本发明专利技术公开了一种千米深井提升钢丝绳多轴微动腐蚀疲劳损伤监测装置及方法，该装置包括设在基架上的微动系统、拉-扭疲劳系统和恒温腐蚀系统，恒温腐蚀系统包括耐腐蚀箱体、恒温控制系统、冷却系统、电化学腐蚀系统，微动系统包括上加载单元、下加载单元和疲劳钢丝，上加载单元包括配重块、耐腐蚀直线导轨、二维力传感器、耐腐蚀加载钢丝夹具、加载钢丝，下加载单元包括加载重块、耐腐蚀纤维绳索、导向支架、导向滑轮、耐腐蚀直线导轨、摩擦衬垫，拉-扭疲劳系统包括角位移传感器、双轴电机、扭矩传感器、疲劳钢丝夹具、拉力传感器、电动缸。本发明专利技术可实现不同温度、腐蚀溶液PH值、多轴微动疲劳参数下千米深井提升钢丝绳的多轴微动腐蚀疲劳实验。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术专利涉及千米深井提升钢丝绳多轴微动腐蚀疲劳损伤监测装置及方法，用于研究不同的腐蚀溶液介质、温度环境和多轴微动疲劳参数下千米深井提升钢丝绳拉-扭多轴微动腐蚀疲劳损伤演化机制。
技术介绍
在我国，53％的已探明煤炭资源深埋在千米地层以下，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千米深部立井提升中，担负着提升煤炭、下放材料、升降人员和设备的任务。《煤矿安全规程》规定：摩擦式提升系统的提升钢丝绳使用时间不超过两年，在我国浅部矿井全部适用，甚至可以根据实际使用情况延期一年。然而，千米立井提升钢丝绳服役寿命平均不超过6个月，因而，探究千米立井提升钢丝绳失效机制，对提高千米立井提升系统安全可靠性、保障生命财产安全和国家煤炭能源供应，显得尤为重要和紧迫。在千米深部立井提升过程中，提升钢丝绳因循环提升和下放提升容器而反复地承受拉伸、弯曲和扭转载荷；同时，提升机的加速、匀速和减速特性和时变的悬垂钢丝绳长度导致立井提升系统的横向与纵向耦合振动特性，进而引起提升钢丝绳的动态载荷。因此，循环的拉伸、弯曲与扭转载荷以及横向-纵向耦合振动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；微动磨损与循环的拉伸、弯曲载荷、动载荷与扭转载荷的共同作用导致钢丝的多轴微动疲劳。千米深井提升具有大淋水(酸碱度pH值范围是6～9的腐蚀溶液)、大运距和高地温(平均地温增高率(地温梯度)为2～4℃/(100m)，采用通风降温将井底温度控制在30℃以内)的特点；提升钢丝绳循环地在井底和地面之间提升，使得提升钢丝绳的温度变化范围为-20℃～30℃。因此，多轴微动疲劳、腐蚀和温度的共同作用导致温度效应下钢丝的多轴微动腐蚀疲劳，进而引起钢丝多轴微动腐蚀疲劳磨损以及多轴微动腐蚀疲劳裂纹萌生、扩展和最终断裂，最终导致提升钢丝绳的提前报废。因此，提出一种千米深井提升钢丝绳多轴微动腐蚀疲劳损伤监测装置及方法，揭示温度效应下提升钢丝绳的多轴微动腐蚀疲劳损伤演化机制(微动腐蚀疲劳磨损演化和微动腐蚀疲劳裂纹扩展)，对探索超深立井提升钢丝绳服役寿命长短有重要的理论指导意义。有关微动疲劳方面的实验装置有：专利号为CN201510311531.7公开了一种接触载荷实时可调的微动疲劳试验方法及试验机，能够实现接触载荷实时变化的微动疲劳试验，用于研究接触载荷、振幅和频率对微动疲劳损伤机制的影响，但不能考虑扭转载荷、温度和腐蚀环境的影响；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，但不能考虑腐蚀和温度环境因素的影响；专利号CN201210062350.1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，能够实现人工控制的特定气氛和/或液体环境中材料的多向微动摩擦磨损行为研究，但不能考虑扭转载荷和温度因素的影响；专利号CN200910182122.6公开了一种钢丝微动疲劳试验机及方法，能够实现微动磨损和轴向疲劳应力共同作用下钢丝微动疲劳实验，但不能考虑扭转载荷、温度和腐蚀溶液环境因素的影响；专利号CN200810304928.3公开了一种叠加磨损载荷的轴向疲劳实验方法及装置，能实现刚性试件的轴向疲劳和横向磨损作用，但不适于柔性钢丝试样，同时不能考虑扭转载荷、温度和腐蚀溶液环境因素的影响。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术目的是解决现有设备和技术的不足，并提供了一种结构简单、功能齐全、操作方便的试验装置及方法，可以模拟淋水和不同温度环境中振动和冲击工况下千米深井提升钢丝绳拉-扭多轴微动腐蚀疲劳失效。为了实现上述目的，本专利技术采用了如下的技术方案：一种千米深井提升钢丝绳多轴微动腐蚀疲劳损伤监测装置，包括基架以及设置在基架上的微动系统、拉-扭疲劳系统和恒温腐蚀系统；所述恒温腐蚀系统包括耐腐蚀箱体、恒温控制系统、冷却系统、电化学腐蚀系统，耐腐蚀箱体内注入腐蚀溶液，恒温控制系统包括加热元件和温度控制柜，加热元件置于腐蚀溶液中并与温度控制柜相连，冷却系统包括水泵、水箱和冷却水管，水箱通过水泵与冷却水管相连，冷却水管缠绕于耐腐蚀箱体周围，电化学腐蚀系统包括腐蚀液添加漏斗、电化学工作站、电极支架和放液开关，耐腐蚀箱体设置可拆卸的腐蚀液添加漏斗，电极支架通过螺钉连接在耐腐蚀箱体上，电化学工作站的电极放置在电极支架上，放液开关设置在耐腐蚀箱体底部；所述微动系统包括上加载单元、下加载单元和疲劳钢丝，疲劳钢丝穿过耐腐蚀箱体两侧面的带孔密封圆柱A、带孔密封圆柱B，上加载单元包括配重块、耐腐蚀直线导轨A、耐腐蚀L型板A、二维力传感器、耐腐蚀加载钢丝夹具、加载钢丝，耐腐蚀直线导轨A设置在耐腐蚀箱体内的疲劳钢丝上方，耐腐蚀直线导轨A包括导轨条A、滑块A、滑块B，导轨条A通过耐腐蚀螺钉固定在耐腐蚀箱体内表面上，滑块A和滑块B设置在导轨条A上，耐腐蚀L型板A通过耐腐蚀螺钉连接耐腐蚀直线导轨A的滑块A和滑块B；配重块设置在耐腐蚀L型板A上，耐腐蚀L型板A与二维力传感器一端通过耐腐蚀螺钉连接，二维力传感器另一端与耐腐蚀加载钢丝夹具通过螺栓连接，加载钢丝固定在耐腐蚀加载钢丝夹具上，下加载单元包括加载重块A、耐腐蚀纤维绳索A、导向支架、导向滑轮A、导向滑轮B、加载重块B、耐腐蚀纤维绳索B、导向滑轮C、导向滑轮D、耐腐蚀直线导轨B、耐腐蚀L型板B、摩擦衬垫、吊环B、吊环A，耐腐蚀直线导轨B设置在耐腐蚀箱体内的疲劳钢丝下方，所述耐腐蚀直线导轨B包括导轨条B、滑块C，滑块D、导轨条B通过耐腐蚀螺钉固定在耐腐蚀箱体内表面上,滑块C和滑块D设置在导轨条B上，耐腐蚀L型板B通过耐腐蚀螺钉连接耐腐蚀直线导轨B的滑块C和滑块D，摩擦衬垫通过耐腐蚀螺钉连接耐腐蚀L型板B，并且摩擦衬垫上沿着疲劳钢丝轴向方向设有半圆形凹槽，耐腐蚀纤维绳索A一端连接加载重块A，耐腐蚀纤维绳索A另一端绕经导向支架上的导向滑轮A和导向滑轮B后与耐腐蚀L型板B一端的吊环A相连，所述耐腐蚀纤维绳索B一端连接加载重块B，耐腐蚀纤维绳索B另一端绕经导向支架上的导向滑轮C和导向滑轮D后与耐腐蚀L型板B另一端的吊环B相连；所述拉-扭疲劳系统包括角位移传感器、联轴器A、角位移传感器固定板、双轴电机、电机支座、联轴器B、轴A、轴承座A、扭矩传感器、轴B、轴承座B、疲劳钢丝夹具A、疲本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种千米深井提升钢丝绳多轴微动腐蚀疲劳损伤监测装置，包括基架以及设置在基架上的微动系统、拉‑扭疲劳系统和恒温腐蚀系统；所述恒温腐蚀系统包括耐腐蚀箱体(14)、恒温控制系统、冷却系统、电化学腐蚀系统，耐腐蚀箱体(14)内注入腐蚀溶液，恒温控制系统包括加热元件(15)和温度控制柜(16)，加热元件(15)置于腐蚀溶液中并与温度控制柜(16)相连，冷却系统包括水泵(34)、水箱(49)和冷却水管(33)，水箱(49)通过水泵(34)与冷却水管(33)相连，冷却水管(33)缠绕于耐腐蚀箱体(14)周围，电化学腐蚀系统包括腐蚀液添加漏斗(26)、电化学工作站(20)、电极支架(23)和放液开关(11)，耐腐蚀箱体(14)设置可拆卸的腐蚀液添加漏斗(26)，电极支架(23)通过螺钉连接在耐腐蚀箱体(14)上，电化学工作站(20)的电极放置在电极支架(23)上，放液开关(11)设置在耐腐蚀箱体(14)底部；所述微动系统包括上加载单元、下加载单元和疲劳钢丝(27)，疲劳钢丝(27)穿过耐腐蚀箱体(14)两侧面的带孔密封圆柱A(43)、带孔密封圆柱B(55)，上加载单元包括配重块(37)、耐腐蚀直线导轨A、耐腐蚀L型板A(38)、二维力传感器(40)、耐腐蚀加载钢丝夹具、加载钢丝(53)，耐腐蚀直线导轨A设置在耐腐蚀箱体内的疲劳钢丝(27)上方，耐腐蚀直线导轨A包括导轨条A(42)、滑块A(59)、滑块B(58)，导轨条A(42)通过耐腐蚀螺钉固定在耐腐蚀箱体(14)内表面上，滑块A(59)和滑块B(58)设置在导轨条A(42)上，耐腐蚀L型板A(38)通过耐腐蚀螺钉连接耐腐蚀直线导轨A的滑块A(59)和滑块B(58)；配重块(37)设置在耐腐蚀L型板A(38)上，耐腐蚀L型板A(38)与二维力传感器(40)一端通过耐腐蚀螺钉连接，二维力传感器(40)另一端与耐腐蚀加载钢丝夹具通过螺栓连接，加载钢丝(53)固定在耐腐蚀加载钢丝夹具上，下加载单元包括加载重块A(50)、耐腐蚀纤维绳索A(51)、导向支架(32)、导向滑轮A(25)、导向滑轮B(24)、加载重块B(46)、耐腐蚀纤维绳索B(39)、导向滑轮C(13)、导向滑轮D(12)、耐腐蚀直线导轨B、耐腐蚀L型板B(47)、摩擦衬垫(44)、吊环B(45)、吊环A(52)，耐腐蚀直线导轨B设置在耐腐蚀箱体内的疲劳钢丝(27)下方，所述耐腐蚀直线导轨B包括导轨条B(48)、滑块C(57)，滑块D(56)、导轨条B(48)通过耐腐蚀螺钉固定在耐腐蚀箱体(14)内表面上,滑块C(57)和滑块D(56)设置在导轨条B(48)上，耐腐蚀L型板B(47)通过耐腐蚀螺钉连接耐腐蚀直线导轨B的滑块C(57)和滑块D(56)，摩擦衬垫(44)通过耐腐蚀螺钉连接耐腐蚀L型板B(47)，并且摩擦衬垫(44)上沿着疲劳钢丝(27)轴向方向设有半圆形凹槽，耐腐蚀纤维绳索A(51)一端连接加载重块A(50)，耐腐蚀纤维绳索A(51)另一端绕经导向支架(32)上的导向滑轮A(25)和导向滑轮B(24)后与耐腐蚀L型板B(47)一端的吊环A(52)相连，所述耐腐蚀纤维绳索B(39)一端连接加载重块B(46)，耐腐蚀纤维绳索B(39)另一端绕经导向支架(32)上的导向滑轮C(13)和导向滑轮D(12)后与耐腐蚀L型板B(47)另一端的吊环B(45)相连；所述拉‑扭疲劳系统包括角位移传感器(1)、联轴器A(3)、角位移传感器固定板(2)、双轴电机(4)、电机支座(5)、联轴器B(6)、轴A(8)、轴承座A(7)、扭矩传感器(9)、轴B(10)、轴承座B(28)、疲劳钢丝夹具A、疲劳钢丝夹具B、连接螺杆(17)、拉力传感器(18)、电动缸(19)，角位移传感器(1)与双轴电机(4)一端通过联轴器A(3)连接，双轴电机(4)另一端与轴A(8)一端通过联轴器B(6)连接,轴A(8)穿过轴承座A(7)内的轴承，轴A(8)另一端与扭矩传感器(9)一端通过螺栓连接,扭矩传感器(9)另一端通过轴B(10)与疲劳钢丝夹具A相连，轴B(10)穿过轴承座B(28)中的轴承，疲劳钢丝夹具A包括疲劳钢丝夹具固定端A(30)和夹板A(31)，通过疲劳钢丝夹具A夹持疲劳钢丝(27)一端,电动缸(19)螺纹杆与拉力传感器(18)一端连接，拉力传感器(18)另一端通过连接螺杆(17)与疲劳钢丝夹具B连接，疲劳钢丝夹具B包括疲劳钢丝夹具固定端B(21)和夹板B(22)，通过疲劳钢丝夹具B夹持疲劳钢丝(27)另一端。...
【技术特征摘要】
1.一种千米深井提升钢丝绳多轴微动腐蚀疲劳损伤监测装置，包括基架以及设置
在基架上的微动系统、拉-扭疲劳系统和恒温腐蚀系统；
所述恒温腐蚀系统包括耐腐蚀箱体(14)、恒温控制系统、冷却系统、电化学腐蚀
系统，耐腐蚀箱体(14)内注入腐蚀溶液，恒温控制系统包括加热元件(15)和温度控
制柜(16)，加热元件(15)置于腐蚀溶液中并与温度控制柜(16)相连，冷却系统包
括水泵(34)、水箱(49)和冷却水管(33)，水箱(49)通过水泵(34)与冷却水管(33)
相连，冷却水管(33)缠绕于耐腐蚀箱体(14)周围，电化学腐蚀系统包括腐蚀液添加
漏斗(26)、电化学工作站(20)、电极支架(23)和放液开关(11)，耐腐蚀箱体(14)
设置可拆卸的腐蚀液添加漏斗(26)，电极支架(23)通过螺钉连接在耐腐蚀箱体(14)
上，电化学工作站(20)的电极放置在电极支架(23)上，放液开关(11)设置在耐腐蚀
箱体(14)底部；
所述微动系统包括上加载单元、下加载单元和疲劳钢丝(27)，疲劳钢丝(27)穿
过耐腐蚀箱体(14)两侧面的带孔密封圆柱A(43)、带孔密封圆柱B(55)，上加载单
元包括配重块(37)、耐腐蚀直线导轨A、耐腐蚀L型板A(38)、二维力传感器(40)、
耐腐蚀加载钢丝夹具、加载钢丝(53)，耐腐蚀直线导轨A设置在耐腐蚀箱体内的疲劳
钢丝(27)上方，耐腐蚀直线导轨A包括导轨条A(42)、滑块A(59)、滑块B(58)，
导轨条A(42)通过耐腐蚀螺钉固定在耐腐蚀箱体(14)内表面上，滑块A(59)和滑
块B(58)设置在导轨条A(42)上，耐腐蚀L型板A(38)通过耐腐蚀螺钉连接耐腐蚀
直线导轨A的滑块A(59)和滑块B(58)；配重块(37)设置在耐腐蚀L型板A(38)
上，耐腐蚀L型板A(38)与二维力传感器(40)一端通过耐腐蚀螺钉连接，二维力传
感器(40)另一端与耐腐蚀加载钢丝夹具通过螺栓连接，加载钢丝(53)固定在耐腐蚀
加载钢丝夹具上，下加载单元包括加载重块A(50)、耐腐蚀纤维绳索A(51)、导向支
架(32)、导向滑轮A(25)、导向滑轮B(24)、加载重块B(46)、耐腐蚀纤维绳索B(39)、
导向滑轮C(13)、导向滑轮D(12)、耐腐蚀直线导轨B、耐腐蚀L型板B(47)、摩擦
衬垫(44)、吊环B(45)、吊环A(52)，耐腐蚀直线导轨B设置在耐腐蚀箱体内的疲劳
钢丝(27)下方，所述耐腐蚀直线导轨B包括导轨条B(48)、滑块C(57)，滑块D(56)、
导轨条B(48)通过耐腐蚀螺钉固定在耐腐蚀箱体(14)内表面上,滑块C(57)和滑
块D(56)设置在导轨条B(48)上，耐腐蚀L型板B(47)通过耐腐蚀螺钉连接耐腐蚀
直线导轨B的滑块C(57)和滑块D(56)，摩擦衬垫(44)通过耐腐蚀螺钉连接耐腐蚀
L型板B(47)，并且摩擦衬垫(44)上沿着疲劳钢丝(27)轴向方向设有半圆形凹槽，
耐腐蚀纤维绳索A(51)一端连接加载重块A(50)，耐腐蚀纤维绳索A(51)另一端绕
经导向支架(32)上的导向滑轮A(25)和导向滑轮B(24)后与耐腐蚀L型板B(47)
\t一端的吊环A(52)相连，所述耐腐蚀纤维绳索B(39)一端连接加载重块B(46)，耐
腐蚀纤维绳索B(39)另一端绕经导向支架(32)上的导向滑轮C(13)和导向滑轮D
(12)后与耐腐蚀L型板B(47)另一端的吊环B(45)相连；
所述拉-扭疲劳系统包括角位移传感器(1)、联轴器A(3)、角位移传感器固定板(2)、
双轴电机(4)、电机支座(5)、联轴器B(6)、轴A(8)、轴承座A(7)、扭矩传感器(9)、
轴B(10)、轴承座B(28)、疲劳钢丝夹具A、疲劳钢丝夹具B、连接螺杆(17)、拉力
传感器(18)、电动缸(19)，角位移传感器(1)与双轴电机(4)一端通过联轴器A(3)
连接，双轴电机(4)另一端与轴A(8)一端通过联轴器B(6)连接,轴A(8)穿过轴
承座A(7)内的轴承，轴A(8)另一端与扭矩传感器(9)一端通过螺栓连接,扭矩传
感器(9)另一端通过轴B(10)与疲劳钢丝夹具A相连，轴B(10)穿过轴承座B(28)
中的轴承，疲劳钢丝夹具A包括疲劳钢丝夹具固定端A(30)和夹板A(31)，通过疲劳
钢丝夹具A夹持疲劳钢丝(27)一端,电动缸(19)螺纹杆与拉力传感器(18)一端连
接，拉力传感器(18)另一端通过连接螺杆(17)与疲劳钢丝夹具B连接，疲劳钢丝夹
具B包...
【专利技术属性】
技术研发人员：王大刚，王祥如，李晓五，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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