CN111141514B - 一种钢丝绳与衬垫多向振动下的摩擦损失实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及矿山机械设备领域，尤其涉及一种钢丝绳与衬垫多向振动下的摩擦损失实验装置及方法，包括底座、固定在底座上部的机架以及固定在机架上的摩擦机构；摩擦机构上缠绕有钢丝绳；摩擦机构与钢丝绳接触的表面设置有摩擦衬垫；钢丝绳一端固定连接有配重机构；钢丝绳另一端连接有用于使钢丝绳另一端产生三维振动的激振机构；机架上设置有用于测量钢丝绳与摩擦衬垫间极限摩擦力的测量机构；激振机构与测量机构通过控制系统控制，本发明可以实现不同钢丝绳振动下的摩擦力测量，分析不同振幅、方向、位置以及不同预紧力下的绳‑衬极限摩擦力损失程度。

Description

一种钢丝绳与衬垫多向振动下的摩擦损失实验装置及方法

技术领域

本发明涉及矿山机械设备领域，尤其涉及一种钢丝绳与衬垫多向振动下的摩擦损失实验装置及方法。

背景技术

多绳摩擦式提升机以其提升能力大，安全系数高，消耗功率低，机器尺寸小，造价便宜等显著优点，被越来越多地用于深井及超深矿井的矿井提升中。摩擦提升依靠钢丝绳与衬垫的摩擦力来传递作用力，摩擦衬垫与钢丝绳构成对偶摩擦副，二者之间摩擦系数的高低直接影响着提升机的提升能力、工作效率和安全性等，相对滑移对摩的两摩擦配副，单一构件的振动对摩擦副具有确定的摩擦力减弱效应，且减摩效应的大小与配副构件的振动幅值、频率及方向等均有相关关系。钢丝绳在动态运行过程中，由于时变的绳长、井筒风阻、罐道平度误差、罐耳圆度误差等，不可避免的对提升系统产生各个方向振动激励，特别是当开采深度不断加深，钢丝绳悬垂长度不断加长，将会加剧钢丝绳的横、纵向以及耦合振动，振动随着钢丝绳向上传递至摩擦轮，对围包角内钢丝绳与衬垫的摩擦接触界面产生激励，影响钢丝绳与衬垫的有效摩擦接触。因此，探索钢丝绳多向振动下与衬垫的摩擦损失机理，对保证现代矿井的安全高效生产、提高设备质量可靠度具有重要意义。

目前对于钢丝绳与衬垫的摩擦试验机已开展了相关研究，中国专利(CN104568738A)公布了一种无级变速滑动摩擦试验机及试验方法，采用无接头钢丝绳与衬垫无级变速滑动摩擦试验机构，只实现了可加速、长时间摩擦；

中国专利(CN105910982B)公布了一种基于弧面法测量提升机摩擦衬垫摩擦系数的方法，中国专利(CN103940733B)公布了一种提升机摩擦衬垫的微滑移试验平台，以上两种只实现了围包角局部的钢丝绳与衬垫滑移摩擦力测试，与实际的整周围包角传动存在差异，且考虑的动态荷只是钢丝绳纵向张力的动态载荷，而未考虑对摩擦传动具有更显著影响的横向振动；

中国专利(CN104122198B)公布了一种摩擦衬垫-提升钢丝绳动态摩擦传动试验装置及方法，其只实现了钢丝绳各向振动的测量，其纵向激振不可以调整，且无法测出振动对极限摩擦力的实际影响。

现有技术存在的问题主要有：(1)无法准确测量静摩擦到滑动摩擦的分界特性和围包角极限摩擦力；(2)为模拟实际工况的平稳状态，未涉及振动状态的钢丝绳以及进一步与衬垫的振动-摩擦参数研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种钢丝绳与衬垫多向振动下的摩擦损失实验装置及方法，以解决上述问题，可以实现不同钢丝绳振动下的摩擦力测量，分析不同振幅、方向、位置以及不同预紧力下的绳-衬极限摩擦力损失程度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种钢丝绳与衬垫多向振动下的摩擦损失实验装置，包括底座、固定在所述底座上部的机架以及固定在所述机架上的摩擦机构；所述摩擦机构上缠绕有钢丝绳；所述摩擦机构与所述钢丝绳接触的表面设置有摩擦衬垫；所述钢丝绳一端固定连接有配重机构；所述钢丝绳另一端连接有用于使所述钢丝绳另一端产生三维振动的激振机构；所述机架上设置有用于测量所述钢丝绳与摩擦衬垫间极限摩擦力的测量机构；所述激振机构与所述测量机构通过控制系统控制；

所述激振机构包括竖直设置在所述机架内部的两个第一导轨、套接在所述第一导轨外部的导套、固定套接所述导套外侧的上支撑板、固定套接所述导套外侧且位于所述上支撑板下方的下支撑板、一端固定在所述机架下部使所述钢丝绳产生轴向振动的纵向激振机构及固定设置在所述上支撑板和所述下支撑板上表面使所述钢丝绳产生径向振动的两个曲柄滑块机构；

所述钢丝绳与纵向激振机构另一端连接，所述上支撑板、下支撑板上开设有使钢丝绳穿过的过孔；

所述上支撑板上的曲柄滑块机构与所述下支撑板上的曲柄滑块机构平面投影相互垂直。

优选的，所述机架上部固定有上平台，所述机架下部固定有下平台，所述上平台上设有使所述钢丝绳两端穿过的两个通孔，纵向激振机构固定在所述下平台上表面。

优选的，所述配重机构包括配重及用于调节所述配重重量的销轴，所述配重与所述钢丝绳一端固定连接。

优选的，所述测量机构包括复位杆、与所述复位杆一端铰接的指针杆、一端与所述指针杆铰接的压力传感器、与所述压力传感器另一端固定连接的测量液压缸；

所述测量液压缸固定在所述上平台上表面，所述复位杆另一端与所述摩擦机构连接，所述指针杆与所述压力传感器铰接处且与所述压力传感器固定连接有带角度指示的刻度盘。

优选的，所述摩擦机构包括主轴、固定所述主轴的两个轴承座、通过滑动轴承与所述主轴转动连接的摩擦轮及套接在所述主轴外侧且处于所述轴承座和所述摩擦轮之间的单向转动机构；

所述轴承座固定在所述上平台上表面，所述摩擦轮沿圆周开设有安装槽，所述安装槽内固定安装摩擦衬垫，所述主轴通过两个滚动轴承转动连接在所述轴承座内。

优选的，所述纵向激振机构为高频伺服液压缸。

优选的，所述曲柄滑块机构包括固定在所述上支撑板、下支撑板上的电机、与所述电机输出轴固定连接的偏心轮、一端转动连接在所述偏心轮非轴心处的连杆、与所述连杆另一端转动连接的滑块、与所述滑块配合滑动的第二导轨及转动连接在所述滑块另一面且防止所述钢丝绳脱落的两个滑轮；

所述第二导轨焊接在所述上支撑板、下支撑板上表面。

优选的，所述单向转动机构包括设置在所述摩擦轮轴部内侧的棘轮、与所述主轴固定连接的棘爪固定盘、转动连接且沿圆周均匀设置在所述棘爪固定盘上的多个棘爪；

所述棘爪固定盘与所述主轴通过花键固定连接，所述复位杆通过所述花键与所述主轴固定连接在所述棘爪固定盘外侧。

一种钢丝绳与衬垫多向振动下的摩擦损失实验装置的实验方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，调节所述配重机构达到预定重量；

步骤2，调节所述纵向激振机构拉紧所述钢丝绳，将所述配重机构稍提起然后保持平衡；

步骤3，调整两个所述曲柄滑块机构；

步骤3.1，调整所述曲柄滑块机构达到预定激振频率；

步骤3.2，调整所述曲柄滑块机构达到预定激振振幅；

步骤3.3，通过控制系统使所述纵向激振机构达到预定纵向激振频率和振幅；

步骤4，通过控制系统控制所述测量机构推动所述摩擦机构运动，当推力达到一定值时，所述摩擦机构与钢丝绳发生滑移，通过所述测量机构得到的数据计算钢丝绳与摩擦机构之间的极限摩擦力；

步骤5，实验结束后将所述测量机构复位，进行下一次实验测量。

优选的，所述预定激振频率为0-50Hz，所述配重重量为500-2000kg，所述预定激振振幅为0.5-2mm。

所述控制系统结构与工作原理均为现有技术，且并非本发明的发明要点，在此不做赘述。

本发明具有如下技术效果：

本发明的钢丝绳与衬垫的多向振动试验装置及方法，充分考虑了钢丝绳在动态运行过程中的振动影响，通过两套曲柄滑块机构实现了对钢丝绳的横向激振，通过液压缸实现纵向波动力激振，振动方式全面且参数调节简便；通过固定钢丝绳而推动摩擦轮旋转的方式实现极限摩擦力的测量，并通过测量瞬间打滑后的推杆切线角度实现了绳轮间极限摩擦力矩的精确测量，配合不同的激振方式，该装置可直接实现钢丝绳振动对绳轮间摩擦力的影响程度测量，可更换不同的衬垫材料、绳槽形状尺寸以及钢丝绳型号参数，有助于在摩擦式提升系统设计制造过程中优选抵抗振动且保持稳定摩擦的衬垫和钢丝绳参数，以提高摩擦传动的可靠稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的主视结构示意图；

图2为图1中I的局部放大结构示意图；

图3为图1中C-C的剖视结构示意图；

图4为图3中Ⅲ的局部放大结构示意图；

图5为图1中A-A的剖视结构示意图；

图6为图5中Ⅱ的局部放大结构示意图；

图7为图6的仰视结构示意图；

图8为复位杆结构示意图；

图9为配重机构的结构示意图；

图10为配重块结构示意图。

其中，1为摩擦轮，2为复位杆，3为指针杆，4为刻度盘，5为压力传感器，6为钢丝绳，7为测量液压缸，8为上平台，9为上支撑板，10为下支撑板，11为高频伺服液压缸，12为下平台，13为底座，14为配重，1401为销孔，1402为配重块，15为销轴，16为导套，17为第一导轨，18为轴承座，19为主轴，20为花键，21为棘轮，22为棘爪固定盘，23为棘爪，24为摩擦衬垫，25为滑动轴承，26为滚动轴承，27为电机，28为偏心轮，29为连杆，30为第二导轨，31为滑块，32为滑轮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-8所示，本实施例提供一种钢丝绳与衬垫多向振动下的摩擦损失实验装置，包括底座13、固定在底座13上部的机架以及固定在机架上的摩擦机构；摩擦机构上缠绕有钢丝绳6；摩擦机构与钢丝绳6接触的表面设置有摩擦衬垫24；钢丝绳6一端固定连接有配重机构；钢丝绳6另一端连接有用于使钢丝绳6另一端产生三维振动的激振机构；机架上设置有用于测量钢丝绳6与摩擦衬垫24间极限摩擦力的测量机构；激振机构与测量机构通过控制系统控制；

激振机构包括竖直设置在机架内部的两个第一导轨17、套接在第一导轨17外部的导套16、固定套接导套16外侧的上支撑板9、固定套接导套16外侧且位于上支撑板9下方的下支撑板10、一端固定在机架下部使钢丝绳6产生轴向振动的纵向激振机构及固定设置在上支撑板9和下支撑板10上表面使钢丝绳6产生径向振动的两个曲柄滑块机构；

钢丝绳6与纵向激振机构另一端连接，上支撑板9、下支撑板10上开设有使钢丝绳6穿过的过孔；

上支撑板9上的曲柄滑块机构与下支撑板10上的曲柄滑块机构平面投影相互垂直，上支撑板9与下支撑板10下方固定在举升液压缸上，用于调整曲柄滑块机构的不同高度。激振机构给钢丝绳6提供三个方向的激振，进而分析不同振幅、方向、位置以及不同预紧力下的绳-衬极限摩擦力损失程度。

进一步优化方案，机架上部固定有上平台8，机架下部固定有下平台12，上平台8上设有使钢丝绳6两端穿过的两个通孔，纵向激振机构固定在下平台12上表面。通过平台上的开孔使钢丝绳6与激振机构和配重机构连接。

进一步优化方案，配重机构包括配重14及用于调节配重14重量的销轴15，配重14与钢丝绳6一端固定连接。配重14外部设置壳体，壳体上设置有使销轴15穿过的销孔1401，壳体内部设置有重量相同的配重块1402，各配重块从销轴15穿过处分割，通过调节销轴15插入位置可调节配重14的重量，以适用不同的实验情况需求。

进一步优化方案，测量机构包括复位杆2、与复位杆2一端铰接的指针杆3、一端与指针杆3铰接的压力传感器5、与压力传感器5另一端固定连接的测量液压缸7，控制系统控制测量液压缸7增加压力；

测量液压缸7固定在上平台8上表面，复位杆2另一端与摩擦机构连接，指针杆3与压力传感器5铰接处且与压力传感器5固定连接有带角度指示的刻度盘4，通过刻度盘4显示棘轮21、棘爪23接触固定后复位杆2的角度。

进一步优化方案，摩擦机构包括主轴19、固定主轴19的两个轴承座18、通过滑动轴承25与主轴19转动连接的摩擦轮1及套接在主轴19外侧且处于轴承座18和摩擦轮1之间的单向转动机构；

轴承座18固定在上平台8上表面，摩擦轮1沿圆周开设有安装槽，安装槽内固定安装摩擦衬垫24，主轴19通过两个滚动轴承26转动连接在轴承座18内。

进一步优化方案，纵向激振机构为高频伺服液压缸11，控制系统控制高频伺服液压缸11进行激振和伸缩。

进一步优化方案，曲柄滑块机构包括固定在上支撑板9、下支撑板10上的电机27、与电机27输出轴固定连接的偏心轮28、一端转动连接在偏心轮28非轴心处的连杆29、与连杆29另一端转动连接的滑块31、与滑块31配合滑动的第二导轨30及转动连接在滑块31另一面且防止钢丝绳6脱落的两个滑轮32，控制系统控制电机27转动速度；

第二导轨30焊接在上支撑板9、下支撑板10上表面。通过电机27驱动连杆29，连杆29带动滑块31沿第二导轨30左右移动，从而实现对钢丝绳6的横向激振。

进一步优化方案，单向转动机构包括设置在摩擦轮1轴部内侧的棘轮21、与主轴19固定连接的棘爪固定盘22、转动连接且沿圆周均匀设置在棘爪固定盘22上的多个棘爪23；

棘爪固定盘22与主轴19通过花键20固定连接，复位杆2通过花键20与主轴19固定连接在棘爪固定盘22外侧。通过棘轮21、棘爪23的配合，当测量机构驱动复位杆2时摩擦轮1只能沿逆时针方向转动，实验结束后，可以保证复位杆2的复位。

一种钢丝绳与衬垫多向振动下的摩擦损失实验装置的实验方法，包括如下步骤：

步骤1，调节配重机构达到预定重量；

步骤2，调节纵向激振机构拉紧钢丝绳6，将配重机构稍提起然后保持平衡；

步骤3，调整两个曲柄滑块机构；

步骤3.1，调整曲柄滑块机构达到预定激振频率；

步骤3.2，调整曲柄滑块机构达到预定激振振幅；

步骤3.3，通过控制系统使纵向激振机构达到预定纵向激振频率和振幅；

步骤4，通过控制系统控制测量机构推动摩擦机构运动，当推力达到一定值时，摩擦机构与钢丝绳6发生滑移，通过测量机构得到的数据计算钢丝绳6与摩擦机构之间的极限摩擦力；

步骤5，实验结束后将测量机构复位，进行下一次实验测量。

进一步优化方案，激振频率为0Hz，配重14重量为500kg。

实验操作方式：

步骤1，调节配重机构的销轴15位置达到预定配重；

步骤2，调节纵向激振机构的高频伺服液压缸11拉紧钢丝绳6，将配重14稍提起然后保持平衡；

步骤3，调整两个曲柄滑块机构；

步骤3.1，调整曲柄滑块机构的电机27转速达到预定激振频率；

步骤3.2，调整曲柄滑块机构的偏心轮28与连杆29连接点偏心距达到预定激振振幅；

步骤3.3，通过控制系统调整纵向激振机构的高频伺服液压缸11达到预定纵向激振频率和振幅；

步骤4，通过控制系统控制测量机构的测量液压缸7向上推动，当推力达到一定值时，摩擦机构的摩擦轮1与钢丝绳6发生滑移，此时读取刻度盘4角度，配合压力传感器5的推力数据计算得到钢丝绳6与摩擦机构上的摩擦轮衬垫24之间的极限摩擦力(其计算方式均为本领域常规计算方式，在此不再赘述)；

步骤5，实验结束后顺时针转动测量机构的复位杆2使复位杆恢复水平位置，进行下一次实验测量。

实施例二：

本实施例的实验装置与实施例一的区别仅在于，预定激振频率为25Hz，配重14重量为1000kg，预定激振振幅为0.5mm。

实施例三：

本实施例的实验装置与实施例二的区别仅在于，预定激振频率为50Hz，配重14重量为2000kg，预定激振振幅为2mm。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种钢丝绳与衬垫多向振动下的摩擦损失实验装置，其特征在于：包括底座(13)、固定在所述底座(13)上部的机架以及固定在所述机架上的摩擦机构；所述摩擦机构上缠绕有钢丝绳(6)；所述摩擦机构与所述钢丝绳(6)接触的表面设置有摩擦衬垫(24)；所述钢丝绳(6)一端固定连接有配重机构；所述钢丝绳(6)另一端连接有用于使所述钢丝绳(6)另一端产生三维振动的激振机构；所述机架上设置有用于测量所述钢丝绳(6)与摩擦衬垫(24)间极限摩擦力的测量机构；所述激振机构与所述测量机构通过控制系统控制；

所述激振机构包括竖直设置在所述机架内部的两个第一导轨(17)、套接在所述第一导轨(17)外部的导套(16)、固定套接所述导套(16)外侧的上支撑板(9)、固定套接所述导套(16)外侧且位于所述上支撑板(9)下方的下支撑板(10)、一端固定在所述机架下部使所述钢丝绳(6)产生轴向振动的纵向激振机构及固定设置在所述上支撑板(9)和所述下支撑板(10)上表面使所述钢丝绳(6)产生径向振动的两个曲柄滑块机构；

所述钢丝绳(6)与纵向激振机构另一端连接，所述上支撑板(9)、下支撑板(10)上开设有使钢丝绳(6)穿过的过孔；

所述上支撑板(9)上的曲柄滑块机构与所述下支撑板(10)上的曲柄滑块机构平面投影相互垂直；

所述机架上部固定有上平台(8)，所述机架下部固定有下平台(12)，所述上平台(8)上设有使所述钢丝绳(6)两端穿过的两个通孔，纵向激振机构固定在所述下平台(12)上表面；

所述摩擦机构包括主轴(19)、固定所述主轴(19)的两个轴承座(18)、通过滑动轴承(25)与所述主轴(19)转动连接的摩擦轮(1)及套接在所述主轴(19)外侧且处于所述轴承座(18)和所述摩擦轮(1)之间的单向转动机构。

2.根据权利要求1所述的一种钢丝绳与衬垫多向振动下的摩擦损失实验装置，其特征在于：所述配重机构包括配重(14)及用于调节所述配重(14)重量的销轴(15)，所述配重(14)与所述钢丝绳(6)一端固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种钢丝绳与衬垫多向振动下的摩擦损失实验装置，其特征在于：所述测量机构包括复位杆(2)、与所述复位杆(2)一端铰接的指针杆(3)、一端与所述指针杆(3)铰接的压力传感器(5)、与所述压力传感器(5)另一端固定连接的测量液压缸(7)；

所述测量液压缸(7)固定在所述上平台(8)上表面，所述复位杆(2)另一端与所述摩擦机构连接，所述指针杆(3)与所述压力传感器(5)铰接处且与所述压力传感器(5)固定连接有带角度指示的刻度盘(4)。

4.根据权利要求1所述的一种钢丝绳与衬垫多向振动下的摩擦损失实验装置，其特征在于：所述轴承座(18)固定在所述上平台(8)上表面，所述摩擦轮(1)沿圆周开设有安装槽，所述安装槽内固定安装摩擦衬垫(24)，所述主轴(19)通过两个滚动轴承(26)转动连接在所述轴承座(18)内。

5.根据权利要求1所述的一种钢丝绳与衬垫多向振动下的摩擦损失实验装置，其特征在于：所述纵向激振机构为高频伺服液压缸(11)。

6.根据权利要求1所述的一种钢丝绳与衬垫多向振动下的摩擦损失实验装置，其特征在于：所述曲柄滑块机构包括固定在所述上支撑板(9)、下支撑板(10)上的电机(27)、与所述电机(27)输出轴固定连接的偏心轮(28)、一端转动连接在所述偏心轮(28)非轴心处的连杆(29)、与所述连杆(29)另一端转动连接的滑块(31)、与所述滑块(31)配合滑动的第二导轨(30)及转动连接在所述滑块(31)另一面且防止所述钢丝绳(6)脱落的两个滑轮(32)；

所述第二导轨(30)焊接在所述上支撑板(9)、下支撑板(10)上表面。

7.根据权利要求3所述的一种钢丝绳与衬垫多向振动下的摩擦损失实验装置，其特征在于：所述单向转动机构包括设置在所述摩擦轮(1)轴部内侧的棘轮(21)、与所述主轴(19)固定连接的棘爪固定盘(22)、转动连接且沿圆周均匀设置在所述棘爪固定盘(22)上的多个棘爪(23)；

所述棘爪固定盘(22)与所述主轴(19)通过花键(20)固定连接，所述复位杆(2)通过所述花键(20)与所述主轴(19)固定连接在所述棘爪固定盘(22)外侧。

8.应用权利要求1所述的钢丝绳与衬垫多向振动下的摩擦损失实验装置的实验方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，调节所述配重机构达到预定重量；

步骤2，调节所述纵向激振机构拉紧所述钢丝绳(6)，将所述配重机构稍提起然后保持平衡；

步骤3，调整两个所述曲柄滑块机构；

步骤3.1，调整所述曲柄滑块机构达到预定激振频率；

步骤3.2，调整所述曲柄滑块机构达到预定激振振幅；

步骤3.3，通过控制系统使所述纵向激振机构达到预定纵向激振频率和振幅；

步骤4，通过控制系统控制所述测量机构推动所述摩擦机构运动，当推力达到一定值时，所述摩擦机构与钢丝绳(6)发生滑移，通过所述测量机构得到的数据计算钢丝绳(6)与摩擦机构之间的极限摩擦力；

步骤5，实验结束后将所述测量机构复位，进行下一次实验测量。

9.根据权利要求8所述的钢丝绳与衬垫多向振动下的摩擦损失实验装置的实验方法，其特征在于：所述预定激振频率为0-50Hz，所述配重(14)重量为500-2000kg，所述预定激振振幅为0.5-2mm。

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