液都被排入采空区，最终流入江河湖和地下水体中，对水体造成严重污染。此外，乳化液易变质，从而滋生细菌和霉菌，影响煤矿工人的工作环境和身体健康，配置乳化液的设备还需定期清洗检查，且耗费大量化学合成剂，使用成本高，工人劳动强度大。与乳化液介质相比，水介质具有安全环保、价格低廉、存储方便、使用成本低和适应性强等诸多优点。而煤矿井下水资源丰富，部分低洼处积水还需专门抽排处理，使用经处理的井下废水替代乳化液作为工作介质，对矿区废水再利用，降低煤矿支护成本，保护矿区环境，推进煤矿节能减排，改善工人工作环境等具有重要意义，符合国家节能减排可持续发展的战略需求。

然而水介质的粘度低、润滑性差、导电性强，容易造成阀类零件的腐蚀、磨损等问题。此外，水的气化压力比油类气化压力高，水液压元件的节流口处易形成局部真空而产生大量气穴，气穴进入高压区受压而溃灭，会产生局部冲击和瞬时高温，从而导致元件性能降低，产生振动、噪声以及拉丝侵蚀、冲蚀、冲击等，缩短元件使用寿命。要减小或消除上述现象，除了从材料的选择及材料的处理工艺上进行考虑之外，还应重点从水压元件及系统的结构设计着手，提出适用于水压元件的创新结构。

三用阀是单体液压支柱的核心部件，单体液压支柱通过三用阀控制液压支柱的升柱初撑、承载溢流和卸载回柱过程。三用阀由单向阀、安全阀和卸载阀三种阀组合而成，其中单向阀和卸载阀分别仅在注液升柱和卸载回柱时开启，而安全阀控制支柱承载溢流过程，其开启频繁，使用和动作频率远远高于单向阀和卸载阀。因此，三用阀中安全阀是决定其性能的核心部件，针对三用阀的结构设计应重点考虑安全阀的结构创新。

水压三用阀是使用纯水为工作介质的三用阀。由于水介质的理化性质决定了，水压三用阀中安全阀的阀芯摩擦副存在较严重的摩擦磨损问题，而阀口存在较严重的气蚀破坏问题。因此，安全阀的摩擦磨损问题和气蚀破坏问题必须得到有效抑制和改善。

微造型技术是在摩擦副表面加工出规律分布的微观形貌，以产生动压润滑效果。目前微造型技术在机械密封、发动机活塞环、推力轴承、刀具抗磨等领域已有成功应用。在阀芯开设规律分布的微造型可改善阀芯摩擦副的摩擦磨损及润滑性能。微造型微坑还可存储微量润滑液，在干摩擦及贫油润滑时，产生二次润滑的效果。此外，微造型还具有储存微小固体磨粒的能力，从而减少阀芯、阀套及微磨粒间产生的三体磨损问题。

异形阀腔是将阀芯和阀套的轮廓设计成异形曲线结构，通过结构改变阀腔流场的流速、流线、压力分布等参数，进而改变阀腔气穴产生的位置、强弱和范围，从而减缓或转移阀腔重要阀口及密封带的气蚀破坏。

为了解决单体液压支柱水压三用阀的润滑、磨损和冲击等问题，本发明的第一发明人及第二发明人等提出的中国专利号201410131184.5的专利公开了一种单体液压支柱大流量水压三用阀。该水压三用阀安全阀的阀芯采用普通滑阀结构，且在阀芯表面设置了微造型结构，改善了安全阀阀芯的润滑和磨损问题。但通过进一步研究发现，普通阀芯和阀套仅有一级节流口，而目前煤矿井下支护装备的压力一般均大于30MPa，受到冲击载荷时，瞬间压力更高，由节流指数计算公式可知，瞬间高压将会在阀口造成严重的气蚀破坏。因此，必须改变阀芯和阀套结构，以减缓阀口气蚀。此外，由于受到普通阀芯结构尺寸的限制，设置在普通阀芯上的微造型数目较少，而微造型的动压承载能力是通过微造型的群体效应产生的，单个微造型的动压润滑效应很小。因此，普通滑阀阀芯受到的微造型的动压润滑和承载作用效果有限。而采用异形阀腔结构后，阀芯的直径得到增大，阀芯摩擦副的面积增大，从而可设置更多的微造型，使得微造型动压润滑承载的群体效应更加突出，进一步改善了阀芯的润滑和磨损问题。

本发明涉及的基于微造型阀芯和异形阀腔的煤矿水压三用阀，采用异形阀腔结构，通过异形阀腔结构削弱和转移气蚀，从而改善阀口的气蚀破坏；并省略了安全阀的阀座结构，适当增大了阀芯结构尺寸，增大了阀芯摩擦副表面的微造型可加工区域，从而进一步提高了水压三用阀安全阀的润滑和抗磨损性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于微造型阀芯和异形阀腔的煤矿水压三用阀，在改善水压三用阀安全阀的气蚀破坏问题的同时，进一步提高阀芯微造型的润滑和承载性能以及阀口的最大流量。本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现。

基于微造型阀芯和异形阀腔的煤矿水压三用阀，包括左阀筒、右阀筒、单向阀、卸载阀、安全阀和连接螺杆。左阀筒和右阀筒间通过螺纹连接，单向阀、卸载阀和安全阀依次安装在左阀筒和右阀筒的内部，单向阀和安全阀之间通过连接螺杆连接，卸载阀安装在单向阀和安全阀之间；所述安全阀包括阀芯、阀套、端盖、弹簧座、安全阀弹簧、调压螺母、阀垫Ⅱ和阻尼，所述阀套通过圆柱副安装在右阀筒内部，阀套与连接螺杆间通过螺纹连接，阀芯通过圆柱副安装在阀套内部，调压螺母通过螺纹安装在阀套端部，弹簧座与阀芯间通过球副连接，安全阀弹簧的两端分别紧压在弹簧座和调压螺母上，阀垫Ⅱ安装在阀套上，并与端盖紧密接触，阻尼安装在阀芯内部。

所述的阀芯由滑阀段、阀口Ⅰ段、阀口Ⅱ段、导向段、阻尼段及顶杆段组成。其中滑阀段、导向段及顶杆段的外表面均设有微造型；滑阀段、阀口Ⅰ段、阀口Ⅱ段及导向段的最大外径相同。滑阀段的腔壁设有出液孔，阀芯内部中心设有连通阀腔和阻尼腔的阀芯孔。滑阀段、阀口Ⅰ段、阀口Ⅱ段、导向段及顶杆段均与阀套内壁构成圆柱副，保证了阀芯具有良好的导向性，且运动平稳。将滑阀段的流道开设在阀芯内部，保证了滑阀段在阀芯移动过程中始终具有导向作用，进一步增加了阀芯在阀套内部的导向精度。滑阀段、阀口Ⅰ段、阀口Ⅱ段及导向段与阀套内表面配合的圆柱副的直径相同，不仅保证了阀芯的可装配性，还避免了因阀芯移动而产生的前腔、中腔及后腔的腔体容积变化，进而防止阀腔产生“困油”现象。

微造型不仅具有动压润滑的功能，还具备存储微磨粒和微量润滑液体的功能。煤矿井下环境恶劣，煤粒及砂石等微小颗粒对液压介质污染严重，微小颗粒随液压介质进入阀芯摩擦副进一步加重了阀口磨损。因此，可以借助微造型储存进入阀口的微小颗粒，从而提高阀芯摩擦副的抗污染、抗磨损性能；同时微造型还能存储液体介质，在干摩擦或贫油润滑时，微造型存储的微量液体介质具有二次供液润滑的功能，从而减轻阀芯摩擦副的摩擦和磨损破坏。

与传统三用阀相比，所设计基于微造型阀芯和异形阀腔的煤矿水压三用阀省略了安全阀的阀座结构，在保证与传统三用阀具有良好互换性的前提下，所设计的水压三用阀安全阀的阀芯的直径更大，阀芯表面的微造型可加工区域面积更大，可设置的微造型数目更多，微造型动压润滑和承载能力的群体效应更加明显。

阀芯和阀套配合构成异形阀腔结构，异形阀腔包括节流口Ⅰ、节流口Ⅱ、节流口Ⅲ、滑阀腔、前腔、中腔、引流腔及后腔。节流口Ⅰ为滑阀节流口，节流口Ⅱ处阀芯壁面由一段圆弧和一段长直线组成，节流口Ⅱ处阀套壁面由一段短直线和一段斜线组成。所设计的异形阀腔既能保证阀腔压力大于初撑压力而小于额定压力时，阀口处于密封状态；而当阀腔压力大于额定压力时，阀口又可立即开启，通过二级节流口快速泄压。长直线和短直线配合使得节流口闭合，圆弧和斜线配合使得节流口开启。此外圆弧和斜线分别有助于优化阀芯壁面和阀套壁面附近流场，抑制阀芯和阀套壁面附近流体流线与壁面分离，迫使流体附壁流动，从而简小和转移节流口气穴，进一步减缓气蚀破坏，保护重要的过流阀口及其密封带。节流口Ⅱ阀口夹角和节流口Ⅲ阀口夹角取45°时，节流口Ⅲ处的气穴面积和强度均较小。

所述的节流口Ⅲ与节流口Ⅱ的结构相同，节流口Ⅲ的闭合量与节流口Ⅱ的闭合量相等，且节流口Ⅲ和节流口Ⅱ的闭合量均大于节流口Ⅰ的闭合量。由于闭合量的不同，致使阀口开启分为两个阶段。在单体液压支柱腔为初撑压力时，阀芯前端压力较低，节流口Ⅰ的出液孔被阀套遮蔽，此时节流口Ⅱ和节流口Ⅲ也处于密封状态。随支柱腔的压力增大，出液孔开启，滑阀腔通过出液孔与节流口Ⅱ上游的前腔连通，但此时节流口Ⅱ和节流口Ⅲ仍然处于密封状态。当支柱受到的载荷继续增大时，支柱腔的压力随之增大而超过水压三用阀额定工作压力，阀芯进一步移动，促使节流口Ⅱ和节流口Ⅲ同时开启，前腔与节流口Ⅱ、中腔、节流口Ⅲ、引流腔及后腔间的流道被连通。整个异形阀腔的流道具有三个节流口，增加了阀闭合时的密封性能。异形阀腔导通时，支柱腔的高压液体依次通过节流口Ⅱ和节流口Ⅲ压力得到释放，在节流口Ⅱ和节流口Ⅲ的二级节流作用下，液体外排。压力由两个节流口共同承担，单个节流口承担的压力得到降低。因此，阀口的气蚀破坏得到削弱。

所述的节流口Ⅲ处设有引流结构，引流结构为引流孔或引流槽。引流结构可将高压区的液体引入低压核心区，影响局部主流束，抑制低压核心区压力下降，从而减缓局部气蚀破坏，即通过压力补偿抑制阀口低压区气穴大小和范围，从而减缓气蚀破坏。由于节流口Ⅲ下游的后腔与水压三用阀外界连通，而节流口Ⅲ上游的中腔的压力较高，导致节流口Ⅲ处容易产生气穴；而节流口Ⅱ上游的前腔的压力高，节流口Ⅱ下游的中腔的压力也较高，致使节流口Ⅱ处产生气穴可能性相对于节流口Ⅲ处小；且在节流口Ⅲ与节流口Ⅱ结构完全相同的情况下，气穴先出现于节流口Ⅲ处，情况进一步恶化时，才会在节流口Ⅱ处产生。因此，引流结构应设置于节流口Ⅲ处。

所述的后腔的径向尺寸与轴向尺寸相等，后腔的来流一侧设有出液口。径向尺寸与轴向尺寸大小相等构成正方形结构，有助阀腔涡流回旋，产生的气穴形状规整，且气穴面积较小，气穴强度较低，从而减缓气蚀破坏。出液口设置在后腔的来流一侧，有助于引导流体流动方向及涡旋回流，从而减轻阀口射流引射产生的气穴，且设置在来流一侧还有助于形成涡旋，涡旋回流将挤压来流，从而削弱气穴，进一步减缓气蚀破坏。

由于采用微造型阀芯和异形阀腔结构后，阀芯的径向尺寸增大，导致安全阀弹簧的轴向尺寸增大，给安全阀弹簧的设计和安装带来困难。为进一步解决上述问题，所述的弹簧座由底座、拉杆和外螺纹组成，拉杆设置在底座中心，外螺纹设置在拉杆末端。所述的调压螺母上设有内螺纹、沉孔、光滑孔及底盘。旋转调压螺母，通过内螺纹将调压螺母拧在拉杆末端外螺纹上，通过螺纹的不断旋进，缓慢压缩安全阀弹簧，当弹簧压缩一定距离后，内螺纹和外螺纹脱离旋合，而底盘上螺纹与阀套内壁上的螺纹进入旋合，继续旋转调压螺母，调压螺母进一步压缩安全阀弹簧，从而调节安全阀弹簧的预压力，即调定安全阀弹簧的额定压力值。由于安全阀弹簧的刚度较大，通过内螺纹与外螺纹的旋合，对安全阀弹簧进行初步压缩，方便了安全阀弹簧的安装，且大大缩短了阀套的长度，节省了空间，使得水压三用阀的结构更加紧凑。此外，当底盘上螺纹与阀套内壁上的螺纹进入旋合后，内螺纹和外螺纹又脱离旋合，弹簧座与调压螺母的运动不再相互干涉，保证了安全阀工作时，其阀芯可推动弹簧座压缩安全阀弹簧。

所述的安全阀设有阻尼腔，阻尼腔为由阀芯、阀套和端盖轮廓围成的空间。来自单体液压支柱柱腔的高压液体通过阻尼及阀芯孔进入阻尼腔，并作用于阻尼腔的阀芯的端面，并抵消部分阀芯前端面高压液体产生的压力。从而使得阀芯受到的轴向压力减小，使安全阀弹簧承受的压力减小，且安全阀弹簧所必需的刚度和径向尺寸均减小，从而降低安全阀弹簧的设计难度。此外，高压液体通过阻尼，还有助于阀芯运动的稳定。

为了加强水压三用阀的密封性能，重要密封位置均设置了密封元件。水压三用阀与单体液压支柱间通过密封圈Ⅴ密封，单向阀通过单向阀阀座与钢球形成密封，卸载阀通过阀垫Ⅰ与左阀筒内部的挡环Ⅱ形成密封。阀套与右阀筒间通过密封圈Ⅲ密封，阀芯滑阀段与阀套间通过密封圈Ⅳ密封，阀芯导向段与阀套间通过密封圈Ⅱ密封，端盖与阀套间通过阀垫Ⅱ密封，阀芯顶杆段与端盖间通过密封圈Ⅰ密封。

本发明的有益效果是，设计了一种异形阀腔结构，改善了阀腔流场，削弱并转移了重要阀口和密封带的气穴，从而保护重要的过流阀口，提高了阀芯的使用性能和使用寿命。由于设计的异形阀腔需要的阀芯直径较大，省略了安全阀的阀座结构，还使得异形阀腔节流口的过流面积也相对较大。由阀口压力流量方程可知，在同等压力和流量情况下，节流口流速更低。因此，阀口的最大许可流速增大，水压三用阀的最大瞬间流量增大，支护系统的支护性能进一步提高。此外，异形阀腔结构增大了阀芯直径，使得安全阀阀芯的密封段和导向段摩擦副表面的微造型可加工区域增大，从而进一步提高了水压三用阀安全阀的润滑和抗磨损性能。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的安全阀结构示意图；

图3为本发明的安全阀异形阀腔局部结构示意图；

图4为本发明的安全阀异形阀腔流体域局部结构示意图；

图5为引流结构采用引流孔时的安全阀的阀芯结构示意图；

图6为引流结构采用引流槽时的安全阀的阀芯结构示意图；

图7为无高压引流结构的节流口Ⅲ处流场的流线图；

图8为无高压引流结构的不同阀口夹角下节流口Ⅲ处的气穴分布云图；

图9为无高压引流结构的节流口Ⅲ与节流口Ⅱ的压力分布云图；

图10为无高压引流结构的节流口Ⅲ与节流口Ⅱ的气穴分布云图；

图11为节流口Ⅲ处无高压引流结构的三维气穴分布图；

图12为节流口Ⅲ处有高压引流结构的三维气穴分布云图；

图13为无高压引流结构的不同径向尺寸与轴向尺寸下节流口Ⅲ及后腔的气穴分布云图；

图14为无高压引流结构的出液口在不同位置时节流口Ⅲ及后腔的气穴分布云图；

图中：1.左阀筒；2.右阀筒；3.单向阀；4.卸载阀；5.安全阀；6.连接螺杆；31.注液阀体；32.限位套；33.单向阀阀座；34.钢球；35.单向阀弹簧；36.压紧螺套；41.卸载弹簧；42.阀垫Ⅰ；51.阀芯；52.阀套；53.端盖；54.弹簧座；55.安全阀弹簧；56.调压螺母；57.阀垫Ⅱ；58.阻尼；511.滑阀段；512.阀口Ⅰ段；513.阀口Ⅱ段；514.导向段；515.阻尼段；516.顶杆段；517.微造型；541.底座；542.拉杆；543.外螺纹；561.内螺纹；562.沉孔；563.光滑孔；564.底盘；91.密封圈Ⅰ；92.密封圈Ⅱ；93.密封圈Ⅲ；94.密封圈Ⅳ；95.密封圈Ⅴ；A.节流口Ⅰ；B.节流口Ⅱ；C.节流口Ⅲ；a.注液孔；b.螺杆进孔Ⅰ；c.螺杆出孔Ⅰ；d.阀腔Ⅰ；e.出口Ⅰ；f.螺杆进孔Ⅱ；g.螺杆出孔Ⅱ；h.出液孔；Q.滑阀腔；i.前腔；j.中腔；k.引流结构；K.引流腔；L.后腔；m.外腔；n.间隙；p.挡环Ⅰ；q.出液口；r.阀芯孔；s.阻尼腔；t.挡环Ⅱ；u.圆弧；v.长直线；w.短直线；x.斜线；y.径向尺寸；z.轴向尺寸；θ.节流口Ⅱ阀口夹角；β.节流口Ⅲ阀口夹角。

具体实施方式

为了使本发明所实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。

如图1至图3所示，基于微造型阀芯和异形阀腔的煤矿水压三用阀，包括左阀筒1、右阀筒2、单向阀3、卸载阀4、安全阀5和连接螺杆6。左阀筒1和右阀筒2间通过螺纹连接，单向阀3、卸载阀4和安全阀5依次安装在左阀筒1和右阀筒2的内部，单向阀3和安全阀5之间通过连接螺杆6连接，卸载阀4安装在单向阀3和安全阀5之间；所述安全阀5包括阀芯51、阀套52、端盖53、弹簧座54、安全阀弹簧55、调压螺母56、阀垫Ⅱ57和阻尼58，所述阀套52通过圆柱副安装在右阀筒2内部，阀套52与连接螺杆6间通过螺纹连接，阀芯51通过圆柱副安装在阀套52内部，调压螺母56通过螺纹安装在阀套52端部，弹簧座54与阀芯51间通过球副连接，安全阀弹簧55的两端分别紧压在弹簧座54和调压螺母56上，阀垫Ⅱ57安装在阀套52上，并与端盖53紧密接触，阻尼58安装在阀芯51内部。

如图2、图5和图6所示，所述的阀芯51由滑阀段511、阀口Ⅰ段512、阀口Ⅱ段513、导向段514、阻尼段515及顶杆段516组成。其中滑阀段511、导向段514及顶杆段516的外表面均设有微造型517；滑阀段511、阀口Ⅰ段512、阀口Ⅱ段513及导向段514的最大外径相同。滑阀段511的腔壁设有出液孔h，阀芯51内部中心设有连通阀腔和阻尼腔的阀芯孔r。滑阀段511、阀口Ⅰ段512、阀口Ⅱ段513、导向段514及顶杆段516均与阀套内壁构成圆柱副，保证了阀芯51具有良好的导向性，且运动平稳。将滑阀段511的流道开设在阀芯51内部，保证了滑阀段511在阀芯51移动过程中始终具有导向作用，进一步增加了阀芯51在阀套52内部的导向精度。滑阀段511、阀口Ⅰ段512、阀口Ⅱ段513及导向段514与阀套52内表面配合的圆柱副的直径相同，不仅保证了阀芯的可装配性，还避免了因阀芯51移动而产生的前腔i、中腔j及后腔L的腔体容积变化，进而防止阀腔产生“困油”现象。微造型不仅具有动压润滑的功能，还具备存储微磨粒和微量润滑液体的功能。煤矿井下环境恶劣，煤粒及砂石等微小颗粒对液压介质污染严重，微小颗粒随液压介质进入阀芯摩擦副进一步加重了阀口磨损。因此，可以借助微造型储存进入阀口的微小颗粒，从而提高阀芯摩擦副的抗污染、抗磨损性能；同时微造型还能存储液体介质，在干摩擦或贫油润滑时，微造型存储的微量液体介质具有二次供液润滑的功能，从而减轻阀芯摩擦副的摩擦和磨损破坏。

与传统三用阀相比，所设计基于微造型阀芯和异形阀腔的煤矿水压三用阀省略了安全阀5的阀座结构，在保证与传统三用阀具有良好互换性的前提下，所设计的水压三用阀安全阀的阀芯51的直径更大，阀芯51表面的微造型可加工区域面积更大，可设置的微造型数目更多，微造型动压润滑和承载能力的群体效应更加明显。

如图3和图4所示，阀芯51和阀套52配合构成异形阀腔结构，异形阀腔包括节流口ⅠA、节流口ⅡB、节流口ⅢC、滑阀腔Q、前腔i、中腔j、引流腔K及后腔L。节流口ⅠA为滑阀节流口，节流口ⅡB处阀芯壁面由一段圆弧u和一段长直线v组成，节流口ⅡB处阀套壁面由一段短直线w和一段斜线x组成。所设计的异形阀腔既能保证阀腔压力大于初撑压力而小于额定压力时，阀口处于密封状态；而当阀腔压力大于额定压力时，阀口又可立即开启，通过二级节流口快速泄压。长直线v和短直线w配合使得节流口闭合，圆弧u和斜线x配合使得节流口开启。

图7直观地显示了节流口形状对流体流线的影响，图8从左至右，从上至下为同等条件下，节流口Ⅱ阀口夹角θ和节流口Ⅲ阀口夹角β取值相等，且分别取15°、22.5°、30°、37.5°、和45°时，节流口ⅢC处的气穴分布云图。图7和图8均由计算流体力学CFD软件仿真计算得到，计算条件为入口压力10MPa，出口压力0.1MPa，水介质空化压力2340Pa。图8中数字为气相与液相的体积比。由图7和图8可知，圆弧u和斜线x分别有助于优化阀芯壁面和阀套壁面附近流场，抑制阀芯和阀套壁面附近流体流线与壁面分离，迫使流体附壁流动，从而简小和转移节流口气穴，进一步减缓气蚀破坏，保护重要的过流阀口及其密封带。且节流口Ⅱ阀口夹角θ和节流口Ⅲ阀口夹角β均取45°时，节流口ⅢC处的气穴面积和强度均较小。

由图2至图4所示，所述的节流口ⅢC与节流口ⅡB的结构相同，节流口ⅢC的闭合量与节流口ⅡB的闭合量相等，且节流口ⅢC和节流口ⅡB的闭合量均大于节流口ⅠA的闭合量。由于闭合量的不同，致使阀口开启分为两个阶段。在单体液压支柱腔为初撑压力时，阀芯51前端压力较低，节流口ⅠA的出液孔h被阀套52遮蔽，此时节流口ⅡB和节流口ⅢC也处于密封状态。随支柱腔的压力增大，出液孔h开启，滑阀腔Q通过出液孔h与节流口ⅡB上游的前腔i连通，但此时节流口ⅡB和节流口ⅢC仍然处于密封状态。当支柱受到的载荷继续增大时，支柱腔的压力随之增大而超过水压三用阀额定工作压力，阀芯进一步移动，促使节流口ⅡB和节流口ⅢC同时开启，前腔i与节流口ⅡB、中腔j、节流口ⅢC、引流腔K及后腔L间的流道被连通。整个异形阀腔的流道具有三个节流口，增加了阀闭合时的密封性能。异形阀腔导通时，支柱腔的高压液体依次通过节流口ⅡB和节流口ⅢC压力得到释放，在节流口ⅡB和节流口ⅢC的二级节流作用下，液体外排。压力由两个节流口共同承担，单个节流口承担的压力得到降低。因此，阀口的气蚀破坏得到削弱。

如图3、图5和图6所示，所述的节流口ⅢC处设有引流结构k。所述的引流结构k为引流孔或引流槽。引流结构k可将高压区的液体引入低压核心区，影响局部主流束，抑制低压核心区压力下降，从而减缓局部气蚀破坏，即通过压力补偿抑制阀口低压区气穴大小和范围，从而减缓气蚀破坏。由于节流口ⅢC下游的后腔L与水压三用阀外界连通，而节流口ⅢC上游的中腔j的压力较高，导致节流口ⅢC处容易产生气穴；而节流口ⅡB上游的前腔i的压力高，节流口ⅡB下游的中腔j的压力也较高，致使节流口ⅡB处产生气穴可能性相对于节流口ⅢC处小；且在节流口ⅢC与节流口ⅡB结构完全相同的情况下，气穴先出现于节流口ⅢC处，情况进一步恶化时，才会在节流口ⅡB处产生。因此，引流结构k应设置于节流口ⅢC处。

图9和图10分别显示了节流口ⅢC与节流口ⅡB的压力和气穴分布云图，云图由计算流体力学CFD软件仿真计算得到，图9中数字为压力值，单位为Pa。图10中数字为气相与液相的体积比。计算条件为入口压力10MPa，出口压力0.1MPa，水介质空化压力2340Pa。由图9和图10可知，节流口ⅡB处的压力虽然比节流口ⅢC处高，但气穴仍然出现在节流口ⅢC及其下游的后腔L处。进一步说明，引流结构k应设置于节流口ⅢC处，而不是设置在节流口ⅡB处。

图11为节流口ⅢC处无高压引流结构的三维气穴分布图，图12为节流口ⅢC处有高压引流结构的三维气穴分布云图。云图由计算流体力学CFD软件仿真计算得到，计算条件为入口压力10MPa，出口压力0.1MPa，水介质空化压力2340Pa。由图11可知，无高压引流结构时节流口ⅢC存在较大面积的气穴，而节流口ⅡB处无气穴。由图12可知，采用高压引流结构时节流口ⅢC和节流口ⅡB处均无气穴产生，且后腔L及其外围等次要位置的气穴也得到明显改善。

如图4所示，所述的后腔L的径向尺寸y与轴向尺寸z相等，后腔L的来流一侧设有出液口q。径向尺寸y与轴向尺寸z大小相等构成正方形结构，有助阀腔涡流回旋，产生的气穴形状规整，且气穴面积较小，气穴强度较低，从而减缓气蚀破坏。出液口q设置在后腔L的来流一侧，有助于引导流体流动方向及涡旋回流，从而减轻阀口射流引射产生的气穴，且设置在来流一侧还有助于形成涡旋，涡旋回流将挤压来流，从而削弱气穴，进一步减缓气蚀破坏。

图13为后腔L的径向尺寸y分别大于、等于及小于轴向尺寸z时的节流口ⅢC及其下游后腔L的气穴分布云图。图14为出液口q分别设置在后腔L的来流一侧、中间位置及远离来流一侧时的节流口ⅢC及其下游后腔L的气穴分布云图。图13和图14中数字均为气相与液相的体积比，计算条件也均为入口压力10MPa，出口压力0.1MPa，水介质空化压力2340Pa。图13和图14进一步说明后腔L的径向尺寸y应与轴向尺寸z相等，且出液口q应设置在后腔L的来流一侧。

由于采用微造型阀芯和异形阀腔结构后，阀芯51的径向尺寸增大，导致安全阀弹簧55的轴向尺寸增大，给安全阀弹簧55的设计和安装带来困难。如图2所示，为进一步解决上述问题，所述的弹簧座54由底座541、拉杆542和外螺纹543组成，拉杆542设置在底座541中心，外螺纹543设置在拉杆542末端。所述的调压螺母56上设有内螺纹561、沉孔562、光滑孔563及底盘564。旋转调压螺母56，通过内螺纹561将调压螺母56拧在拉杆542末端外螺纹543上，通过螺纹的不断旋进，缓慢压缩安全阀弹簧55，当弹簧压缩一定距离后，内螺纹561和外螺纹543脱离旋合，而底盘564上螺纹与阀套52内壁上的螺纹进入旋合，继续旋转调压螺母56，调压螺母56进一步压缩安全阀弹簧55，从而调节安全阀弹簧55的预压力，即调定安全阀弹簧55的额定压力值。由于安全阀弹簧55的刚度较大，通过内螺纹561与外螺纹543的旋合，对安全阀弹簧55进行初步压缩，方便了安全阀弹簧55的安装，且大大缩短了阀套52的长度，节省了空间，使得水压三用阀的结构更加紧凑。此外，当底盘564上螺纹与阀套52内壁上的螺纹进入旋合后，内螺纹561和外螺纹543又脱离旋合，弹簧座54与调压螺母56的运动不再相互干涉，保证了安全阀5工作时，其阀芯51可推动弹簧座54压缩安全阀弹簧55。

如图1和图2所示，所述的安全阀5设有阻尼腔s，阻尼腔s为由阀芯51、阀套52和端盖53轮廓围成的空间。来自单体液压支柱柱腔的高压液体通过阻尼58及阀芯孔r进入阻尼腔s，并作用于阻尼腔s的阀芯51的端面，并抵消部分阀芯前端面高压液体产生的压力。从而使得阀芯51受到的轴向压力减小，使安全阀弹簧55承受的压力减小，且安全阀弹簧55所必需的刚度和径向尺寸均减小，从而降低安全阀弹簧55的设计难度。此外，高压液体通过阻尼58，还有助于阀芯51运动的稳定。

为了加强水压三用阀的密封性能，重要密封位置均设置了密封元件。水压三用阀与单体液压支柱间通过密封圈Ⅴ95密封，单向阀3通过单向阀阀座33与钢球34形成密封，卸载阀4通过阀垫Ⅰ42与左阀筒1内部的挡环Ⅱt形成密封。阀套52与右阀筒2间通过密封圈Ⅲ93密封，阀芯滑阀段511与阀套52间通过密封圈Ⅳ94密封，阀芯导向段514与阀套52间通过密封圈Ⅱ92密封，端盖53与阀套52间通过阀垫Ⅱ57密封，阀芯顶杆段516与端盖53间通过密封圈Ⅰ91密封。

水压三用阀是单体液压支柱的核心部件，单体液压支柱通过水压三用阀控制液压支柱的升柱、初撑、承载溢流和卸载回柱过程，其工作过程如下：

升柱、初撑阶段：先将单体液压支柱的注液枪插入水压三用阀的注液阀体31上，挂好锁紧套，板动注液枪扳手，迫使顶杆轴向移动，顶起钢球34打开单向阀3，来自泵站的高压液体便通过注液孔a进入单向阀3，并经过连接螺杆6内部的螺杆进孔Ⅰb、螺杆出孔Ⅰc，注入水压三用阀内部阀腔Ⅰd，并通过左阀筒1侧壁上的出口Ⅰe通孔进入单体液压支柱内部，使液压支柱迅速升起。当液压支柱接触顶梁后，顶板对液压支柱产生一定阻力，液压支柱停止上升，单体液压支柱内压力急剧上升，最终单体液压支柱腔内压力等于泵站压力，并获得一定的初撑力。然后取下注液枪，单向阀3关闭，完成升柱、初撑过程。此过程中节流口ⅠA、节流口ⅡB及节流口ⅢC均处于闭合状态。

承载溢流阶段：在支护过程中顶板会对单体液压支柱施加冲击载荷或周期载荷，当载荷值低于单体液压支柱的工作阻力时，腔内工作介质作用于阀芯51上的液压力大于安全阀弹簧55的预紧力，将迫使阀芯51外移，并压缩安全阀弹簧55，而阻尼腔s随之被压缩。阻尼腔s内的液体介质，通过阀芯孔r、阻尼58进入滑阀腔Q。此时，随着载荷的增大，节流口ⅠA逐渐开启，而节流口ⅡB和节流口ⅢC仍然处于闭合状态。当载荷值大于单体液压支柱的工作阻力时，阀芯继续外移，节流口ⅡB和节流口ⅢC逐渐被打开。此时，来自单体液压支柱柱腔的高压液体，通过出口Ⅰe、螺杆进孔Ⅱf、螺杆出孔Ⅱg、滑阀腔Q、出液孔h、节流口ⅠA、前腔i、节流口ⅡB、中腔j、节流口ⅢC、引流腔K、后腔L、出液口q、外腔m及间隙n排出水压三用阀体外，支柱快速回缩，柱腔压力降低。当作用于阀芯51上的液压力将小于安全阀弹簧55的弹力时，阀芯51回移，节流口关闭。从而保证腔内压力始终在安全阀额定工作压力附近波动，实现恒阻支撑。

卸载回柱阶段：单体液压支柱回收时，通过卸载手把插入右阀筒2的卸载孔中，板动卸载手把，产生一沿水压三用阀轴向的力，作用于阀套52端部，通过阀套52压缩卸载弹簧41，此时与阀套52通过螺纹连接的连接螺杆6外移、阀垫Ⅰ42与左阀筒1的内部挡环Ⅱt间的密封带被打开，卸载阀4开启，单体液压支柱腔内工作介质经过左阀筒1喷入采空区，单体液压支柱在自重和复位弹簧作用下快速回缩，待液压支柱完全回缩后，关闭卸载阀4，完成卸载回柱过程。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的基本原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。