CN111238970A - 一种落锤式钢丝绳冲击破坏试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种落锤式钢丝绳冲击破坏试验装置及方法，由固定立桩、钢丝绳连接件、预紧系统、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预紧系统施力拉紧钢丝绳，设置在钢丝绳中点处的冲击系统由上而下对钢丝绳进行冲击，钢丝绳上及旁侧设置测量系统进行张力振动检测分析。本发明可以实现钢丝绳受不同预紧力下的绳体表面落锤横向冲击工况，并检测及分析钢丝绳的张力振动等动态响应以及钢丝绳的损伤机制。

Description

一种落锤式钢丝绳冲击破坏试验装置及方法
技术领域
本发明属于钢丝绳冲击破坏检测技术领域，具体涉及一种落锤式钢丝绳冲击破坏试验装置及方法，可以实现钢丝绳预张紧后的径向落锤外部冲击，用来研究钢丝绳受冲击后动态响应及破坏机制。
背景技术
钢丝绳由高强度柔韧钢丝捻制而成，具备优良的拉伸弯曲性能，在提吊、运输等诸多工程作业领域内应用广泛，而由于其典型的柔韧性和高强度特性，在特殊的工程防护领域也有重要的应用，如道路护栏、军舰阻拦索等，钢丝绳负责拦截运动构件并使其减速停车，将设备动能吸收为自身弹性势能从而避免设备与其他物体产生高速碰撞损害。在其工作过程中，钢丝绳将承受巨大的横向碰撞冲击，在绳索类高速公路护栏发生交通事故时，车辆对护栏钢丝绳的直接碰撞，冲击时速在60-120km/h左右；而在航母舰载机阻拦索工况中，阻拦钢丝绳拦截机体的瞬时速度可达200km/h以上。钢丝绳的拦截性能包括被拦截体的破坏程度、减速时间、停车位移以及钢丝绳本身的受力和破坏状态，相关参数不仅与冲击体的速度、质量、形状以及碰撞位置等有关系，还与钢丝绳本身的预紧状态、冲击次数以及属性参数有关，特别是对舰载机阻拦索的使用状态，要求一定的耐冲击次数和苛刻的拦截可靠性性，而冲击次数的极限直接与钢丝绳内部的破坏程度相关。因此，研制一种钢丝绳冲击破坏试验方法及装置，开展钢丝绳预紧后落锤冲击的动态响应及破坏机制实验研究，对于探寻钢丝绳预紧状态、属性参数以及冲击体速度、质量等与钢丝绳拦截性能和损伤机理的作用关系，进一步提高钢丝绳的冲击耐受性和拦截可靠性具有重要意义。
目前对于钢丝绳冲击破坏的研究较少，相近的有，专利号为CN201410728399.5公布了一种用于千米深井缠绕提升钢丝绳冲击摩擦试验系统，该装置实现了两个旋转轮绳的接触碰撞，用于研究绳与绳表面冲击碰撞损伤机制，但该装置主要模拟缠绕式提升机摩擦轮绳槽内的绳与绳的摩擦，与苛刻的防护钢丝绳所受外部剧烈冲击明显不同；专利号为CN201820173515.5公布了一种生产工程用高效钢丝绳冲击切断设备，该装置实现了钢丝绳的快速冲击切断，且保证了切面的光滑，但该装置应用工况为切断，未涉及钢丝绳的拦截性能；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，但该装置为钢丝绳缠绕运动，钢丝绳同样未受到横向剧烈冲击。现有钢丝绳冲击张力振动装置或方法存在的问题主要为：针对拦截用钢丝绳的苛刻冲击应用工况未见体现，所述的应用工况均未涉及钢丝绳的拦截性能检测和冲击破坏分析。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种落锤式钢丝绳冲击破坏试验装置及方法，可以实现钢丝绳受不同预紧力下的绳体表面落锤横向冲击工况，并检测及分析钢丝绳的张力振动等动态响应以及钢丝绳的损伤机制。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
落锤式钢丝绳冲击破坏试验装置主要由固定立桩、钢丝绳连接件、预紧系统、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，保证立桩间距大于试验钢丝绳长度1.5m左右，为拉力传感器等留有安装空间，立桩应与地面固定牢靠，满足钢丝绳预紧力及弹射过程立桩不变形、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。
预紧系统包括电机、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，蜗杆带动蜗轮旋转，蜗轮与丝杠螺纹连接，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，使钢丝绳预紧张力的保持分担到丝杠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)小于3°29′11″。
冲击系统包括导轨、落锤、触发器、电动葫芦以及绳索、挂钩等连接件，采用两根圆钢垂直树立在实验钢丝绳中点位置的两侧，并用钢板使导轨的两端焊接，底部固定在地面，由于导轨较高，采用四根细钢丝从导轨顶部分别向前后左右四个方向拉紧，并固定在地面上，保证导轨稳定可靠。落锤采用圆柱形铸铁块，落锤底部冲击接触部分作一小圆台，防止冲击瞬时圆柱边缘切伤钢丝绳，落锤顶部两侧连接两个导靴，分别套在两个导轨上，限制落锤在垂直方向运动，落锤顶部中心连接吊环。吊环挂在触发挂钩底部弯曲处，触发挂钩与触发板形成铰链连接，挂钩上部开孔并连接触发尼龙绳，上部一侧连接复位弹簧，复位弹簧可使触发挂钩在落锤脱离后复位以便下一次实验继续悬挂落锤。触发板上部连接细钢丝绳(直径3mm左右)，细钢丝绳缠绕在电动葫芦上，通过遥控器可控制电动葫芦旋转带动细钢丝绳而带动触发板上提，则触发板上的触发挂钩挂着重锤向上提起，从而实现将冲击后落在底部的重锤向上提升，其中触发尼龙绳下端固定于与钢丝绳等高，当提升到一定位置后，尼龙绳被拉紧，继续提升则尼龙绳拉开触发挂钩使吊环脱离，重锤即开始自由落体冲击下方钢丝绳，尼龙绳的收紧长度即重锤下落位移，由自由落体加速度可获得冲击碰撞的瞬时速度。
测试系统包括传感器、高速摄像机以及采集分析系统，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或楔形块相连，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，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，用以拍摄落锤冲击过程钢丝绳的变形，后期通过视频分析获得钢丝绳振动位移波形。
有益效果：本发明的落锤式钢丝绳冲击破坏试验方法及装置，采用高位重锤自由落体冲击钢丝绳实现了较强的冲击烈度，包括较大的质量和速度；采用螺旋丝杠实现钢丝绳不同载荷下的预紧，两对圆锥滚子轴承的使用保证了其拉伸支撑强度；采用电葫芦与触发器的配合使落锤冲击具有瞬时性、可控性并保证了操作的快捷、安全性；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动态响应，实现了钢丝绳受冲击弹射后的张力振动动态响应过程的实时精确检测和分析。
技术指标如下：
试样：钢丝绳，直径8-12mm，长度5-10m
钢丝绳预张力：0-3t，可调；
落锤质量：20-30kg，可调；
冲击瞬时速度：0-10m/s,可调；
张力分析范围：0-10t；
振幅分析范围：0-±30mm。
附图说明
图1、2为本发明专利结构图；
图3、4、5、6为本发明专利的实施效果图。
图中，1、预紧电机 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、高速摄像机 10、导轨 11、重锤 12、电葫芦 13、触发绳 14、钢丝绳式样 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18、右端拉力传感器 19、外螺纹吊环 20、连接销 21、右端立桩 22、斜拉钢丝 23、导靴 24、吊环 25、触发挂钩 26、触发板 27、复位弹簧 28、提升钢丝绳。
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。
一种落锤式钢丝绳冲击破坏试验装置主要由固定立桩、钢丝绳连接件、预紧系统、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一套圆柱销外螺纹吊环19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19与梯形丝杠6连接，所有圆柱销外螺纹吊环均形成铰链，拉力传感器用以测量左右两端钢丝绳张力。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。圆钢导轨10固定于地面，并位于整绳中点位置，重锤11通过导靴23与导轨形成垂直方向移动副，重锤顶部固定吊环24，吊环挂在触发挂钩25下侧弯曲处，触发挂钩25与触发板26形成铰链，触发挂钩25上端开孔并连接触发绳13，触发绳13另一端固定在与底部试验钢丝绳14等高处，通过自由落体运动公式l＝0.5*gt2及v＝gt，根据需要的冲击速度计算重锤11位移，即可预留相应长度的触发绳(预留时重锤11位于底部，并考虑减去重锤本身高度等来保证精确的自由落体高度)触发挂钩25上端一侧固连复位弹簧27，弹簧另一端固定在触发板26上，触发挂钩25与触发板26在触发挂钩形状弯折位置形成铰链连接，触发板26上部固连在细钢丝绳28上，细钢丝绳28缠绕在电动葫芦12上的卷筒内，电动葫芦12固定在导轨10的顶部，导轨10顶部通过四根斜拉钢丝22与地面固连，四个方向各一根保证系统的稳定性。三向加速度传感器8、16分别通过固定衬垫15固定在钢丝绳14左右端用以测量振动到达的时间点，高速摄像机9固定于钢丝绳14一侧测量某点振动位移。
在实验中，首先控制电葫芦12旋转，带动触发板26上提，触发板上的触发挂钩25挂着重锤11顶部的吊环24，将重锤11稍抬起(刚脱离试验钢丝绳14表面)通过电机1和蜗轮蜗杆2、3调节丝杠6使钢丝绳14松弛，检查各连接件牢固性，然后开启采集系统实时采集记录各传感器数值，通过控制电机1驱动向左拉紧钢丝绳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。根据设定的冲击速度计算出需要的下落位移，调整尼龙触发绳13的预留长度，并使触发绳13均匀摆放在无杂物的平面上以保证提升时不挂物、不打结。开启高速摄像机9录像，通过遥控电葫芦12提升重锤11直到触发绳13拉紧并拉脱触发挂钩25，重锤11下落并冲击钢丝绳14，此时复位弹簧27已将触发挂钩25复位。待各传感器采集数值平稳后，停止本次数据采集，并保存数据。在进行下一次冲击试验时，首先利用电葫芦12将触发器下放并挂上重锤11，并重复以上操作，达到一定冲击次数后，取下试验钢丝绳进行拉伸破断实验。
技术指标如下：
试样：钢丝绳，直径8-12mm，长度5-10m；
钢丝绳预张力：0-3t，可调；
落锤质量：20-30kg，可调；
冲击瞬时速度：0-10m/s，可调；
张力分析范围：0-10t；
振幅分析范围：0-±30mm。
实施例
本专利中分析内容为钢丝绳预紧力为3t，冲击瞬时速度为10m/s，高速摄像拍摄钢丝绳落锤视频截图如图3(中点位置)，视频跟踪处理所得振动位移如图4，可以看出，冲击后钢丝绳振动为均匀的振荡衰减振动。将拉力传感器采集的钢丝绳张力信号绘制如图5，钢丝绳张力出现瞬时冲击峰值，且钢丝绳剩余预紧张力损失为原来的80％左右，将加速度传感器采集振动信号绘制如图6，可以获得两侧位置由于冲击导致的峰值波动。
通过获得的钢丝绳落锤冲击后的张力振动变化规律表明，本发明装置及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 (10)

1.一种落锤式钢丝绳冲击破坏试验装置，其特征在于：由固定立桩、钢丝绳连接件、预紧系统、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预紧系统施力拉紧钢丝绳，设置在钢丝绳中点处的冲击系统由上而下对钢丝绳进行冲击，钢丝绳上及旁侧设置测量系统进行张力振动检测分析；
所述预紧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；
所述冲击系统包括导轨、电动葫芦、触发器、落锤，两个圆钢导轨位于整绳中点位置两侧地面固定，顶部相连且下方固连有电动葫芦；重锤通过导靴与导轨形成垂直方向移动副，重锤顶部固定吊环，吊环挂在触发器上；所述触发器包括触发板及其上的触发挂钩和复位弹簧，触发挂钩与触发板形成铰链，触发挂钩上端开孔并连接触发绳，触发绳另一端固定在与底部钢丝绳试样等高处；触发挂钩上端一侧固连复位弹簧，复位弹簧另一端固定在触发板上，吊环挂在触发挂钩下侧弯曲处，触发板上部连接细钢丝绳，细钢丝绳缠绕在电动葫芦上。
所述测量系统包括左右两侧各设置的拉力传感器、三向加速度传感器，以及高速摄像机、采集分析系统：两个拉力传感器分别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；两个三向加速度传感器分别固连在钢丝绳的左端、右端，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，拍摄落锤冲击过程钢丝绳的变形，后期通过采集分析系统进行视频分析获得钢丝绳振动位移波形。
2.根据权利要求1所述的落锤式钢丝绳冲击破坏试验装置，其特征在于：触发绳一端固定在与底部钢丝绳试样等高处，根据需要的冲击速度计算重锤位移，预留相同长度的触发绳；通过遥控器控制电动葫芦旋转带动细钢丝上提，细钢丝绳带动触发器向上，触发器上升至触发绳拉直后，触发绳将重锤顶部的固定吊环从触发挂钩上拉脱，则重锤自由落体向下冲击；吊环拉脱后，下放触发器，触发挂钩在弹簧的拉力下复位，继续进行悬挂吊环，下一次实验中电动葫芦下放触发器挂上底部重锤再向上提升重复动作。
3.根据权利要求1所述的落锤式钢丝绳冲击破坏试验装置，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。
4.根据权利要求1所述的落锤式钢丝绳冲击破坏试验装置，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。
5.根据权利要求1所述的落锤式钢丝绳冲击破坏试验装置，其特征在于：所述预紧系统包括电机、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。
6.根据权利要求5所述的落锤式钢丝绳冲击破坏试验装置，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。
7.根据权利要求1所述的落锤式钢丝绳冲击破坏试验装置，其特征在于：所述导轨顶部通过四根斜拉钢丝与地面固连；重锤底部冲击接触部分作一小圆台，防止冲击瞬时圆柱边缘切伤钢丝绳。
8.根据权利要求1所述的落锤式钢丝绳冲击破坏试验装置，其特征在于：所述高速摄像机的摄像帧率在1000fps以上。
9.根据权利要求1至8任一所述的落锤式钢丝绳冲击破坏试验装置的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)通过电葫芦将重锤抬起脱离试验钢丝绳表面，调节预紧系统使钢丝绳松弛，检查各连接件牢固性，开启采集分析系统实时采集记录各传感器数值；再调节预紧系统拉紧钢丝绳，待拉力传感器的张力达到预定张力后停机，保持钢丝绳张力稳定；
2)通过自由落体运动公式l＝0.5*gt2及v＝gt，根据需要的冲击速度计算重锤需要的下落位移，调整触发绳预留相同长度；
3)开启高速摄像机录像，通过遥控电葫芦提升重锤直到触发绳拉紧并拉脱触发挂钩，重锤下落并冲击钢丝绳，此时复位弹簧已将触发挂钩复位；
4)待各传感器采集数值平稳后，停止本次数据采集，并保存数据；在进行下一次冲击试验时，首先利用电葫芦将触发器下放并挂上重锤，并重复以上操作。
10.根据权利要求9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：
试样：钢丝绳，直径8-12mm，长度5-10m；
钢丝绳预张力：0-3t；
落锤质量：20-30kg；
冲击瞬时速度：0-10m/s；
张力分析范围：0-10t；
振幅分析范围：0-±30mm。
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