CN103411821A - 一种钢丝绳失效的实验研究方法 - Google Patents

Abstract

一种钢丝绳失效的实验研究方法是在钢丝试样周围环设钢丝绳磁性无损检测探头，非磁性楔形块固定于钢丝绳磁性无损检测探头内；与此相对应的钢丝绳磁性无损检测探头的内壁设置有横力器用以施加横向力；后在钢丝试样的两端头设有拉伸、弯曲和扭转应力的拉伸仪；其次向钢丝试样的轴向施加拉伸、弯曲和扭转的交变拉应力；施加载荷在20-40%，破载荷间以一定频率作周期变化，同时由横力器对钢丝施加以横向力，整个过程由磁性无损检测探头测量钢丝中磁场变化，直到钢丝试样断裂。本方法采用单丝试验法，并连续测量钢丝的损伤过程，减少了干扰，提高了实验的可靠性。

Description

一种钢丝绳失效的实验研究方法

技术领域

本发明涉及一种钢丝绳失效的研究方法，特别是一种基于模拟实际工程系统及其工作条件下用于研究钢丝绳失效的实验方法。

技术背景

钢丝绳、钢缆是用于起吊，牵引和保持张紧的重要工具。钢丝绳和钢缆在绝大多数情况下都是关键的承载构件，其承受拉伸、弯曲、扭转、接触应力，以及这些应力造成的疲劳和磨损。由于环境造成的腐蚀、人为操作不当造成的过载、机械损伤等也是钢丝绳和钢缆失效的重要原因和机理。特别是在煤矿，工作环境恶劣，而钢丝绳和钢缆更是连接地面与地下人员、设备和物料升降的纽带。自从钢丝绳于1834年在德国问世并使用以来 ，钢丝绳的状态监测，剩余强度和寿命的预测一直是钢丝绳研究、制造、使用极为关注的问题。钢丝绳的磨损断裂造成了大量的生命财产的巨大损失。

在现有技术中，还未能获得用于钢丝绳的损伤和失效、使用寿命影响因素的研究方法以及设备的文献报道，而大多是通过已发生断裂的钢丝绳进行分析来推断引起失效的原因，并非通过实验模拟钢丝绳在受力时的各种拉伸、弯曲、扭转、压缩等因素和状况而得出的准确结果。在研究方法上大多数是以整个钢丝绳为试样，在静止不受力的状态下对钢丝绳进行磁性探测研究含有很多影响因素，因而降低了研究钢丝绳失效的可靠性。

在现有技术中，公开号为CN102323144A公开了一种“钢丝绳拉伸夹具及其卧式钢丝绳拉伸试验机”，该试验机仅仅能够对钢丝绳进行破断拉伸，不能够对钢丝绳施加扭转、弯曲等工况条件，对研究钢丝绳的失效机理不够完善。还有公开号为CN2676181公开了一种“钢丝绳与滑轮试验疲劳装置”，该装置是研究钢丝绳和滑轮组合下的钢丝绳疲劳性能装置，不能够单独模拟钢丝绳的失效机理。

上述公开报道的现有技术，仅仅是对钢丝绳进行疲劳性能拉伸试验的装置，方法也是采用磁性探测的方法，因此，对钢丝绳的损伤和失效、使用寿命影响因素的探讨，未能有实质性的理论和技术突破。

发明内容

本发明在现有技术的基础上，模拟钢丝绳失效破载荷的实验研究，并提供一种钢丝绳失效的实验研究方法。

为了实现上述目的，本发明所提供的一种钢丝绳失效的实验研究方法，其所述方法如下：

首先在钢丝试样的周围环设钢丝绳磁性无损检测探头，非磁性楔形块固定安装于钢丝绳磁性无损检测探头的内壁中间位置，其端头成圆形并紧贴钢丝试样；与非磁性楔形块相对应的钢丝绳磁性无损检测探头的内壁中间位置设置有横力器用以施加横向力；然后在钢丝试样的两端头设置有向钢丝试样用以施加拉伸、弯曲和扭转应力的拉伸仪；

其次在钢丝试样的轴向施加拉伸、弯曲和扭转的交变拉应力；施加载荷在20-40%破断载荷，破载荷以一定频率作周期变化，同时由横力器对钢丝施加以横向力，整个过程由磁性无损检测探头测量钢丝中磁场的变化，直到钢丝试样断裂。

进一步的技术方案如下。

所述磁性无损检测探头是套筒式结构，与钢丝试样的直径比是10﹕1。

所述非磁性楔形块是由陶瓷或者是塑料绝缘材料构成。

所述横力器是由导向架支撑有内套筒套设有外套筒，外套筒内端面设有一凸起向钢丝试样施力，与外套筒相应的内套筒中设有弹簧。

所述方法的施力过程中向钢丝试样上滴加腐蚀介质为5%的氯化钠水溶液。

所述方法的施力过程中向钢丝试样进行电阻加热，加热温度为0—40℃。

所述施加载荷的变动频率为±5%。

所述钢丝的截面收缩率在0—10%。

实施本发明上述所提供的一种钢丝绳失效的实验研究方法，与现有技术相比，其优点与积极效果在于：本发明提出的实验研究方法采用了单丝试验法，并围绕该方法的实验研究过程设计了一套完整的钢丝绳模拟载荷过程，能够对钢丝试样施加拉伸、扭转、弯曲、横向挤压的应力，还可模拟腐蚀和温升的作用，减少了干扰，提高了实验的可靠性；磁性无损检测仪器安装于钢丝绳的外部，从而能够连续测量钢丝绳的损伤过程；除钢丝外，其它安装在无损检测仪器内部的部件均用非铁磁性材料制造，确保全部磁场信号来自钢丝试样；该方法还可以对钢丝试样电绝缘后，在受力的同时进行电阻加热，模拟实际使用中温度升高的现象，真正实现了钢丝绳载荷受力模拟实验研究的可靠性和真实性，为研究确定各种钢丝绳载荷受力时限提供了理论依据。

附图说明

图1是实验方法原理图。

图2是钢丝绳磁性无损检测图。

图3是横力器实验结构示意图。

图4磁性法钢丝绳损伤监测和状态判断图。

图中：1：钢丝试样；2：非磁性楔形块；3：钢丝绳磁性无损检测探头；4：横力器；5：导向架。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施作出进一步的说明。

如附图1中：①是钢丝试样，如1-5mm的高碳钢拉拔钢丝，表面镀锌或光面，在钢丝试样上施加拉伸、弯曲、扭转应力。②是用非磁性材料如奥氏体不锈钢制作的楔形块，其顶部加工成圆形，与被研究钢丝绳直径相仿，模拟与①钢丝试样接触的另外一根钢丝。楔形顶块②选用非磁性材料以保证磁信号全部来自钢丝①。图1左侧所示钢丝应力模拟装置将安装在一台钢丝绳磁性无损检测设备的探头③内。检测设备的探头③为可开启的圆筒形，其直径由选择的无损检测仪而定。 

在钢丝绳中尤其是多层股不旋转钢丝绳和多层丝交互捻制而成的单股绳中，钢丝承受着除拉伸、弯曲和扭转之外的上下两层钢丝对其的横向压力，为模拟这一受力情况，本发明第二种实验装置增加了横向力装置部件④和导向架⑤，与应力模拟装置均安装与③的内部，相对位置关系如附图2。通过弹簧或其它机械结构对钢丝①施加横向压应力。

装置具体构成关系为：钢丝绳磁性无损检测仪以IntroMH20-40为例，钢丝绳磁性无损检测的探头③直径40mm，非磁性材料制作的楔形顶块②长度为15—19mm，楔形块固定安装于检测仪内部的大致中间位置，顶部加工成圆形，模拟与试样相邻的钢丝；横向力加载装置固定安装于相对楔形顶块的另一侧同样高度的位置，由弹簧及机械部件组成，用于模拟其他钢丝向试样施加横向力，其长度约为20mm（弹簧压缩）。

本发明试验研究具体实施为：

进行试验时，首先用拉伸仪对钢丝①首先施加轴向即纵向交变拉应力，给钢丝试样①施加的载荷在20-40%破载荷间以一定频率作周期变化，同时由横向力装置④对钢丝施加恒定的横向压应力，整个过程用装有磁性无损检测仪的探头③测量钢丝中磁场的变化，直到钢丝试样断裂。本装置中，还可以用滴管在钢丝和部件②、④间添加腐蚀介质如5%氯化钠水溶液，模拟钢丝绳遭受的腐蚀作用。

附图2中与钢丝①接触的部件②和④还可以选择用电绝缘材料（如陶瓷和高分子复合材料）制作，这样在进行磁信号测量的同时，可以进行电阻或阻抗测量，以获得钢丝状态的更多信息。比如裂纹形成后造成截面减少，钢丝的电阻值增加。部件②和④如果用奥氏体不锈钢制造，还可在其表面涂覆陶瓷涂层，达到电绝缘目的。

本发明是通过试验金属横截面积的减少和加载的拉应力、横向应力的关系来研究钢丝绳的失效过程，具体为拉伸仪对钢丝试样施加载荷在20-40%的交变拉应力（或扭转应力），载荷变动频率为±5%，来研究得出钢丝的截面收缩率在规定范围内（0—10%）和加载参数的关系。

本发明还可以根据随着金属横截面积减小，电阻增大这一原理，给钢丝施以电信号，研究不同受力条件下电流信号的变化，得出钢丝截面变化和加载力的关系。

即在保证试样代表性的前提下，简化试样，同时通过独特的设计增加实验条件的代表性，研究，还原，分析；进而得出钢丝绳的失效机理。

Claims (8)

1.一种钢丝绳失效的实验研究方法，其所述实验研究方法如下：

首先在钢丝试样（1）的周围环设有钢丝绳磁性无损检测探头（3），非磁性楔形块（2）固定安装于钢丝绳磁性无损检测探头（3）的内壁中间位置，其端头成圆形并紧贴钢丝试样（1）；与非磁性楔形块（2）相对应的钢丝绳磁性无损检测探头（3）的内壁中间位置设置有横力器（4）用以施加横向力；然后在钢丝试样（1）的两端头设置有向钢丝试样（1）施加拉伸、弯曲和扭转应力的拉伸仪；

其次在钢丝试样（1）的轴向施加拉伸、弯曲和扭转的交变拉应力；施加载荷在20-40%，破载荷间以一定频率作周期变化，同时由横力器（4）对钢丝施加以横向力，整个过程由磁性无损检测探头（3）测量钢丝中磁场的变化，直到钢丝试样（1）断裂。

2.如权利要求1所述的钢丝绳失效的实验研究方法，其所述磁性无损检测探头（3）是套筒式结构，与钢丝试样（1）的直径比是10﹕1。

3.如权利要求1所述的钢丝绳失效的实验研究方法，其所述非磁性楔形块（2）是由陶瓷或者是塑料绝缘材料构成。

4.如权利要求1所述的钢丝绳失效的实验研究方法，其所述横力器（4）是由导向架（5）支撑有内套筒套设有外套筒，外套筒端面设有一凸起向钢丝试样（1）施力，与外套筒相应的内套筒中设有弹簧。

5.如权利要求1所述的钢丝绳失效的实验研究方法，其所述方法的施力过程中向钢丝试样（1）上滴加腐蚀介质为5%的氯化钠水溶液。

6.如权利要求1所述的钢丝绳失效的实验研究方法，其所述方法的施力过程中向钢丝试样（1）进行电阻加热，加热温度为0—40℃。

7.如权利要求1所述的钢丝绳失效的实验研究方法，其所述施加载荷的变动频率为±5%。

8.如权利要求1所述的钢丝绳失效的实验研究方法，其所述钢丝的截面收缩率在0—10%。

Images