一种钢丝多轴微动疲劳试验装置及方法，装置包括基架、拉-扭疲劳系统、摆动加载系统、状态监测系统：基架包括底座、对称设置在底座上的支撑立柱、设置在支撑立柱顶部的承载梁、置于支撑立柱中部的支撑夹块；拉-扭疲劳系统包括支撑系统、扭转驱动系统、拉-拉疲劳系统；摆动加载系统包括摆动驱动系统和加载系统；状态监测系统包括微动测量系统、轴向疲劳载荷测量系统、扭转测量系统、摆动测量系统。通过调整偏心块的偏心位置，经曲柄连杆机构的疲劳钢丝扭转角；能够实现拉-拉疲劳、扭转和变交叉角摆动等复合运动模式下钢丝的多轴微动疲劳实验，用于揭示钢丝多轴微动疲劳断裂机理、定量评价钢丝的多轴微动疲劳损伤演化和多轴微动疲劳寿命。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及，尤其是一种能够实现拉-拉疲劳、扭转和变交叉角摆动等复合运动模式下钢丝的多轴微动疲劳实验装置及方法。
技术介绍
我国煤炭资源总量约5.57万亿吨，其中53%的煤炭资源深埋在千米地层以下。目前，我国大中型煤矿的平均开采深度为456m，超千米深井已达47个，且其数量在逐年增加。随着矿井开采走向深部和现代化大型矿井高效生产的要求，立井多绳摩擦式提升系统(包括提升机、提升钢丝绳、提升容器等)以其提升能力大、提升高度大、提升速度快、安全系数高和机器尺寸小等优点被广泛应用于超千米深井提升中，担负着提升煤炭、下放材料、升降人员和设备的任务。提升钢丝绳作为立井多绳摩擦式提升系统的关键传动部件，连接着提升机和提升容器，其可靠性严重影响煤矿的安全生产和职工生命安全，一旦提升钢丝绳发生失效断裂将导致机毁人亡重大恶性安全事故的发生。《煤矿安全规程》规定:提升钢丝绳使用寿命应不超过2年，如果钢丝绳的断丝、直径缩小和锈蚀程度不超过规程的规定，可继续使用，但不得超过I年。大多数浅部矿井提升钢丝绳的寿命都可以达到2年，而千米级深部矿井提升钢丝绳的使用寿命平均不超过6个月，严重影响了深部矿井的安全高效生产，而且频繁换绳会造成巨大的经济损失(每更换一次钢丝绳耗费数百万元)。因此，探究千米深井提升钢丝绳的特殊失效模式，对保障大型矿山提升装备的安全可靠运行有重要的意义。 在立井提升循环中(提起终端载荷、提升过程和卸载)，提升钢丝绳由于循环地绕入和绕出滚筒而反复地承受拉伸、弯曲和扭转作用；在浅井提升时，提升钢丝绳的扭转应力较小，可以忽略不计，而随着提升高度的增加，尤其当提升高度达到千米深度时，扭转应力对提升钢丝绳寿命的影响变得越来越大。在提升过程中，提升机的加、减速特性和时变的悬垂钢丝绳长度导致立井摩擦式提升系统的振动特性，因而提升钢丝绳承受动载荷作用。这些载荷均会导致提升钢丝绳(以一定捻角由丝捻成股、股捻成绳的复杂螺旋结构)内部钢丝间的接触载荷和相对滑移，即微动磨损；微动磨损与循环拉伸或弯曲载荷的共同作用导致钢丝的微动疲劳；微动疲劳和循环扭矩载荷的共同作用引起拉伸-扭转复合载荷作用下钢丝的多轴微动疲劳。因此，揭示钢丝多轴微动疲劳断裂机理、定量评价钢丝的多轴微动疲劳损伤演化和多轴微动疲劳寿命，对提高千米深井提升钢丝绳使用寿命、保证深部矿井安全生产、避免人员伤亡和设备损坏、保障我国能源供应具有重要意义。 所以，提出，实时动态监测多轴微动疲劳过程中疲劳钢丝的位移幅值、交变载荷、扭矩、扭转角、切向力以及钢丝间交叉角度和摆动驱动扭矩等多轴微动疲劳损伤参数，用以揭示钢丝多轴微动疲劳断裂机理、定量评价钢丝的多轴微动疲劳损伤演化和多轴微动疲劳寿命。 微动疲劳方面的试验装置包括:专利号为200810304928.3公开了一种对试件施加叠加磨损载荷的轴向疲劳实验方法及装置，采用减速器结构的磨损载荷装置，对构件同时施加磨损载荷和疲劳载荷；专利号为200910182122.6公开了一种钢丝微动疲劳试验机及方法，通过水平加载装置对轴向钢丝施加加载载荷，并通过轴向夹紧、拉压装置对钢丝试样作用轴向疲劳应力，实现对钢丝试样的微动磨损和轴向疲劳应力共同作用的微动疲劳试验；专利号为201110195119.5公开了一种监测钢丝微动疲劳状态的实验方法及装置，通过控制液压升降台上下运动对试验钢丝施加轴向交变载荷，通过水平加载装置对轴向钢丝施加加载载荷，试验钢丝发生微动疲劳现象，切向力通过设在加载块上的内螺纹连接杆传递给轮辐式拉压传感器，能够动态记录实验过程中接触钢丝间的切向力和试验钢丝的声发射信号；上述试验装置均针对单轴拉伸作用下试件的微动疲劳实验。专利号为201210062350.1公开了一种试验环境可控的多向微动疲劳试验机及其试验方法，试验机包括由电磁激振作动器激励的垂向微动机构和由压电陶瓷作动器横向二维微动机构，可以评价刚性材料的多向微动摩擦磨损性能，不适于细长柔性体钢丝的多轴微动疲劳损伤演化和断裂机理的评价。
技术实现思路
技术问题:本专利技术的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种结构紧凑、功能齐全、方法简便、易操作的钢丝多轴微动疲劳试验装置及方法。 技术方案:本专利技术的钢丝多轴微动疲劳试验装置，包括基架、设在基架上的拉-扭疲劳系统、设在基架中部的摆动加载系统、疲劳钢丝、状态监测系统； 所述的基架包括底座、对称设置在底座上的两个支撑立柱、两个支撑立柱的顶部设有承载梁，支撑立柱的中部对称套装有左右两个支撑夹块；所述支撑夹块为分体式带圆弧孔块体，靠近疲劳钢丝一侧的支撑夹块带有固定轴承支座的半圆柱状凸台； 所述拉-扭疲劳系统包括设在支撑夹块上的支撑系统、设在承载梁与疲劳钢丝之间的扭转驱动系统、设在底座上的拉-拉疲劳系统； 所述支撑系统包括嵌装于承载梁中部孔槽底部的垫板、通过螺钉与垫板固定在一起的内螺纹轴，内螺纹轴的下部设有圆锥滚子轴承； 所述扭转驱动系统包括设在承载梁上的电机一、与电机一输出轴连接的偏心块一、与偏心块一连接的连杆一、与连杆一相连接的驱动盘、与驱动盘通过螺钉连接的杯状连接套，杯状连接套的杯底连接有拉扭传感器，所述的偏心块一、连杆一和驱动盘构成曲柄连杆机构，所述的驱动盘套装在内螺纹轴上，并与圆锥滚子轴承相配合； 所述的拉-拉疲劳系统包括设在底座上的液压缸和与液压相对设在拉扭传感器上的上夹持块，液压缸的活塞杆上设有下夹持块、上夹持块和下夹持块之间垂直固定有用于试验的疲劳钢丝； 所述的摆动加载系统包括摆动驱动系统和加载系统； 所述摆动驱动系统包括分别经轴承支座对称设在左右两个支撑夹块上的传动轴一和传动轴二，传动轴一和传动轴二相对一端之间设有将连为一体呈凹形状的支撑平台，支撑平台上固定有上压板，传动轴一的外端固定有摇杆，左侧的支撑夹块上设有电机支架，电机支架上设有与传动轴一并排布置的电机二，电机二可正反转，以实现支撑平台的摆动和微动区交叉接触钢丝的变交叉角度微动作用，电机二的输出轴上设有偏心块二，偏心块二上设有连杆二，连杆二与摇杆相连，摇杆在连杆的驱动下绕传动轴一的中心线往复旋转，实现交叉接触钢丝之间的变交叉角度微动作用； 所述加载系统包括位于支撑平台内对称设在疲劳钢丝两侧的左载加块和右载加块，左载加块和右载加块上分别水平固定有与疲劳钢丝相垂直的左加载钢丝和右加载钢丝，左载加块上连接有L形滑块一，右载加块上连接有多维力传感器，多维力传感器上连接有与L形滑块一相对的L形滑块二，两个L形滑块的上下部分别设有滚珠导轨，上部的滚珠导轨与固定在支撑平台上的压板相接触，下部的滚珠导轨与支撑平台相接触，L形滑块二与L形滑块一的左侧对称布置有固定在支撑平台上的两个导向轮一，L形滑块一的右侧设有固定在支撑平台上的一个导向轮二，L形滑块二上固定有尼龙线，尼龙线绕过两个导向轮一经L形滑块一再绕过导向轮二与配重相连；尼龙线在配重作用下绕经导向轮二带动L形滑块一和左载加块以及绕经导向轮一带动L形滑块二和右载加块，使左右两个加载块上的左加载钢丝和右加载钢丝挤压疲劳钢丝至设定钢丝间接触载荷，实现对疲劳钢丝的一体化加载，在微动疲劳过程中钢丝发生磨损时，在尼龙线的作用下发生位置实时调整，从而保证加载钢丝对疲劳钢丝施加的接触载荷本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种钢丝多轴微动疲劳试验装置，其特征在于：它包括基架、设在基架上的拉‑扭疲劳系统、设在基架中部的摆动加载系统、疲劳钢丝（5）、状态监测系统；所述的基架包括底座（8）、对称设置在底座（8）上的两个支撑立柱（2）、两个支撑立柱（2）的顶部设有承载梁（1），支撑立柱（2）的中部对称套装有左右两个支撑夹块（9）；所述支撑夹块（9）为分体式带圆弧孔块体，靠近疲劳钢丝（5）一侧的支撑夹块（9）带有固定轴承支座（28）的半圆柱状凸台；所述拉‑扭疲劳系统包括设在支撑夹块（9）上的支撑系统、设在承载梁（1）与疲劳钢丝（5）之间的扭转驱动系统、设在底座（8）上的拉‑拉疲劳系统；所述支撑系统包括嵌装于承载梁（1）中部孔槽底部的垫板（14）、通过螺钉（13）与垫板（14）固定在一起的内螺纹轴（15），内螺纹轴（15）的下部设有圆锥滚子轴承（17）；所述扭转驱动系统包括设在承载梁（1）上的电机一（12）、与电机一（12）输出轴连接的偏心块一（11）、与偏心块一（11）连接的连杆一（10）、与连杆一（10）相连接的驱动盘（16）、与驱动盘（16）通过螺钉连接的杯状连接套（18），杯状连接套（18）的杯底连接有拉扭传感器（19），所述的偏心块一（11）、连杆一（10）和驱动盘（16）构成曲柄连杆机构，所述的驱动盘（16）套装在内螺纹轴（15）上，并与圆锥滚子轴承（17）相配合；所述的拉‑拉疲劳系统包括设在底座（8）上的液压缸（7）和与液压缸（7）相对设在拉扭传感器（19）上的上夹持块（20），液压缸（7）的活塞杆上设有下夹持块（6）、上夹持块（20）和下夹持块（6）之间垂直固定有用于试验的疲劳钢丝（5）；所述的摆动加载系统包括摆动驱动系统和加载系统；所述摆动驱动系统包括分别经轴承支座（28）对称设在左右两个支撑夹块（9）上的传动轴一（41）和传动轴二（42），传动轴一（41）和传动轴二（42）相对一端之间设有将连为一体呈凹形状的支撑平台（27），支撑平台（27）上固定有上压板（38），传动轴一（41）的外端固定有摇杆（21），左侧的支撑夹块（9）上设有电机支架（31），电机支架（31）上设有与传动轴一（41）并排布置的电机二（32），电机二（32）可正反转，以实现支撑平台（27）的摆动和微动区交叉接触钢丝的变交叉角度微动作用，电机二（32）的输出轴上设有偏心块二（30），偏心块二（30）上设有连杆二（29），连杆二（29）与摇杆（21）相连，摇杆（21）在连杆（29）的驱动下绕传动轴一（41）的中心线往复旋转，实现交叉接触钢丝之间的变交叉角度微动作用；所述加载系统包括位于支撑平台（27）内对称设在疲劳钢丝（5）两侧的左载加块（35）和右载加块（43），左载加块（35）和右载加块（43）上分别水平固定有与疲劳钢丝（5）相垂直的左加载钢丝（44）和右加载钢丝（40），左载加块（35）上连接有L形滑块一（34），右载加块（43）上连接有多维力传感器（25），多维力传感器（25）上连接有与L形滑块一（34）相对的L形滑块二（33），两个L形滑块的上下部分别设有滚珠导轨（39），上部的滚珠导轨（39）与固定在支撑平台（27）上的压板（38）相接触，下部的滚珠导轨（39）与支撑平台（27）相接触，L形滑块二（33）与L形滑块一（34）的左侧对称布置有固定在支撑平台（27）上的两个导向轮一（37），L形滑块一（34）的右侧设有固定在支撑平台（27）上的一个导向轮二（26），L形滑块二（33）上固定有尼龙线（36），尼龙线（36）绕过两个导向轮一（37）经L形滑块一（34）再绕过导向轮二（26）与配重（4）相连；尼龙线（36）在配重（4）作用下绕经导向轮二（26）带动L形滑块一（34）和左载加块（35）以及绕经导向轮一（37）带动L形滑块二（33）和右载加块（43），使左右两个加载块上的左加载钢丝（44）和右加载钢丝（40）挤压疲劳钢丝（5）至设定钢丝间接触载荷，实现对疲劳钢丝（5）的一体化加载，在微动疲劳过程中钢丝发生磨损时，在尼龙线（36）的作用下发生位置实时调整，从而保证加载钢丝对疲劳钢丝（5）施加的接触载荷保持不变；所述状态监测系统包括置于摆动加载系统上的微动测量系统和摆动测量系统、置于拉‑扭疲劳系统上的轴向疲劳载荷测量系统、扭转测量系统；所述微动测量系统包括与L形滑块一（34）相连的接触载荷测量系统、与下夹持块（6）相连的微动振幅测量系统、与右加载钢丝（40）相连的摩擦力测量系统，所述接触载荷测量系统包括尼龙线、导向轮二（26）和配重（4），钢丝间接触载荷值等于配重（4）载荷值的一半；所述微动振幅测量系统包括设在液压缸（7）内的位移传感器，疲劳钢丝（5）与下夹持块（6）连接处位移等于位移传感器的位移值，根据疲劳钢丝（5）变形大小通过比例缩放间接获得微动区接触的钢...
【技术特征摘要】
1.一种钢丝多轴微动疲劳试验装置，其特征在于:它包括基架、设在基架上的拉-扭疲劳系统、设在基架中部的摆动加载系统、疲劳钢丝(5)、状态监测系统； 所述的基架包括底座(8)、对称设置在底座(8)上的两个支撑立柱(2)、两个支撑立柱(2)的顶部设有承载梁(1)，支撑立柱(2)的中部对称套装有左右两个支撑夹块(9);所述支撑夹块(9)为分体式带圆弧孔块体，靠近疲劳钢丝(5) —侧的支撑夹块(9)带有固定轴承支座(28)的半圆柱状凸台； 所述拉-扭疲劳系统包括设在支撑夹块(9)上的支撑系统、设在承载梁(I)与疲劳钢丝(5)之间的扭转驱动系统、设在底座(8)上的拉-拉疲劳系统； 所述支撑系统包括嵌装于承载梁(I)中部孔槽底部的垫板(14)、通过螺钉(13)与垫板(14)固定在一起的内螺纹轴(15)，内螺纹轴(15)的下部设有圆锥滚子轴承(17)； 所述扭转驱动系统包括设在承载梁(I)上的电机一(12)、与电机一(12)输出轴连接的偏心块一(11)、与偏心块一(11)连接的连杆一(10)、与连杆一(10)相连接的驱动盘(16)、与驱动盘(16)通过螺钉连接的杯状连接套(18)，杯状连接套(18)的杯底连接有拉扭传感器(19)，所述的偏心块一(11)、连杆一(10)和驱动盘(16)构成曲柄连杆机构，所述的驱动盘(16)套装在内螺纹轴(15)上，并与圆锥滚子轴承(17)相配合； 所述的拉_拉疲劳系统包括设在底座(8)上的液压缸(7)和与液压缸(7)相对设在拉扭传感器(19 )上的上夹持块(20 )，液压缸(7 )的活塞杆上设有下夹持块(6 )、上夹持块(20 )和下夹持块(6)之间垂直固定有用于试验的疲劳钢丝(5)； 所述的摆动加载系统包括摆动驱动系统和加载系统； 所述摆动驱动系统包括分别经轴承支座(28)对称设在左右两个支撑夹块(9)上的传动轴一(41)和传动轴二(42)，传动轴一(41)和传动轴二(42)相对一端之间设有将连为一体呈凹形状的支撑平台(27)，支撑平台(27)上固定有上压板(38)，传动轴一(41)的外端固定有摇杆(21)，左侧的支撑夹块(9)上设有电机支架(31)，电机支架(31)上设有与传动轴一(41)并排布置的电机二(32)，电机二(32)可正反转，以实现支撑平台(27)的摆动和微动区交叉接触钢丝的变交叉角度微动作用，电机二(32)的输出轴上设有偏心块二(30)，偏心块二( 30 )上设有连杆二( 29 )，连杆二( 29 )与摇杆(21)相连，摇杆(21)在连杆(29 )的驱动下绕传动轴一(41)的中心线往复旋转，实现交叉接触钢丝之间的变交叉角度微动作用；所述加载系统包括位于支撑平台(27)内对称设在疲劳钢丝(5)两侧的左载加块(35)和右载加块(43 )，左载加块(35 )和右载加块(43 )上分别水平固定有与疲劳钢丝(5 )相垂直的左加载钢丝(44 )和右加载钢丝(40 )，左载加块(35 )上连接有L形滑块一(34 )，右载加块(43)上连接有多维力传感器(25)，多维力传感器(25)上连接有与L形滑块一(34)相对的L形滑块二(33)，两个L形滑块的上下部分别设有滚珠导轨(39)，上部的滚珠导轨(39)与固定在支撑平台(27)上的压板(38)相接触，下部的滚珠导轨(39)与支撑平台(27)相接触，L形滑块二(33)与L形滑块一(34)的左侧对称布置有固定在支撑平台(27)上的两个导向轮一(37 )，L形滑块一(34 )的右侧设有固定在支撑平台(27 )上的一个导向轮二( 26 )，L形滑块二( 33 )上固定有尼龙线(36 )，尼龙线(36 )绕过两个导向轮一(37 )经L形滑块一(34)再绕过导向轮二(26)与配重(4)相连；尼龙线(36)在配重(4)作用下绕经导向轮二(26)带动L形滑块一(34)和左载加块(35)以及绕经导向轮一(37)带动L形滑块二(33)和右载加块(43)，使左右两个加载块上的左加载钢丝(44)和右加载钢丝(40)挤压疲劳钢丝(5)至设定钢丝间接触载荷，实现对疲劳钢丝(5)的一体化加载，在微动疲劳过程中钢丝发生磨损时，在尼龙线(36)的作用下发生位置实时调整，从而保证加载钢丝对疲劳钢丝(5)施加的接触载荷保持不变； 所述状态监测系统包括置于摆动加载系统上的微动测量系统和摆动测量系统、置于拉-扭疲劳系统上的轴向疲劳载荷测量系统、扭转测量系统； 所述微动测量系统包括与L形滑块一(34)相连的接触载荷测量系统、与下夹持块(6)相连的微动振幅测量系统、与右加载钢丝(40)相连的摩擦力测量系统，所述接触载荷测量系统包括尼龙线、导向轮二(26)和配重(4)，钢丝间接触载荷值等于配重(4)载荷值的一半；所述微动振幅测量系统包括设在液压缸(7)内的位移传感器，疲劳钢丝(5)与下夹持块(6)连接处位移等于位移传感器的位移值，根据疲劳...
【专利技术属性】
技术研发人员：王大刚，郭永波，张德坤，朱真才，茅献彪，葛世荣，王世博，彭玉兴，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。