CN105823696A - 超深立井缠绕式提升钢丝绳多轴摩擦疲劳损伤监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超深立井缠绕式提升钢丝绳多轴摩擦疲劳损伤监测装置，该监测装置包括设置在支撑***上的拉‑扭疲劳***和动态加载监测***；拉‑扭疲劳***包括低速大扭矩电机和伺服电动缸A，低速大扭矩电机通过联轴器A、扭矩传感器、联轴器B、轴、钢丝绳夹具A连接疲劳钢丝绳一端，伺服电动缸A螺纹杆通过拉力传感器、钢丝绳夹具B连接疲劳钢丝绳另一端，所述动态加载监测***包括伺服电动缸B，伺服电动缸B螺纹通过二维力传感器连接加载钢丝绳夹具，加载钢丝绳夹具的夹具转盘上设有夹具块，加载钢丝绳固定在夹具块上。本发明可以研究动态拉伸‑扭转复合疲劳载荷作用下钢丝绳间多轴摩擦疲劳特性以及钢丝绳与摩擦衬垫间动态接触和蠕动特性。
Description
技术领域
本发明专利涉及超深立井缠绕式提升钢丝绳多轴摩擦疲劳损伤监测装置及方法，用于研究超深立井缠绕式提升***中动态拉伸-扭转复合疲劳载荷作用下相邻缠绕层交叉接触钢丝绳的拉-扭多轴摩擦疲劳损伤以及钢丝绳与摩擦衬垫的动态接触和蠕动特性。
背景技术
随着国民经济的飞速发展，我国对矿产资源的需求量大幅度增长，促使我国的地下矿产资源的开采不断向深层开展，而我国千米地层下的煤炭资源量占已探明煤炭储量的53％，因此，超深矿井的开采和运输受到广泛关注。超深矿井提升普遍采用立井多绳摩擦式提升***和多绳缠绕式提升***两类，然而国内现有的多绳摩擦式提升机标准一般不推荐在深度超过1200米的情况下使用，因此，针对超千米矿井提升多采用多绳缠绕式提升***。在多绳缠绕式提升***中，提升钢丝绳一端缠绕于提升机主轴装置卷筒上，我国《煤矿安全规程》规定卷筒上缠绕的钢丝绳层数在立井升降物料时为2层，而加拿大《Ontario Occupational Health and Safety Act》规定提升机卷筒上有螺旋绳槽时不得超过3层缠绕；提升钢丝绳另一端与提升容器连接。因此，提升钢丝绳连接矿井提升机和提升容器共同组成立井多绳缠绕式提升***，担负着提升煤炭、矸石、下放材料、升降人员和设备的任务，一旦钢丝绳失效断裂将导致井毁人亡的重大事故，并且严重影响矿井正常生产和人员的生命安全。
然而，超深矿井缠绕式提升过程中，缠绕在卷筒上的提升钢丝绳循环地提升和下放提升容器，提升机变加速特性、时变悬垂绳长和不同层钢丝绳缠绕过渡特性等导致提升钢丝绳反复承受动态的拉伸、扭转和弯曲载荷，进而导致缠绕于卷筒上钢丝绳的动态蠕变特性以及卷筒上不同缠绕层钢丝绳间、第一层缠绕钢丝绳与衬垫绳槽之间的动态接触载荷，因此，动态的拉伸、扭转载荷、蠕变和接触载荷的共同作用导致超深矿井缠绕式提升钢丝绳拉伸-扭转多轴摩擦疲劳行为，导致提升钢丝绳的多轴摩擦疲劳断裂失效，进而缩短了提升钢丝绳的使用寿命。尤其当提升高度达到千米或超千米深度时，扭转应力对提升钢丝绳寿命的影响越来越大。因此，提出超深立井缠绕式提升钢丝绳拉伸-扭转多轴摩擦疲劳损伤监测装置及方法，对于探究超深立井缠绕式提升***的钢丝绳多轴摩擦疲劳损伤失效机理和寿命预测具有重要的理论指导意义。
钢丝绳摩擦和疲劳相关的实验装置有：专利号CN201410525508.3公开了一种钢丝多轴微动疲劳试验装置及方法，能够实现拉-拉、扭转和变交叉角摆动复合运动模式下钢丝的多轴微动疲劳实验；专利号CN201510051377.4公开了腐蚀-交变载荷耦合作用下钢丝绳弯曲疲劳损伤监测***，能实现腐蚀与交变载荷耦合作用下钢丝绳的弯曲疲劳试验，可用于揭示钢丝绳弯曲疲劳损伤失效机理；专利号CN201510102984.9公开了一种提升机用钢丝绳、摩擦衬垫综合摩擦检测装置及方法，可以实现钢丝绳-钢丝绳、钢丝绳-摩擦衬垫之间高速滑动摩擦行为。然而，上述三项专利均不能实现动态拉伸和扭转载荷耦合作用下钢丝绳-钢丝绳、钢丝绳-摩擦衬垫之间的多轴摩擦疲劳以及动态接触特性研究。
发明内容
发明目的：为了克服现有设备和技术的不足，本发明提供一种超深立井缠绕式提升钢丝绳多轴摩擦疲劳损伤监测装置，可以研究超深立井缠绕式提升***中动态拉伸-扭转复合疲劳载荷作用下钢丝绳之间的多轴摩擦疲劳特性以及钢丝绳与摩擦衬垫之间动态接触和蠕动特性。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种超深立井缠绕式提升钢丝绳多轴摩擦疲劳损伤监测装置，包括支撑***、拉-扭疲劳***和动态加载监测***；
所述支撑***包括底板、摩擦衬垫支架、摩擦衬垫、伺服电动缸B支架、伺服电动缸A支架，摩擦衬垫和伺服电动缸B支架固定在摩擦衬垫支架上，摩擦衬垫支架和伺服电动缸A支架固定在底板上；
所述拉-扭疲劳***包括低速大扭矩电机、联轴器A、扭矩传感器、联轴器B、轴、钢丝绳夹具A、钢丝绳U型锁具A、疲劳钢丝绳、钢丝绳U型锁具B、钢丝绳夹具B、拉力传感器、伺服电动缸A，疲劳钢丝绳置于摩擦衬垫上，低速大扭矩电机固定在底板上，低速大扭矩电机输出轴通过联轴器A与扭矩传感器一端连接，扭矩传感器另一端通过联轴器B与轴的一端连接，轴的另一端与钢丝绳夹具A的一端连接，疲劳钢丝绳一端穿过钢丝绳夹具A另一端的接头并通过钢丝绳U型锁具A锁紧，伺服电动缸A固定在伺服电动缸A支架上，伺服电动缸A的螺纹杆与拉力传感器一端连接，拉力传感器另一端与钢丝绳夹具B的一端连接，疲劳钢丝绳另一端穿过钢丝绳夹具B另一端的接头并通过钢丝绳U型锁具B锁紧；
所述动态加载监测***包括伺服电动缸B、二维力传感器、加载钢丝绳夹具、加载钢丝绳，伺服电动缸B固定在伺服电动缸B支架上，伺服电动缸B的螺纹杆与二维力传感器一端连接，二维力传感器另一端与加载钢丝绳夹具连接，加载钢丝绳夹具包括夹具转盘，夹具转盘上设有夹具块，夹具块可沿夹具转盘上的弧形孔槽转动，加载钢丝绳固定在夹具块上并位于疲劳钢丝绳上方。
进一步的，所述弧形孔槽旁标有旋转角度刻度值。
进一步的，所述扭矩传感器固定在扭矩传感器支座上，扭矩传感器支座固定在底板上。
进一步的，所述轴穿过固定在轴承座上的圆锥滚子轴承，轴承座固定在底板上。
根据上述监测装置的超深立井缠绕式提升钢丝绳多轴摩擦疲劳损伤监测方法，包括以下步骤：
(a)通过脱脂棉擦拭加载钢丝绳和疲劳钢丝绳接触表面以去除表面油脂，将加载钢丝绳安装于加载钢丝绳夹具上，调整夹具块在夹具转盘的角度值，以获得加载钢丝绳与疲劳钢丝绳之间的交叉角设定值，将加载钢丝绳夹具连接在二维力传感器上；
(b)将疲劳钢丝绳两端通过钢丝绳夹具A的钢丝绳U型锁具A和钢丝绳夹具B的钢丝绳U型锁具B锁紧，通过计算机控制伺服电动缸A水平移动使得疲劳钢丝绳受力达到设定疲劳载荷或变形值；通过计算机控制伺服电动缸B在竖直方向移动，直至加载钢丝绳与疲劳钢丝绳之间的接触载荷值达到设定值；
(c)通过计算机控制程序调节变频器使低速大扭矩电机获得不同的交变扭转角；通过计算机控制程序设定伺服电动缸A螺纹杆、伺服电动缸B螺纹杆的交变位移幅值，获得疲劳钢丝绳的疲劳载荷以及加载钢丝绳与疲劳钢丝绳之间的动态交变接触载荷；打开电源给低速大扭矩电机、变频器、扭矩传感器、伺服电动缸A、拉力传感器、伺服电动缸B、二维力传感器通电后，通过计算机程序同时启动低速大扭矩电机、伺服电动缸A、伺服电动缸B，模拟钢丝绳多轴微动疲劳过程；在钢丝绳多轴微动疲劳过程中，用变频器控制低速大扭矩电机交变扭转并通过编码器记录扭转角，用扭矩传感器测量疲劳钢丝绳的扭矩，用拉力传感器记录疲劳钢丝绳疲劳载荷的变化，用二维力传感器获得加载钢丝绳与疲劳钢丝绳之间的动态接触载荷和摩擦力；
(d)通过改变低速大扭矩电机扭转角、伺服电动缸A17螺纹杆的伸缩位移和频率、伺服电动缸B螺纹杆的伸缩位移和频率、加载钢丝绳夹具中的夹具块在夹具转盘上的旋转角度值，实现多因素耦合条件下钢丝绳多轴微动疲劳实验；
(g)实验结束后，使用钢丝绳无损检测仪对疲劳钢丝绳疲劳损伤进行检测。
有益效果：本发明针对超深立井缠绕式提升***的动态拉伸、扭转和接触等载荷工况，能够动态监测多轴摩擦疲劳过程中钢丝绳交变的拉力、扭矩、扭转角和摩擦力等参数演化规律，对不同提升工况下超深立井缠绕式提升钢丝绳多轴摩擦疲劳损伤行为研究提供有效地实验设备和有效依据，对预测超深立井缠绕式提升钢丝绳的服役寿命具有广泛的应用性，对深井和超深矿井提升运行安全具有重要意义。
附图说明
图1为本发明检测装置的主视图
图2为本发明检测装置加载钢丝绳夹具的主视图；
图3为本发明检测装置加载钢丝绳夹具的侧视图；
图4为本发明检测装置加载钢丝绳夹具的俯视图；
图5为图1中的A-A向视图；
图6为图1中的B-B向视图。
图中：1、低速大扭矩电机；2、联轴器A；3、扭矩传感器；4、联轴器B；5、轴；6、圆锥滚子轴承；7、钢丝绳夹具A；8、钢丝绳U型锁具A；9、疲劳钢丝绳；10、伺服电动缸B；11、伺服电动缸B支架；12、二维力传感器；13、加载钢丝绳夹具；14、加载钢丝绳；15、钢丝绳U型锁具B；16、钢丝绳夹具B；17、伺服电动缸A；18、伺服电动缸A支架；19、拉力传感器；20、摩擦衬垫；21、摩擦衬垫支架；22、轴承座；23、扭矩传感器支座；24、底板；25、夹具转盘；26、夹具块，27、弧形孔槽。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1至6所示，本发明的一种超深立井缠绕式提升钢丝绳多轴摩擦疲劳损伤监测装置，包括支撑***、拉-扭疲劳***和动态加载监测***。
所述支撑***包括底板24、摩擦衬垫支架21、摩擦衬垫20、伺服电动缸B支架11、伺服电动缸A支架18。摩擦衬垫20和伺服电动缸B支架11固定在摩擦衬垫支架21上，摩擦衬垫支架21和伺服电动缸A支架18固定在底板24上。
所述拉-扭疲劳***包括低速大扭矩电机1、联轴器A2、扭矩传感器3、联轴器B4、轴5、钢丝绳夹具A7、钢丝绳U型锁具A8、疲劳钢丝绳9、钢丝绳U型锁具B15、钢丝绳夹具B16、拉力传感器19、伺服电动缸A17。疲劳钢丝绳9放置于摩擦衬垫20上，低速大扭矩电机1固定在底板24上，低速大扭矩电机1输出轴通过联轴器A2与扭矩传感器3一端连接，扭矩传感器3固定在扭矩传感器支座23上，扭矩传感器支座23固定在底板24上，扭矩传感器3另一端通过联轴器B4与轴5的一端连接，轴5穿过固定在轴承座22上的圆锥滚子轴承6，轴承座22固定在底板24上，轴5的另一端与钢丝绳夹具A7的一端连接，疲劳钢丝绳9一端穿过钢丝绳夹具A7另一端的接头并通过钢丝绳U型锁具A8锁紧。伺服电动缸A17固定在伺服电动缸A支架18上，伺服电动缸A17的螺纹杆与拉力传感器19一端连接，拉力传感器19的另一端与钢丝绳夹具B16的一端连接，疲劳钢丝绳9另一端穿过钢丝绳夹具B16另一端的接头并通过钢丝绳U型锁具B15锁紧；
所述动态加载监测***包括伺服电动缸B10、二维力传感器12、加载钢丝绳夹具13、加载钢丝绳14。伺服电动缸B10固定在伺服电动缸B支架11上，伺服电动缸B10的螺纹杆与二维力传感器12一端连接，二维力传感器12另一端与加载钢丝绳夹具13连接，加载钢丝绳夹具13包括夹具转盘25，夹具转盘25上设有夹具块26，夹具块26可沿夹具转盘25上的弧形孔槽27转动，弧形孔槽27旁标有旋转角度刻度值。加载钢丝绳14固定在夹具块26上并位于疲劳钢丝绳9上方。
根据上述监测装置的超深立井缠绕式提升钢丝绳多轴摩擦疲劳损伤监测方法，包括以下步骤：
(a)通过脱脂棉擦拭加载钢丝绳14和疲劳钢丝绳9接触表面以去除表面油脂，将加载钢丝绳14安装于加载钢丝绳夹具13上，调整夹具块26在夹具转盘25的角度值，以获得加载钢丝绳14与疲劳钢丝绳9之间的交叉角设定值，将加载钢丝绳夹具13连接在二维力传感器12上；
(b)将疲劳钢丝绳9两端通过钢丝绳夹具A7的钢丝绳U型锁具A8和钢丝绳夹具B16的钢丝绳U型锁具B15锁紧，通过计算机控制伺服电动缸A17水平移动使得疲劳钢丝绳9受力达到设定疲劳载荷或变形值；通过计算机控制伺服电动缸B10在竖直方向移动，直至加载钢丝绳14与疲劳钢丝绳9之间的接触载荷值达到设定值；
(c)通过计算机控制程序调节变频器使低速大扭矩电机1获得不同的交变扭转角；通过计算机控制程序设定伺服电动缸A17螺纹杆、伺服电动缸B10螺纹杆的交变位移幅值(即伸缩位移和频率)，获得疲劳钢丝绳9的疲劳载荷以及加载钢丝绳14与疲劳钢丝绳9之间的动态交变接触载荷；打开电源给低速大扭矩电机1、变频器、扭矩传感器3、伺服电动缸A17、拉力传感器19、伺服电动缸B10、二维力传感器12通电后，通过计算机程序同时启动低速大扭矩电机1、伺服电动缸A17、伺服电动缸B10，模拟钢丝绳多轴微动疲劳过程；在钢丝绳多轴微动疲劳过程中，用变频器控制低速大扭矩电机1交变扭转并通过编码器记录扭转角，用扭矩传感器3测量疲劳钢丝绳9的扭矩，用拉力传感器19记录疲劳钢丝绳9疲劳载荷的变化，用二维力传感器12获得加载钢丝绳14与疲劳钢丝绳9之间的动态接触载荷和摩擦力；
(d)通过改变低速大扭矩电机1扭转角、伺服电动缸A17螺纹杆的伸缩位移和频率、伺服电动缸B10螺纹杆的伸缩位移和频率、加载钢丝绳夹具13中的夹具块26在夹具转盘25上的旋转角度值，实现多因素耦合条件下钢丝绳多轴微动疲劳实验；
(g)实验结束后，使用钢丝绳无损检测仪对疲劳钢丝绳9疲劳损伤进行检测。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种超深立井缠绕式提升钢丝绳多轴摩擦疲劳损伤监测装置，其特征在于：包括支撑***、拉-扭疲劳***和动态加载监测***；
所述支撑***包括底板(24)、摩擦衬垫支架(21)、摩擦衬垫(20)、伺服电动缸B支架(11)、伺服电动缸A支架(18)，摩擦衬垫(20)和伺服电动缸B支架(11)固定在摩擦衬垫支架(21)上，摩擦衬垫支架(21)和伺服电动缸A支架(18)固定在底板(24)上；
所述拉-扭疲劳***包括低速大扭矩电机(1)、联轴器A(2)、扭矩传感器(3)、联轴器B(4)、轴(5)、钢丝绳夹具A(7)、钢丝绳U型锁具A(8)、疲劳钢丝绳(9)、钢丝绳U型锁具B(15)、钢丝绳夹具B(16)、拉力传感器(19)、伺服电动缸A(17)，疲劳钢丝绳(9)放置于摩擦衬垫(20)上，低速大扭矩电机(1)固定在底板(24)上，低速大扭矩电机(1)输出轴通过联轴器A(2)与扭矩传感器(3)一端连接，扭矩传感器(3)另一端通过联轴器B(4)与轴(5)的一端连接，轴(5)的另一端与钢丝绳夹具A(7)的一端连接，疲劳钢丝绳(9)一端穿过钢丝绳夹具A(7)另一端的接头并通过钢丝绳U型锁具A(8)锁紧，伺服电动缸A(17)固定在伺服电动缸A支架(18)上，伺服电动缸A(17)的螺纹杆与拉力传感器(19)一端连接，拉力传感器(19)的另一端与钢丝绳夹具B(16)的一端连接，疲劳钢丝绳(9)另一端穿过钢丝绳夹具B(16)另一端的接头并通过钢丝绳U型锁具B(15)锁紧；
所述动态加载监测***包括伺服电动缸B(10)、二维力传感器(12)、加载钢丝绳夹具(13)、加载钢丝绳(14)，伺服电动缸B(10)固定在伺服电动缸B支架(11)上，伺服电动缸B(10)的螺纹杆与二维力传感器(12)一端连接，二维力传感器(12)另一端与加载钢丝绳夹具(13)连接，加载钢丝绳夹具(13)包括夹具转盘(25)，夹具转盘(25)上设有夹具块(26)，夹具块(26)可沿夹具转盘(25)上的弧形孔槽(27)转动，加载钢丝绳(14)固定在夹具块(26)上并位于疲劳钢丝绳(9)上方。
2.根据权利要求1所述的一种超深立井缠绕式提升钢丝绳多轴摩擦疲劳损伤监测装置，其特征在于：所述弧形孔槽(27)旁标有旋转角度刻度值。
3.根据权利要求1所述的一种超深立井缠绕式提升钢丝绳多轴摩擦疲劳损伤监测装置，其特征在于：所述扭矩传感器(3)固定在扭矩传感器支座(23)上，扭矩传感器支座(23)固定在底板(24)上。
4.根据权利要求1所述的一种超深立井缠绕式提升钢丝绳多轴摩擦疲劳损伤监测装置，其特征在于：所述轴(5)穿过固定在轴承座(22)上的圆锥滚子轴承(6)，轴承座(22)固定在底板(24)上。
5.根据权利要求1所述监测装置的超深立井缠绕式提升钢丝绳多轴摩擦疲劳损伤监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)通过脱脂棉擦拭加载钢丝绳(14)和疲劳钢丝绳(9)接触表面以去除表面油脂，将加载钢丝绳(14)安装于加载钢丝绳夹具(13)上，调整夹具块(26)在夹具转盘(25)的角度值，以获得加载钢丝绳(14)与疲劳钢丝绳(9)之间的交叉角设定值，将加载钢丝绳夹具(13)连接在二维力传感器(12)上；
(b)将疲劳钢丝绳(9)两端通过钢丝绳夹具A(7)的钢丝绳U型锁具A(8)和钢丝绳夹具B(16)的钢丝绳U型锁具B(15)锁紧，通过计算机控制伺服电动缸A(17)水平移动使得疲劳钢丝绳(9)受力达到设定疲劳载荷或变形值；通过计算机控制伺服电动缸B(10)在竖直方向移动，直至加载钢丝绳(14)与疲劳钢丝绳(9)之间的接触载荷值达到设定值；
(c)通过计算机控制程序调节变频器使低速大扭矩电机(1)获得不同的交变扭转角；通过计算机控制程序设定伺服电动缸A(17)螺纹杆、伺服电动缸B(10)螺纹杆的交变位移幅值，获得疲劳钢丝绳(9)的疲劳载荷以及加载钢丝绳(14)与疲劳钢丝绳(9)之间的动态交变接触载荷；打开电源给低速大扭矩电机(1)、变频器、扭矩传感器(3)、伺服电动缸A(17)、拉力传感器(19)、伺服电动缸B(10)、二维力传感器(12)通电后，通过计算机程序同时启动低速大扭矩电机(1)、伺服电动缸A(17)、伺服电动缸B(10)，模拟钢丝绳多轴微动疲劳过程；在钢丝绳多轴微动疲劳过程中，用变频器控制低速大扭矩电机(1)交变扭转并通过编码器记录扭转角，用扭矩传感器(3)测量疲劳钢丝绳(9)的扭矩，用拉力传感器(19)记录疲劳钢丝绳(9)疲劳载荷的变化，用二维力传感器(12)获得加载钢丝绳(14)与疲劳钢丝绳(9)之间的动态接触载荷和摩擦力；
(d)通过改变低速大扭矩电机(1)扭转角、伺服电动缸A(17)螺纹杆的伸缩位移和频率、伺服电动缸B(10)螺纹杆的伸缩位移和频率、加载钢丝绳夹具(13)中的夹具块(26)在夹具转盘(25)上的旋转角度值，实现多因素耦合条件下钢丝绳多轴微动疲劳实验；
(g)实验结束后，使用钢丝绳无损检测仪对疲劳钢丝绳(9)疲劳损伤进行检测。
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