CN102353590A - 一种监测钢丝微动疲劳状态的试验方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种监测钢丝微动疲劳状态的试验方法及装置，装置主要由底座、支撑立柱、顶梁、液压升降台和水平加载装置构成。将穿过水平加载装置的试验钢丝两端分别固定并拉伸至设定初始载荷；移动水平加载装置使其中的加载钢丝压紧试验钢丝，控制液压升降台上下运动对试验钢丝施加交变载荷，试验钢丝发生微动疲劳，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，声发射传感器设在顶梁的上夹持块上；直至试验钢丝因微动疲劳断裂时停止试验。本发明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，为研究钢丝的微动区域、微动区裂纹萌生与断裂机理及其对微动疲劳寿命的影响提供了有效依据。其结构简单，操作简便，效果好。

Description

一种监测钢丝微动疲劳状态的试验方法及装置

技术领域

本发明涉及一种试验方法及装置，尤其是一种适用于动态监测钢丝微动疲劳状态的试验方法及装置。

背景技术

钢丝绳具有良好的弯曲柔韧性和承载能力，因而被广泛用作运输机械的牵引缆绳、矿山机械的提升缆绳、乘人索道的支撑缆绳、斜拉桥的承载钢索等，钢丝绳的承载强度和服役寿命对于这些应用装备的安全运行都非常重要。在这些装备的运行过程中，钢丝绳要经受反复的拉伸和弯曲以及动态载荷，使钢丝绳内部各股之间、股内钢丝之间经受不同微动振幅的微动磨损，而且还要承受交变应力。较小的微动振幅往往会引起钢丝微动接触区的裂纹萌生、扩展与断裂，形成微动疲劳，加剧钢丝绳的疲劳破坏。因此，提供一种能够动态监测钢丝微动疲劳状态的试验方法及装置，来探讨微动疲劳实验过程中钢丝间的微动磨损机理、钢丝的微动运行区域特性、微动区裂纹的萌生与断裂机理及其对钢丝微动疲劳寿命的影响，对因钢丝微动疲劳引起的钢丝绳疲劳强度降低和早期断裂进行预测，对提高钢丝绳的使用寿命有着重要意义。

目前用于微动疲劳的试验方法及装置有：专利号为200810304928.3公开的一种对大直径轴类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，可对同时承受磨损载荷和疲劳载荷的试样疲劳断裂原因和寿命预测有帮助，但该实验装置适用于轴类试件；专利号为200910182122.6和200920233073.X公开的一种钢丝微动疲劳试验机，只能考察不同微动疲劳参数对钢丝微动疲劳寿命的影响，不能研究钢丝的微动疲劳失效机理，在实验过程中，钢丝间的接触载荷因微动磨损而变化；专利号为201020135448.1公开的一种可调微动疲劳试验机通过两个压头模拟构件实际承受微动情况，进行两个压头空间错位的块状试件微动疲劳损伤试验，但该实验装置只适用于块状试件。但是，对于实验过程中能保证钢丝间接触载荷恒定、能实时监测钢丝间切向力、钢丝声发射行为和位移幅值等微动疲劳状态并能考察微动疲劳参数对钢丝微动疲劳寿命影响的钢丝微动疲劳试验方法及装置还没有。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对已有技术中存在的问题，提供一种结构简单、方法简便、易操作的监测钢丝微动疲劳状态的试验方法及装置。

技术方案：本发明的监测钢丝微动疲劳状态的试验方法，包括如下步骤：

a.将试验钢丝穿过L形连接架和凹形水平支座的圆孔，并将试验钢丝的两端分别固定在上夹持块和下夹持块上，启动液压升降台将试验钢丝向下拉伸至试验设定初始载荷；

b.移动凹形水平支座使固定在加载块上的右加载钢丝接触到试验钢丝，调整螺钉使加载块与内螺纹连接杆紧固在一起，将装有砝码的砝码托盘与砝码牵引绳连接，慢慢松开砝码托盘，通过砝码牵引绳将砝码荷重传递给L形连接架，带动梯形滑块在导向支座形成的梯形槽中滑动，使梯形滑块上的左加载钢丝与试验钢丝接触，同时压紧设在加载块上的右加载钢丝，将声发射传感器置于上夹块的下端面上；

c.控制带有位移传感器的液压升降台上下运动，对试验钢丝施加交变载荷，使试验钢丝在设定的交变应力范围内伸缩变化，让试验钢丝与设于加载块上的右加载钢丝之间产生微米级的相对错动，此时接触钢丝间产生微动磨损并产生正负交替的切向力，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；

d.实时记录试验钢丝的位移幅值、交变载荷、切向力和声发射信号，直至试验钢丝因微动疲劳而断裂时停止试验。

本发明的监测钢丝微动疲劳状态的试验装置，包括底座、对称设置在底座上的支撑立柱，支撑立柱上设有顶梁，底座的中部设有带有位移传感器的液压升降台，顶梁上设有拉压传感器，在所述的支撑立柱上设有水平加载装置，与水平加载装置相对上方的拉压传感器上设有上夹持块，上夹持块的下端面设有声发射装置，与水平加载装置相对下方的液压升降台上设有下夹持块；所述的水平加载装置包括分别套装在支撑立柱上的外夹块和内夹块，两个内夹块相对一侧分别设有凹槽，凹槽内设有两端可在其内滑动的凹形水平支座，凹形水平支座内前后两侧分别设有导向支座，导向支座内设有可在其内滑动的梯形滑块，梯形滑块的端面上固定有左加载钢丝，梯形滑块相对面间隔设有加载块，加载块上设有与左加载钢丝相对的右加载钢丝，加载块经凸台连接销固定在π形支架上，π形支架固定在对称设在凹形水平支座上的L形支架上，对称设置的L形支架的上部穿套有连接销，加载块的中部穿套有内螺纹连接杆，内螺纹连接杆上方设有与其相配合的螺钉，下方设有轮辐式拉压传感器；梯形滑块的顶部设有L形连接架，L形连接架的上端面设有穿过试验钢丝的圆孔，尾端固定有砝码牵引绳，砝码牵引绳绕经连接销连接装有砝码的砝码托盘，凹形水平支座的中部设有与L形连接架圆孔相对应的圆孔；所述的凹形水平支座在两个内夹块凹槽内移动的间隙为2～6cm。

有益效果：由于采用了上述技术方案，采用砝码加载的形式拉动梯形滑块对钢丝间施加接触载荷，保证在实验过程中钢丝间的接触载荷不会因钢丝间的微动磨损而变化，与现有技术相比，能够实时动态记录实验过程中接触钢丝间的切向力变化和试验钢丝的声发射信号，对研究微动疲劳实验过程中钢丝间的微动磨损特性、微动运行区域特性、裂纹萌生和断裂机理及其对微动疲劳寿命的影响研究提供了有效的实验设备及有效依据；同时可以考察接触载荷、微动振幅、应力幅、应力比和频率等微动疲劳参数对试验钢丝微动疲劳寿命的影响，这对研究钢丝因微动疲劳而断裂提供了有效的实验装备。其结构简单，操作简便，功能齐全，效果好，在本技术领域内具有广泛的实用性。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的水平加载和切向力测量装置结构示意图。

图3是图2的A－A视图。

图中：1－上夹持块，2－声发射传感器，3－外夹块，4－内夹块，5－支撑立柱，6－底座，7－液压升降台，8－下夹持块，9－试验钢丝，10－拉压传感器，11－顶梁，12－砝码，13－砝码托盘，14－轮辐式拉压传感器，15－内螺纹连接杆，16－凹形水平支座，17－L形连接架，18－压片，19－螺钉，20－砝码牵引绳，21－连接销，22－螺钉，23－π形支架，24－凸台连接销，25－螺钉，26－右加载钢丝，27－左加载钢丝，28－导向支座，29－梯形滑块，30－螺钉，31－加载块，32－螺钉，33－L形支架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

本发明的监测钢丝微动疲劳状态的试验方法：首先将试验钢丝9一端固定在上夹持块1上，调整凹形水平支座16，使试验钢丝9竖直分别穿过L形连接架17和凹形水平支座16的圆孔，试验钢丝9的下端固定在下夹持块8上，然后，通过计算机控制电液伺服液压系统启动液压升降台7将试验钢丝9向下拉伸，使试验钢丝9逐渐被拉直，当试验钢丝9承受的拉力达到设定初始载荷时，停止液压升降台7作业。调整凹形水平支座16，使置于加载块31中的右加载钢丝26接触试验钢丝9但不加载，拧紧螺钉19使加载块31与内螺纹连接杆15紧固在一起，防止实验过程中因加载块31和内螺纹连接杆15间存在间隙而导致的接触钢丝间切向力无法传递以及加载块31绕凸台连接销24摆动，将装有砝码12的砝码托盘13与砝码牵引绳20连接，慢慢松开砝码托盘，通过砝码牵引绳20将砝码12的荷重传递给L形连接架17，带动梯形滑块29在导向支座28形成的梯形槽中滑动，使梯形滑块29上的左加载钢丝27与试验钢丝9接触，然后压紧设在加载块31上的右加载钢丝26直至预定的接触载荷，将面涂有耦合剂的声发射传感器2置于上夹块1的下端面上；通过计算机控制电液伺服液压系统使带有位移传感器的液压升降台7上下运动，对试验钢丝9施加交变载荷，使试验钢丝9在设定的交变应力范围内伸缩变化，让试验钢丝9与设于加载块31上的右加载钢丝26之间产生微米级的相对错动位移（微动振幅），此时接触钢丝间产生微动磨损并产生正负交替的切向力，切向力通过设在加载块31上的内螺纹连接杆15传递给轮辐式拉压传感器14；实时记录试验钢丝9的位移幅值、交变载荷、切向力和声发射信号，直至试验钢丝9因微动疲劳而断裂时停止试验。

在实验过程中，施加的砝码12及砝码托盘13的总重量是钢丝间的接触载荷；底座6记录了试验钢丝9的交变位移幅值，交变位移幅值的比例缩小可得到钢丝间的微动振幅；轮辐式拉压传感器14记录接触钢丝间的切向力变化；声发射传感器2记录试验钢丝9的声发射信号。由于凹形水平支座16在内夹块4的凹槽中可沿水平方向自由滑动，易使试验钢丝9与凹形水平支座16的圆孔对中，防止了试验钢丝9的弯曲；在钢丝间切向力传递过程中，凸台连接销24与加载块31一侧开有中间直线段、两端半圆弧过渡的通孔之间在竖直方向可发生微小窜动，固连在一起的内螺纹螺杆15相应地对轮辐式拉压传感器14施加拉、压应变，实现了轮辐式拉压传感器14对切向力的记录；通过计算机软件控制液压伺服系统进油的流量速率和流量大小，改变试验频率、应力幅和应变比。

本发明的监测钢丝微动疲劳状态的试验装置，主要由底座6、支撑立柱5、顶梁11和水平加载装置构成，支撑立柱5对称设置在底座6上，顶梁11设在支撑立柱5上，底座6的中部设有带有位移传感器的液压升降台7，顶梁11下端设有拉压传感器10，在所述的支撑立柱5上设有水平加载装置，与水平加载装置相对上方的拉压传感器10上设有上夹持块1，上夹持块1的下端面设有涂有耦合剂的声发射装置2，与水平加载装置相对下方的液压升降台7上设有下夹持块8；所述的水平加载装置包括分别套装在支撑立柱5上的外夹块3和内夹块4，两个内夹块4相对一侧分别设有梯形凹槽，凹槽内设有两端可在其内移动的凹形水平支座16，凹形水平支座12两端均加工有梯形滑块状，中间为一水平底板，凹形水平支座16在两个内夹块4凹槽内移动的间隙为2～6cm。凹形水平支座16内前后两侧分别设有导向支座28，导向支座28的梯形槽内设有可在其内滑动的梯形滑块29，梯形滑块29相对试验钢丝9一侧的端面铣有半圆形凹槽，在凹槽末端打有圆孔，左加载钢丝27置于凹槽中，由两圆孔中穿入并被螺钉30固定住；梯形滑块29相对面间隔设有加载块31，加载块31上设有与左加载钢丝27相对的右加载钢丝26，加载块31相对试验钢丝9一侧的端面铣有半圆形凹槽，在凹槽末端打有圆孔，右加载钢丝26置于凹槽中，由两圆孔中穿入并用螺钉25固定住，加载块31另一端打有中间直线段、两端圆弧段的通孔，加载块31经凸台连接销24固定在打有通孔的π形支架23上，π形支架23由螺钉32固定在对称布置的L形支架33上，用螺钉22固定于凹形水平支座16上对称设置的L形支架33在上部打有通孔并穿套有连接销21，加载块31的中部平行于试验钢丝方向打有中间直线段、两端圆弧段的通孔并穿套有螺钉19，螺钉19将加载块31与内螺纹连接杆15固连在一起，内螺纹杆15下方与轮辐式拉压传感器14连接；梯形滑块29的顶部设有L形连接架17，L形连接架17的上端面设有穿过试验钢丝9的圆孔，尾端通过压片18固定有砝码牵引绳20，砝码牵引绳20绕经连接销21连接装有砝码12的砝码托盘13，凹形水平支座16的中部设有与L形连接架17圆孔相对应的圆孔。

Claims (3)

1.一种监测钢丝微动疲劳状态的试验方法，其特征在于包括如下步骤：

a.将试验钢丝（9）穿过L形连接架（17）和凹形水平支座(16)的圆孔，并将试验钢丝（9）的两端分别固定在上夹持块（1）和下夹持块（8）上，启动液压升降台（7）将试验钢丝（9）向下拉伸至试验设定初始载荷；

b.移动凹形水平支座（16）使固定在加载块（31）上的右加载钢丝（26）接触到试验钢丝（9），调整螺钉（19）使加载块（31）与内螺纹连接杆（15）紧固在一起，将装有砝码（12）的砝码托盘（13）与砝码牵引绳（20）连接，慢慢松开砝码托盘，通过砝码牵引绳（20）将砝码荷重传递给L形连接架（17），带动梯形滑块（29）在导向支座（28）形成的梯形槽中滑动，使梯形滑块（29）上的左加载钢丝（27）与试验钢丝（9）接触，同时压紧设在加载块（31）上的右加载钢丝（26），将声发射传感器（2）置于上夹块（1）的下端面上；

c.控制带有位移传感器的液压升降台（7）上下运动，对试验钢丝（9）施加交变载荷，使试验钢丝（9）在设定的交变应力范围内伸缩变化，让试验钢丝（9）与设于加载块（31）上的右加载钢丝（26）之间产生微米级的相对错动，此时接触钢丝间产生微动磨损并产生正负交替的切向力，切向力通过设在加载块（31）上的内螺纹连接杆（15）传递给轮辐式拉压传感器（14）；

d.实时记录试验钢丝（9）的位移幅值、交变载荷、切向力和声发射信号，直至试验钢丝（9）因微动疲劳而断裂时停止试验。

2.一种实现权利要求1所述方法的监测钢丝微动疲劳状态的试验装置，包括底座（6）、对称设置在底座（6）上的支撑立柱（5），支撑立柱（5）上设有顶梁（11），底座（6）的中部设有带有位移传感器的液压升降台（7），顶梁（11）上设有拉压传感器（10），其特征在于：在所述的支撑立柱（5）上设有水平加载装置，与水平加载装置相对上方的拉压传感器（10）上设有上夹持块（1），上夹持块（1）的下端面设有声发射装置（2），与水平加载装置相对下方的液压升降台（7）上设有下夹持块（8）；所述的水平加载装置包括分别套装在支撑立柱（5）上的外夹块（3）和内夹块（4），两个内夹块（4）相对一侧分别设有凹槽，凹槽内设有两端可在其内滑动的凹形水平支座（16），凹形水平支座（16）内前后两侧分别设有导向支座（28），导向支座（28）内设有可在其内滑动的梯形滑块（29），梯形滑块（29）的端面上固定有左加载钢丝（27），梯形滑块（29）相对面间隔设有加载块（31），加载块（31）上设有与左加载钢丝（27）相对的右加载钢丝（26），加载块（31）经凸台连接销（24）固定在π形支架（23）上，π形支架（23）固定在对称设在凹形水平支座（16）上的L形支架（33）上，对称设置的L形支架（33）的上部穿套有连接销（21），加载块（31）的中部穿套有内螺纹连接杆（15），内螺纹连接杆（15）上方设有与其相配合的螺钉（19），下方设有轮辐式拉压传感器（14）；梯形滑块（29）的顶部设有L形连接架（17），L形连接架（17）的上端面设有穿过试验钢丝（9）的圆孔，尾端固定有砝码牵引绳（20），砝码牵引绳（20）绕经连接销（21）连接装有砝码（12）的砝码托盘（13），凹形水平支座（16）的中部设有与L形连接架（17）圆孔相对应的圆孔。

3.根据权利要求2所述的监测钢丝微动疲劳状态的试验装置，其特征在于：所述的凹形水平支座（16）在两个内夹块（4）凹槽内移动的间隙为2～6cm。

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