CN111208022A - 一种横置钢丝绳径向冲击下张力振动检测分析方法及装置 - Google Patents

一种横置钢丝绳径向冲击下张力振动检测分析方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种横置钢丝绳径向冲击下张力振动检测分析方法及装置，由固定立桩、钢丝绳连接件、加载系统、冲击系统、测量系统组成，钢丝绳的两端绳头通过钢丝绳连接件固定在左右两侧的固定立桩上，设置在左侧固定立桩上的加载系统施力拉紧钢丝绳，设置在钢丝绳旁侧的冲击系统对钢丝绳进行冲击，钢丝绳上设置测量系统进行张力振动检测分析。本发明提供一种横置钢丝绳径向冲击下张力振动检测分析方法及装置，可以实现检测及分析钢丝绳受不同形式的径向单次冲击响应，并用来检测及分析研究钢丝绳冲击张力及振动在绳弦上的波动状态和传递形式。

Description

一种横置钢丝绳径向冲击下张力振动检测分析方法及装置
技术领域
本发明属于张力振动检测分析技术领域，具体涉及一种横置钢丝绳径向冲击下张力振动检测分析方法及装置。
背景技术
钢丝绳因其柔韧的弯曲性能、高强的抗拉伸断裂能力等优点，在矿业、军事、交通、桥梁等诸多工程领域具有十分广泛的应用，在工程处不可避免的出现极端条件，诸如钢丝绳提升系统中，导向系统的缺陷将使提升容器对连接钢丝绳产生径向激励；在绳索类公路护栏发生交通事故时，车辆对护栏钢丝绳的直接碰撞，冲击时速可达到100km/h；在航母舰载机阻拦索工况中，阻拦钢丝绳拦截机体瞬时速度可达200km/h以上。这些应用工况中钢丝绳将承受苛刻的径向冲击，钢丝绳作为典型高弹性构件必将产生张力冲击及绳体振动，并沿绳弦内以纵波和横波的形式传导，张力的波动直接关系到钢丝绳所提升、固定或拦截的其他构件的稳定性和安全性。因此，研制一种检测及分析钢丝绳冲击工况下动态张力及振动的方法及装置，开展钢丝绳在受到径向外源冲击后的动力学响应分析研究，对于探寻钢丝绳张力及振动在绳弦上的波动状态和传递形式，进一步提高钢丝绳结构件在苛刻冲击应用工况中的运行稳定及可靠性具有重要意义。
目前对于钢丝绳冲击振动试验机已开展了相关研究，专利号为CN201710551454.1公布了一种钢丝绳横向空间振动测量的方法，通过高速摄像机采集钢丝绳振动图像后经计算机处理得到钢丝绳形心振动轨迹，可实现非接触的测量方式和可调的大检测量程，但无法体现出绳内振动及张力的波动传递。专利号为CN201510562399.7公布了一种钢丝绳横向振动信号测量装置、方法及横向振动监测方法，采用光幕式激光位移传感器的感应光幕原理获得振动位移信号，实现了钢丝绳全面横向振动的精确测量，但其对于光学信号的使用环境，即封闭性、稳定性使用要求较高。专利号为CN201410271323.4一种摩擦衬垫-提升钢丝绳动态摩擦传动试验装置及方法，整机模拟了摩擦式提升机的运转形式，其中激振机构和钢丝绳和状态监测机构可实现提升容器的横纵向激振及其张力、振动监测。该装置模拟提升机正常运行，但其无对钢丝绳绳体本身的典型冲击进行研究。
现有钢丝绳冲击张力振动装置或方法存在的问题主要有：(1)对钢丝绳动态性能的检测方法集中于绳体静止单点横向振动的监测，即静态分析，而实际的冲击过程中，冲击振动是以绳弦波的形式沿绳弦动态传递的，因此单点振动检测无法获知切实有效的绳弦波动数据；(2)所述的钢丝绳振动分析较为单一，而本专利针对的冲击往往形成较强的振动源，张力及振动的传导特性显著，而独立的光学信号处理只得到单点振动位移信号，无法全方位监测振动钢丝绳的冲击传导性能。(3)所述的应用工况多为正常的稳态运行过程，而在本技术领域，所针对的工况为瞬态冲击，特征为瞬时性、强烈性，与稳态运行工况的钢丝绳差别较大。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种横置钢丝绳径向冲击下张力振动检测分析方法及装置，可以实现检测及分析钢丝绳受不同形式的径向单次冲击响应，并用来检测及分析研究钢丝绳冲击张力及振动在绳弦上的波动状态和传递形式。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
横置式钢丝绳径向冲击试验装置主要由固定立桩、钢丝绳连接件、加载系统、冲击系统、测量系统组成。
固定立桩分为左右两个，分别用于固定钢丝绳两端，立桩间距视实验钢丝绳长度而定，但需为钢丝绳连接机构及拉力传感器等留有安装空间，应保证立桩间距大于钢丝绳长度1.5m左右，立桩应与地面固定牢靠，满足钢丝绳预紧力及受冲击时立桩不变形、不晃动；
钢丝绳连接件为两只钢丝绳专用楔形块，分别与钢丝绳两端绳头相连，楔形块可保证钢丝绳越拉越紧，避免冲击过程的绳头松动；
加载系统包括电机、带自锁功能的蜗轮蜗杆减速器、梯形丝杠、推力球轴承，控制电机旋转带动蜗杆，蜗杆带动涡轮旋转，涡轮与丝杠螺纹连接，使丝杠轴向运动拉紧试验钢丝绳，其中蜗轮通过推力球轴承被左侧立桩支撑旋转，待测试系统显示钢丝绳拉力达到预定值，电机停转，一方面梯形丝杠带有一定自锁能力，另一方面蜗轮蜗杆自锁，即蜗轮不可逆向带动蜗杆旋转，即钢丝绳轴向负载的保持分担到丝杆和蜗轮蜗杆的齿间摩擦力，而不会传递到驱动电机而造成过载损毁，蜗轮蜗杆自锁的条件需满足：蜗轮副摩擦系数不低于0.06，螺旋角(导程角)<3度29分11秒；
冲击系统包括经改造的线圈式射钉枪作为冲击枪(去除射钉机构，保留击打头)，其基本原理为电磁感应原理，即线圈通电产生瞬时磁场力激发金属击打头向外射出，可通过旋钮控制击打力度，设计力度经加速度传感器标定获得冲击力度为100N-200N，为避免金属击打头直接冲击钢丝绳导致表面钢丝损伤，在钢丝绳表面固定高分子材料——摩擦衬垫进行缓冲防护。冲击枪安装在支座上保证每次冲击的作用点及作用方向一致，并可通过调整支座位置实现不同位置钢丝绳冲击；
测试系统包括两端拉力传感器及三个三向加速度传感器以及采集分析系统，每个拉力传感器两侧分别通过螺纹配合与吊环连接，吊环通过圆柱销与立桩和楔形块相连，两侧拉力传感器分别测量绳两端的张力变化。三个三向加速度传感器通过螺钉连接固连在试验钢丝绳的左端、右端及中点位置，为保证连接可靠性，三向加速度传感器与钢丝绳直接垫有摩擦衬垫，三向加速度传感器测量冲击横波到达该测点的时刻。高速摄像机置于钢丝绳一侧，摄像帧率1000fps以上，用以拍摄冲击过程钢丝绳的振动，后期通过视频分析获得钢丝绳振动位移波形。
有益效果：本发明的横置式钢丝绳径向冲击下张力及振动检测分析方法及装置，采用冲击枪模拟钢丝绳受冲击形式，瞬时特性强，速度快，部分大功率射钉枪的击打头出射速度可达100km/h以上，可满足试验工况要求，去除射钉后，击打头带有阻隔，不会射出枪体，操作安全、简便；采用了自锁功能的丝杠和蜗轮蜗杆，实现了快速加载和预紧力保持；采用了拉力传感器、多点加速度传感器以及高速摄像的综合方法测试钢丝绳冲击动态响应，实现了钢丝绳受冲击后的张力及振动信号传导过程的实时精确检测和分析。
附图说明
图1为本发明专利结构图；
图2为本发明专利的高速摄像拍摄实体图；
图3、4为本发明专利的实施效果图。
图中，1、电机.2、蜗杆.3、涡轮.4、推力轴承.5、左端立桩.6、梯形丝杠.7、左端拉力传感器.8、左端三向加速度传感器.9、缓冲衬垫.10、冲击枪.11、支座.12、高速摄像机.13、中点三向加速度传感器.14、钢丝绳.15、固定衬垫.16、右端三向加速度传感器.17、钢丝绳楔形连接块×2 18、右端拉力传感器.19、外螺纹吊环×4. 20、销×4. 21、右端立桩.
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种横置式钢丝绳径向冲击振动检测装置，由固定立桩、钢丝绳连接件、加载系统、冲击系统、测量系统组成。左侧固定立桩5和右侧固定立桩21用于支撑整个钢丝绳机构，试验钢丝绳14两端绳头分别穿入钢丝绳专用楔形块17，左右楔形块通过圆柱销20及外螺纹吊环19分别连接拉力传感器7、18，右侧拉力传感器通过另一套圆柱销外螺纹吊环与固定立桩21连接，左侧拉力传感器通过另一套圆柱销外螺纹吊环与梯形丝杠6连接，所有吊环均形成铰链，拉力传感器用以测量钢丝绳左右两端的张力。梯形丝杠穿过左侧立桩5通孔形成间隙配合，梯形丝杠6与带有内螺纹孔的蜗轮3形成螺纹配合，蜗轮3通过推力球轴承4与固定立桩5构成旋转副，蜗轮3与蜗杆2配合并由电机1驱动。标定好的冲击枪10固定在支座11上，并使击打方向垂直向下，支座固定于地面且可调换位置以击打钢丝绳的不同位置，试验钢丝绳14的冲击位置处固定有缓冲衬垫9以保护表面钢丝。三向加速度传感器8、13及16分别通过固定衬垫15固定在钢丝绳左端、中点及右端用以测量振动波到达的时间点及振动状态，高速摄像机12固定于钢丝绳一侧用来测量钢丝绳某点振动位移。
在实验中，首先调节支座11及冲击枪10的水平及垂直位置，使击打头位于钢丝绳待冲击点处，击打头下端刚好贴于缓冲衬垫上表面，开启采集系统实时采集记录各传感器数值；然后通过控制电机1驱动蜗轮蜗杆2、3旋转，带动梯形丝杠向左位移拉紧钢丝绳14，待拉力传感器7和18的张力达到预定张力后停机，丝杠及蜗轮蜗杆自锁保持钢丝绳张力，开启高速摄像机12录像，通过手动拨动冲击枪触发开关，击打头触发瞬间冲击钢丝绳，钢丝绳将持续10-20s左右振颤；最后，待拉力及加速度传感器采集数值平稳后，停止本次数据采集，并保存数据进行分析。
实施例
技术指标如下：
试样：钢丝绳，直径6-12mm，长度5-10m
钢丝绳预张力：0-5t，可调；
冲击力：100-200N，可调；
张力分析范围：0-10t；
振幅分析范围：0-±30mm。
本专利中分析案例内容为钢丝绳中点位置的径向冲击。高速摄像拍摄钢丝绳视频截图如图2(中点位置)，所拍摄视频通过轨迹跟踪可获得所拍摄点的振动位移，如图3，可以看出，冲击后钢丝绳振动为非均匀的振荡衰减振动，周期包含小幅波动。将拉力传感器采集的钢丝绳张力信号及加速度传感器采集的加速度信号绘制如图4，从不同的传感器采集到的波动信号时间差可获得钢丝绳受冲击后的张力及振动波传导特征：即冲击后，中点加速度传感器首先接收到波动(图中中点振动)，继而冲击激发的纵波(振动方向沿钢丝绳轴向)以1600km/s速度向两侧传递，被拉力传感器首先捕获(2ms)，经18ms左右加速度传感器采集到显著波动，由于左右两端为固定端，因此为冲击激发的横波(振动方向垂直于钢丝绳轴线)到达并反射，即入射及反射交叠产生的波动，18ms时，两侧拉力传感器也采集到扰动，即横波到达时激发的纵向扰动力。44ms后中点加速度传感器又采集到显著波动，此为左右两端发射横波的交叠。
通过获得的钢丝绳径向冲击后的张力振动传导变化规律表明，本发明装置及监测分析方法的实施效果切实有效，具有较高的应用价值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种横置钢丝绳径向冲击下张力振动检测分析装置，其特征在于：由固定立桩、钢丝绳连接件、加载系统、冲击系统、测量系统组成，钢丝绳的两端绳头通过钢丝绳连接件固定在左右两侧的固定立桩上，设置在左侧固定立桩上的加载系统施力拉紧钢丝绳，设置在钢丝绳旁侧的冲击系统对钢丝绳进行冲击，钢丝绳上及旁侧设置测量系统进行张力振动检测分析；
所述加载系统包括自锁的蜗轮蜗杆减速器、梯形丝杠，所述梯形丝杠穿过左侧固定立桩上的通孔与之形成间隙配合，梯形丝杠外端配合连接蜗轮蜗杆减速器，蜗轮蜗杆减速器的蜗轮通过推力球轴承与左侧固定立桩构成旋转副；所述蜗轮蜗杆减速器由电机驱动，带动梯形丝杠轴向转动，拉紧固定在其上的钢丝绳左端；
所述冲击系统为冲击枪，击打方向垂直向下；
所述测量系统包括两端拉力传感器、三个三向加速度传感器以及采集分析系统：
每个拉力传感器固连在钢丝绳连接件与固定立桩之间，测量钢丝绳两端的张力变化；
三个三向加速度传感器固连在钢丝绳的左端、右端及中点位置，测量冲击横波到达该测点的时刻；
采集分析系统为高速摄像机，置于钢丝绳一侧，测量钢丝绳某点振动位移。
2.根据权利要求1所述的横置钢丝绳径向冲击下张力振动检测分析装置，其特征在于：所述固定立桩包括相向设置左侧固定立桩和右侧固定立桩，间距大于钢丝绳长度1.5m，固定立桩与地面固定牢靠。
3.根据权利要求1所述的横置钢丝绳径向冲击下张力振动检测分析装置，其特征在于：所述钢丝绳连接件为两只钢丝绳楔形连接块，钢丝绳两端绳头分别穿过两只钢丝绳楔形连接块与两侧固定立桩固连；其中，钢丝绳楔形连接块的外端通过圆柱销外螺纹吊环连接拉力传感器的一端，拉力传感器的另一端通过圆柱销外螺纹吊环连接右侧固定立桩或左侧固定立桩上的梯形丝杠，所有吊环均形成铰链。
4.根据权利要求1所述的横置钢丝绳径向冲击下张力振动检测分析装置，其特征在于：所述加载系统包括电机、蜗轮蜗杆减速器、梯形丝杠、推力球轴承，控制电机旋转带动蜗杆，蜗杆带动涡轮旋转，涡轮与梯形丝杠螺纹连接，使梯形丝杠轴向运动拉紧钢丝绳，其中蜗轮通过推力球轴承被左侧立桩支撑旋转，待测试系统显示钢丝绳拉力达到预定值，电机停转。
5.根据权利要求4所述的横置钢丝绳径向冲击下张力振动检测分析装置，其特征在于：电机停转后，所述梯形丝杠、蜗轮蜗杆自锁，蜗轮不可逆向带动蜗杆旋转；蜗轮蜗杆自锁的条件满足：蜗轮副摩擦系数不低于0.06，螺旋角<3度29分11秒。
6.根据权利要求1所述的横置钢丝绳径向冲击下张力振动检测分析装置，其特征在于：所述冲击系统采用线圈式射钉枪作为冲击枪，去除射钉机构，保留击打头，击打方向垂直向下，冲击力度为100N-200N；冲击枪固定在支座上，支座固定于地面且可调换位置以击打钢丝绳的不同位置，钢丝绳的冲击位置处固定有缓冲衬垫。
7.根据权利要求1所述的横置钢丝绳径向冲击下张力振动检测分析装置，其特征在于：所述高速摄像机的摄像帧率在1000fps以上。
8.根据权利要求1至7任一所述的横置钢丝绳径向冲击下张力振动检测分析装置的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)首先调节冲击系统的水平及垂直位置，使击打头位于钢丝绳待冲击点处，开启采集分析系统实时采集记录各传感器数值；
2)然后通过控制电机驱动蜗轮蜗杆减速器旋转，带动梯形丝杠向左位移拉紧钢丝绳，待拉力传感器的张力达到预定张力后停机，丝杠及蜗轮蜗杆自锁保持钢丝绳张力，开启高速摄像机录像，通过手动拨动冲击系统触发开关，击打头触发瞬间冲击钢丝绳，钢丝绳将持续10-20s左右振颤；
3)最后，待拉力及加速度传感器采集数值平稳后，停止本次数据采集，并保存数据进行分析。
9.根据权利要求8所述的横置钢丝绳径向冲击下张力振动检测分析装置的工作方法，其特征在于：技术指标如下：
钢丝绳：直径6-12mm，长度5-10m；
钢丝绳预张力：0-5t；
冲击力：100-200N；
张力分析范围：0-10t；
振幅分析范围：0-±30mm。
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