CN111678778B - 基于气动控制的提升钢丝绳内部多丝螺旋接触测试装置及方法 - Google Patents

基于气动控制的提升钢丝绳内部多丝螺旋接触测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于气动控制的提升钢丝绳内部多丝螺旋接触测试装置及其测试方法，装置包括工作台、安置在工作台上的基于气动控制的钢丝绳股内部多丝螺旋接触机构、基于气动控制的钢丝绳股内部多丝加载机构和滚筒加载机构。本发明基于气动控制的提升钢丝绳内部多丝螺旋接触测试装置能够在一台实验装置上实现钢丝绳股内部多丝螺旋接触的工况，真实模拟出钢丝绳股内部钢丝与钢丝之间摩擦磨损和钢层与钢层之间摩擦磨损两种运动行为。该实验装置采用气动控制，实现了各部分加载力的可调可控，使得控制过程更简便，实验数据更准确。

Description

基于气动控制的提升钢丝绳内部多丝螺旋接触测试装置及 方法
技术领域
本发明涉及一种基于气动控制的提升钢丝绳内部多丝螺旋接触测试装置及方法。
背景技术
钢丝绳是以一定捻角由丝捻成股、再以股捻成绳的具有三维螺旋空间结构的柔性提升结构，因其能够传递长距离的负载，具有承载能力大、柔韧性好、运动平稳无噪音能够承受较大的轴向载荷，且弯曲和扭转刚度较小的优点，故被广泛应用于起重机、升降机、矿井提升机等各种实际工程应用中。由此导致钢丝绳内部钢丝摩擦磨损严重，降低钢丝绳的使用寿命，或者导致钢丝绳内部出现断丝的情况，威胁提升、运输等的安全。所以掌握钢丝绳内部多丝螺旋接触工况及其摩擦磨损机理对保障钢丝绳股安全可靠工作有着十分重要的意义。然而在实际生产中对钢丝绳进行内部多丝螺旋接触后的摩擦磨损观测，以现有的技术手段还无法完成。因此设计并制造出一种结构简单、操作安全方便、能够真实模拟钢丝绳内部多丝螺旋接触后摩擦磨损的实际工况、并可以通过实验获得钢丝绳内部多丝螺旋接触后摩擦磨损特性，故钢丝绳内部多丝螺旋接触测试装置显得尤为重要。
发明内容
技术问题：本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供了一种基于气动控制的提升钢丝绳内部多丝螺旋接触测试装置，能够在一台实验装置上通过一套气动装置实现钢丝绳内部的多丝螺旋接触的工况，真实模拟出钢丝绳内部钢丝与钢丝之间摩擦磨损和钢层与钢层之间摩擦磨损两种运动行为。
技术方案：为了实现上述技术目的，本发明采用如下的技术方案：
一种基于气动控制的提升钢丝绳内部多丝螺旋接触测试装置，包括工作台，以及设置在工作台上部的待测钢丝绳股，待测钢丝绳股一端与设置在工作台一端的多个绳夹连接，另一端沿工作台方向水平悬空布置；
中心钢丝拉扭机构，用于对钢丝绳股中中心钢丝进行扭转和拉力测试，所述中心钢丝的一端连接在位于工作台一端的扭转、拉力加载复合机构，中心钢丝的另一端固定连接在位于工作台另一端的钢丝绳夹上；
至少一组钢丝螺旋接触机构，用于对缠绕在所述中心钢丝外部的至少一层多根钢丝进行螺旋接触测试，多组钢丝螺旋接触机构在所述工作台上沿所述钢丝绳股轴向依次布置并且结构相同，均包括：
扭转块，套接在所述钢丝绳股外部，所述扭转块的内孔具有与所述钢丝绳股外轮廓相适的形状；
旋转盘，轴心处设有用于嵌设所述扭转块的燕尾槽，与所述扭转块套接固定后，用于带动扭转块以及所述中心钢丝外部钢丝绕钢丝绳股自身轴线方向进行转动；
分散机构，设置在旋转盘的一侧表面上，用于对缠绕在所述中心钢丝外部的一层多根钢丝进行分散，包括：多个滑轮支撑单元，多个滑轮支撑单元设置在旋转盘的一侧表面，并沿所述旋转盘的盘面周向均匀布置，各个滑轮支撑单元的顶部分别设有一个滑轮，并且，多个滑轮处于不同的旋转平面，钢丝绳股上的一层钢丝组分散后分别绕过一个滑轮与一个钢丝绳夹固定连接，当旋转盘旋转后，一层多根钢丝可以实现多丝螺旋接触；
张紧机构，用于对分散后的多根钢丝的张紧力进行调节，包括：
承载圆盘，承载圆盘与旋转盘固定连接，两个圆盘平行悬空布置在工作台面上；
多个气动滑台，沿所述承载圆盘一侧表面均匀周向布置，每个气动滑台的滑台表面依次通过T形连接件、拉、压力传感器与一个所述钢丝绳夹固定连接；
分气圆环，同轴设置在所述承载圆盘上远离所述旋转盘的一侧，所述分气圆环包括内环、外环、密封圈和分气圆环支架，其中，所述内环套接在承载圆盘的圆周上，分气圆环的外环套接在内环上，内环的环外壁上设有多条环形凹槽，密封圈设置在内环与外环之间的环形凹槽中，用来隔离出多条单独的气路，分气圆环的内环可以在外环中转动；
所述分气圆环支架固定安装在分气圆环外环的底部，并且和工作台面固定连接；
所述外环上对应一条单独的气路设有两个气孔，分别是第一气孔和第二气孔，其中，第一气孔与环外进气管路连接，第二气孔与环外排气管路连接；
所述内环上对应一条单独的气路设有两个气孔，分别是第三气孔和第四气孔，其中，第三气孔与气动滑台进气管道连接，第四气孔与气动滑台排气管道连接；
输气装置，设置在工作台侧，其输气端通过一根主气管分出多路气，每一路气通过一个电磁阀和一个气动比例阀与一个所述环外进气管路的进气端连接，通过电磁阀来控制气动滑台的启停，通过气动比例阀来控制气动滑台的推出力；
旋转驱动机构，用于驱动所述旋转盘绕自身轴线进行旋转，包括：气动分度盘、T形承载板，T形承载板和工作台面固定连接，气动分度盘与T形承载板的一侧连接；
所述T形承载板底部与工作台面固定连接，T形承载板的侧面固定有气动分度盘，在T形承载板上相对于气动分度盘的中心位置开有供钢丝绳股通过的孔；
气动分度盘的上表面和旋转盘固定连接，气动分度盘的旋转带动旋转盘转动，驱动扭转块转动，再带动内部契合的钢丝绳股进行螺旋接触，
所述扭转、拉力加载复合机构包括与所述中心钢丝的一端夹固连接的第一钢丝绳夹、以及连接在第一钢丝绳夹上且沿所述中心钢丝轴向串接的拉、压力传感器、扭矩传感器、第一联轴器、步进电机、第二联轴器、编码器以及承载上述部件的连结底板和在所述连结底板下方作为拉伸运动的第一电动缸；
所述步进电机为双出轴步进电机，步进电机通过第一联轴器与旋转编码器连接，旋转编码器反馈出中心钢丝被转动的角度，双出轴的步进电机另一端通过第二联轴器与扭矩传感器连接，步进电机固定在连结底板的立柱上；
所述连结底板底面设有沿工作台面长度方向延伸布置的滑轨机构；
所述第一电动缸固定设置在连结底板的底面，第一电动缸的活塞杆末端通过圆环与一横杆连接，所述横杆固定在工作台面上；
控制器，和所述输气装置、电磁阀、气动比例阀、步进电机、第一电动缸以及气动分度盘信号连接；
所述拉、压力传感器、扭矩传感器以及编码器将检测的数据反馈到控制器；
所述控制器用于实时处理反馈各类信号，合成相应的控制输入并发送至相应的执行机构，从而使得螺旋接触机构、张紧机构和滚筒加载机构产生所期望的运动，所述控制器包括多块采集卡和在Windows系统下运行的上位机，其中，数据采集卡用于采集实验过程中产生的各类信号，在基于Labview软件的实时环境下，可通过改变输入值来改变控制输入，这些控制输入再通过数据采集卡传动到各机构的执行部分，产生相应的控制动作。
所述输气装置为气泵。
所述滑轨机构包括：
滑轨，包括两条，两条滑轨平行固定在工作台表面且沿工作台长度方向延伸；
所述连接底板的底部四个角分别固定连接有一个滑块，所述滑块与所述滑轨滑动连接。
还包括滚筒加载机构，用于模拟实际生产中钢丝绳股缠绕在滚筒上所产生的摩擦磨损，包括：
一滚筒主体，设置在所述工作台的一端，滚筒主体具有与所述待测钢丝绳股相接触的弧形表面，滚筒主体的左、右两端分别通过滚筒半轴、以及滑块与一U形框滑动连接，所述U形框的两侧内壁上设有供所述滑块导向移动的竖向滑槽，U形框的底部固定连接有第二电动缸，第二电动缸用于带动所述滚筒主体沿U形框的竖向滑槽上、下来回移动；
两个支架，以被测钢丝绳股为中线对称布置在所述工作台上，两个支架的顶部一端朝向钢丝绳股延伸方向分别与一根长悬臂的一端铰接，两根长悬臂的悬空端之间连接有长底板，所述长底板上安装固定有多个钢丝夹具；
每个支架底部一侧，位于所述支架和长悬臂中部之间设有一个气动推杆，当气动推杆做伸缩运动时，长悬臂的悬空端沿着圆弧轨迹运动；
U形框的两侧外壁分别与一根滚筒半轴固定连接，其中一根滚筒半轴的一端与轴承支座连接，另一根滚筒半轴通过轴承座与舵机连接；
所述U形框的底部一侧设有竖向激振器，竖向激振器的输出轴通过传力杆与滚筒主体左、右两侧的任一滚筒半轴连接，以模拟实际工况下，钢丝绳股卷绕在滚筒主体上时滚筒主体与钢丝绳股之间的微动。
一种利用所述基于气动控制的提升钢丝绳内部多丝螺旋接触测试装置的试验步骤，其特征在于，钢丝绳股包括三层，分别是中心钢丝、包覆在中心钢丝外部的第二层6根钢丝组以及包覆在第二层6根钢丝组外部的第三层12根钢丝组，相应的，钢丝螺旋接触机构包括两组，分别是第二层钢丝的螺旋接触机构和第三层钢丝的螺旋接触结构，包括如下几个步骤：
（1）将中心钢丝一端固定于与长底板连接的第二钢丝绳夹上，另一端穿过带槽压丝板的中心孔、T形承载板二、十二丝扭转块中心孔、承载圆盘二、T形承载板一、六丝扭转块中心孔、承载圆盘一，最后固定在中心钢丝扭转、拉力加载复合机构端的第一钢丝绳夹上；
（2）将第二层和第三层钢丝分别装夹在相应的钢丝绳夹上，再按照内、外层相互紧靠着穿过带槽压丝板的中心孔，使得两层钢丝都被一端固定住，不产生滑移；
（3）将第二层6根钢丝围绕着中心钢丝进行环形排布，从每根钢丝对应的钢丝绳夹开始，依次穿过带槽压丝板的中心孔、T形承载板二、十二丝扭转块中心孔、承载圆盘二、T形承载板一和六丝扭转块中心孔，最后被每根钢丝相应的钢丝绳夹固定，和相应的第一气动滑台连接；
（4）将第三层12根钢丝围绕着第二层钢丝进行环形排布，从每根钢丝对应的钢丝绳夹开始，依次穿过带槽压丝板的中心孔、T形承载板二和十二丝扭转块中心孔，最后被每根钢丝相应的钢丝绳夹固定，和相应的第二气动滑台连接；
（5）操作上位机，打开气泵开始供气，并同时操作上位机通过采集卡的控制模块打开控制第一气动分度盘的电磁阀，第一组钢丝螺旋接触机构上的第一气动分度盘旋转，将第二层6根钢丝扭转；紧接着再次操作上位机，通过采集卡的控制模块打开控制着第二层6根钢丝相应气动滑台的电磁阀和气动比例阀，从而以一定的张紧力张紧第二层6根钢丝；
（6）操作上位机，通过采集卡的控制模块打开控制第二气动分度盘的电磁阀，第二组钢丝螺旋接触机构上的第二气动分度盘旋转，将第三层12根钢丝扭转，紧接着再次通过控制模块控制着第三层12根钢丝相应的第二气动滑台的电磁阀和气动比例阀，从而张紧第三层12根钢丝；至此，共计19根钢丝分三层已全部加载完毕；
钢丝绷直状态下进行摩擦磨损测试包括以下子步骤：
A1、操作上位机，改变气动比例阀的开合度，从而改变气动滑台对每根钢丝的张紧，改变张紧每根钢丝的张紧力；
A2、操作上位机，控制中心钢丝扭转拉伸机构中的第一电动缸动作，带动中心钢丝微动；
A3、操作上位机，控制步进电机工作，带动中心钢丝扭转，以此对捻制后的钢丝绳股进行摩擦磨损实验；
A4、钢丝绳股的摩擦磨损实验结束后，通过三维无线应变仪对磨痕进行测量分析；
通过各钢丝接头处的拉压力传感器测得每根钢丝所受到的实际拉力，并且通过采集卡的采集模块将信号采集到上位机中，并在上位机中将采集到的力值和控制气动滑台的力值进行比较，以此来反馈调节各气路中气动滑台对各根钢丝的张紧力，步进电机处的编码器测得中心钢丝旋转的角度，扭矩传感器测得中心钢丝所受到得扭矩大小，并将二者采集到的数值返回到上位机中。
对加载在滚筒主体上的钢丝绳股进行测试的方法，包括如下几个步骤：
B1、操作上位机，调节每根钢丝对应气路中的气动比例阀，从而改变气动滑台对每根钢丝的张紧，改变张紧每根钢丝的张紧力；
B2、操作上位机，使第二电动缸动作，滚筒主体顺着竖向滑槽向上滑动，与钢丝绳股接触，钢丝绳股嵌入滚筒主体的弧形绳槽内；
B3、操作上位机，使得舵机工作，将U形框绕着旋转轴旋转一定角度；
B4、通过操作手控器，使两个电动推杆动作，将水平绷直的钢丝绳股沿着滚筒主体围包，旋转角度最大为90°；
B5、操作上位机，控制中心钢丝扭转拉伸机构中的第一电动缸动作，带动中心钢丝微动；
B6、通过操作上位机，控制步进电机工作，带动中心钢丝扭转；
B7、通过操作上位机，使得激振器工作，使得滚筒主体与钢丝绳股之间产生高频震动；
通过各钢丝接头处的拉压力传感器测得每根钢丝所受到的实际拉力，并且通过采集卡的采集模块将信号采集到上位机中，并在上位机中将采集到的力值和控制气动滑台的力值进行比较，以此来反馈调节各气路中气动滑台对各根钢丝的张紧力，步进电机处的编码器测得中心钢丝旋转的角度，扭矩传感器测得中心钢丝所受到得扭矩大小，并将二者采集到的数值返回到上位机中。
有益效果：
本发明可以利用气动控制原理来模拟提升钢丝绳内部多丝螺旋接触状态并可以在此基础上对研究钢丝绳内部的摩擦行为，主要优点有。
1.本发明可以将所有操作集成到控制面板上，取消了手动调节，并且提高了钢丝加载力以及扭转角度的精度，简化了结构，消除了中间结构对实验的影响因素。气动控制的加入可以将整个试验台的控制都整合到一个控制面板中，在电脑端操作，实验人员只需负责钢丝的装载和拆卸即可。
2.本发明将中心钢丝的拉伸扭转整合到一端，可以更加贴近钢丝的真实受力情况。
附图说明
图1为本发明专利结构的主视图；
其中：1、型材立柱；2、第一电动缸；3、滑轨；4、滑块；5、连结底板；6、旋转编码器；7、第二联轴器；8、步进电机；9、第一联轴器；10、扭矩传感器；11、固定横杆；12、第一拉、压力传感器；13、第一钢丝绳夹；14、第一分气圆环支架；15、第一分气圆环；16、六滑轮组；17、6根钢丝的气动滑台附属结构；18、第一旋转盘；19、第一气动分度盘；20、第一T形承载板；21、第二分气圆环；22、第二分气圆环支架；23、十二根钢丝的气动滑台附属结构；24、十二滑轮组；25、第二旋转盘；26、第二气动分度盘；27、第二T形承载板；28、支架；29、气动推杆；30、U形框；31、滚筒；32、长悬臂；33、带槽压丝板；34、六丝卡线器；35、大长板；36、十二丝卡线器；37、轴承座；38、工作台面；39、第二电动缸
图2为本发明滚筒自转及顶出结构主视图；
其中，40、旋转半轴；41、竖向滑轨；42、滚筒半轴；43、滑块；44、舵机； 45、传力杆；46、激振器；47、电动缸推板；
图3为本发明中心钢丝拉伸扭转复合机构的结构示意图；
其中，48、步进电机外框架；
图4为本发明分气圆环结构示意图；
其中，49、密封圈；50、分气圆环内环；51、气孔；
图5为本发明螺旋接触机构旋转部分结构示意图；
其中，52、第一承载圆盘；53、六丝扭转块；
图6为本发明钢丝绳股为两层钢丝时钢丝绳股与扭转块连接结构示意图；
其中，54、中心钢丝；55、第二层钢丝；
图7为本发明钢丝绳股为三层钢丝时钢丝绳股与扭转块连接结构示意图；
其中，56、十二丝扭转块；57、第三层钢丝；
图8为本发明气动滑台分布结构示意图；
其中，58、气动滑台；59、第二拉、压力传感器；60、第二钢丝绳夹；
图9为本发明分气圆环与气动滑台连接管路分布图；
其中，61、环外进气管路；62、环外排气管路；63、气动滑台进气管道；64、气动滑台排气管道；65、气动滑台组合结构；
图10为本发明气动控制出气管路分布图；
其中，66、气泵；67、气路排；68、单向阀；69、电磁阀；70、气动比例阀。
图11为本发明控制流程示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例和说明书附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1-8，基于气动控制的钢丝绳内部多丝螺旋接触测试装置，包括工作台、安置在工作台上的钢丝绳内部多丝螺旋接触机构、钢丝绳内部多丝加载机构和滚筒加载机构；
工作台包括型材立柱1、由四根立柱支撑的工作台台面38、工作台面上用于固定各部件的螺栓孔以及为了布置各部件开的矩形槽。
本实施例中，所述中心钢丝的一端连接拉伸、扭转复合机构，另一端固定在工作台面38一端，其中，所述拉伸、扭转复合机构包括拉伸机构和扭转机构；
所述扭转机构包括与所述中心钢丝54的一端夹固连接的第一钢丝绳夹13、以及连接在第一钢丝绳夹13上且沿所述中心钢丝轴向串接的扭转传感器10、第一联轴器9以及步进电机8，所述第一步进电机8为双出轴步进电机，双出轴的第一步进电机中其中一个输出端通过第二联轴器7与旋转编码器6连接，旋转编码器6反馈出中心钢丝54被转动的角度；
双出轴的第一步进电机8上的另外一个输出端通过联轴器与扭矩传感器10连接，第一步进电机8固定在连结底板5的立柱上。
所述拉伸机构包括与所述连结底板5以及固定横杆11、滑轨3、滑块4、第一电动缸2，其中，所述第一电动缸2固定在连结底板5的底部，连结底板5和滑块4固定连接，在滑轨3上往复运动。
本实施例进一步包括：至少一组钢丝螺旋接触机构，用于对缠绕在所述中心钢丝外部的至少一层多根钢丝进行螺旋接触测试，多组钢丝螺旋接触机构在所述工作台上沿所述钢丝绳股轴向依次布置并且结构相同，均包括：
扭转块，套接在所述钢丝绳股外部，所述扭转块的内孔具有与所述钢丝绳股外轮廓相适的形状；
旋转盘，轴心处设有用于嵌设所述扭转块的燕尾槽，与所述扭转块套接固定后，用于带动扭转块以及所述中心钢丝外部钢丝绕钢丝绳股自身轴线方向进行转动；
分散机构，设置在旋转盘的一侧表面上，用于对缠绕在所述中心钢丝外部的一层多根钢丝进行分散，包括：多个滑轮支撑单元，多个滑轮支撑单元设置在旋转盘的一侧表面，并沿所述旋转盘的盘面周向均匀布置，各个滑轮支撑单元的顶部分别设有一个滑轮，并且，多个滑轮处于不同的旋转平面，钢丝绳股上的一层钢丝组分散后分别绕过一个滑轮与一个钢丝绳夹固定连接，当旋转盘旋转后，一层多根钢丝可以实现多丝螺旋接触；
所述张紧机构，用于对分散后的多根钢丝的张紧力进行调节，包括：
承载圆盘，承载圆盘与旋转盘固定连接，两个圆盘平行悬空布置在工作台面上；
多个气动滑台，沿所述承载圆盘一侧表面均匀周向布置，每个气动滑台的滑台表面依次通过T形连接件、拉、压力传感器与一个所述钢丝绳夹固定连接；
分气圆环，同轴设置在所述承载圆盘上远离所述旋转盘的一侧，所述分气圆环包括内环、外环、密封圈和分气圆环支架，其中，所述内环套接在承载圆盘的圆周上，分气圆环的外环套接在内环上，内环的环外壁上设有多条环形凹槽，密封圈设置在内环与外环之间的环形凹槽中，用来隔离出多条单独的气路，分气圆环的内环可以在外环中转动；
所述分气圆环支架固定安装在分气圆环外环的底部，并且和工作台面固定连接；
所述外环上对应一条单独的气路设有两个气孔，分别是第一气孔和第二气孔，其中，第一气孔与环外进气管路连接，第二气孔与环外排气管路连接；
所述内环上对应一条单独的气路设有两个气孔，分别是第三气孔和第四气孔，其中，第三气孔与气动滑台进气管道连接，第四气孔与气动滑台排气管道连接；
输气装置，设置在工作台侧，其输气端通过一根主气管分出多路气，每一路气通过一个电磁阀和一个气动比例阀与一个所述环外进气管路的进气端连接，通过电磁阀来控制气动滑台的启停，通过气动比例阀来控制气动滑台的推出力；
旋转驱动机构，用于驱动所述旋转盘绕自身轴线进行旋转，包括：气动分度盘、T形承载板，T形承载板和工作台面固定连接，气动分度盘与T形承载板的一侧连接；
所述T形承载板底部与工作台面固定连接，T形承载板的侧面固定有气动分度盘，在T形承载板上相对于气动分度盘的中心位置开有供钢丝绳股通过的孔；
气动分度盘的上表面和旋转盘固定连接，气动分度盘的旋转带动旋转盘转动，驱动扭转块转动，再带动内部契合的钢丝绳股进行螺旋接触，
所述扭转、拉力加载复合机构包括与所述中心钢丝的一端夹固连接的第一钢丝绳夹、以及连接在第一钢丝绳夹上且沿所述中心钢丝轴向串接的拉、压力传感器、扭矩传感器、第一联轴器、步进电机、第二联轴器、编码器以及承载上述部件的连结底板和在所述连结底板下方作为拉伸运动的第一电动缸；
所述步进电机为双出轴步进电机，步进电机通过第一联轴器与旋转编码器连接，旋转编码器反馈出中心钢丝被转动的角度，双出轴的步进电机另一端通过第二联轴器与扭矩传感器连接，步进电机固定在连结底板的立柱上；
所述连结底板底面设有沿工作台面长度方向延伸布置的滑轨机构；
所述第一电动缸固定设置在连结底板的底面，第一电动缸的活塞杆末端通过圆环与一横杆连接，所述横杆固定在工作台面上；
控制器，和所述输气装置、电磁阀、气动比例阀、步进电机、第一电动缸以及气动分度盘信号连接；
所述拉、压力传感器、扭矩传感器以及编码器将检测的数据反馈到上位机；
上位机与所述控制器信号连接。
本实施例中，第一电动缸2能够模拟出钢丝在实际工况下所受到的微动载荷。
本实施例中，钢丝绳股包括三层，分别是中心钢丝、包覆在中心钢丝外部的第二层6根钢丝组以及包覆在第二层6根钢丝组外部的第三层12根钢丝组，相应的，钢丝螺旋接触机构包括两组，分别是第二层钢丝的螺旋接触机构和第三层钢丝的螺旋接触结构，其中，第二层钢丝的螺旋接触机构包括第一分气圆环支架14、第一分气圆环15、第一T形承载板20、第一气动分度盘19、第一旋转盘18、六丝扭转块53、第一承载圆盘52、第二钢丝绳夹60、六滑轮组16，气动分度盘固定安装在第一T形承载板20上，第一气动分度19盘和第一T形承载板20中间开有圆孔，可以供钢丝绳股从中间穿过，第一气动分度盘19和第一T形承载板20同心安装，第一T形承载板20固定安装在工作台面38上，第一气动分度盘19的表面固定连接第一旋转盘18，六丝扭转块53利用燕尾槽结构嵌在第一旋转盘18中心，第一承载圆盘52通过螺钉与第一旋转盘18固定连接，六滑轮组16分别通过螺钉与第一承载圆盘52的小圆盘固定连接，第一承载圆盘52的中心开有圆孔，供钢丝绳股从中穿过，六滑轮组16呈圆周布置在第一承载圆盘52上，其中，第二层的6根钢丝穿过六丝扭转块53内特制的孔，然后6根钢丝分三个高度绕过各滑轮53，与相应的第二钢丝绳夹60连接，六丝扭转块53的转动带动第二层6根钢丝的扭转，模拟出钢丝绳股上第二层6根钢丝的螺旋接触工况，
第二层钢丝的螺旋接触机构中的加载机构包括：第一气动滑台58、第一气动滑台附属结构18、第二拉、压力传感器59、第二钢丝绳夹60、第一承载圆盘52、六滑轮组，其中，六个第一气动滑台58呈圆周均匀布置在承载圆盘的表面，每个气动滑台58的上表面固定连接有第一气动滑台附属结构18，第二拉、压力传感器通过螺钉与气动滑台附属结构18连接，第二钢丝绳夹60通过双头螺柱与第二拉、压力传感器连接，六滑轮组16将第二层的6根钢丝分散后，通过对应的钢丝夹具夹持固定；
第三层钢丝的螺旋接触机构与第二层钢丝的螺旋接触机构的结构相同，在此不再赘述。
作为本发明技术方案的进一步优选，本实施例中还包括滚筒加载机构，用于模拟实际生产中钢丝绳股缠绕在滚筒上所产生的摩擦磨损，包括：
两个电动推杆29、支架28、长悬臂32、轴承座37、舵机44、滚筒主体31、两根滚筒半轴42、两根旋转半轴40、U形框30、第二电动缸39、两根滑轨41、激振器46、第二电动缸附属推板47、长底板35，四个支架28通过螺栓两两固定在工作台台面38上，且以被测钢丝绳股为中线对称布置，两个相邻的支架28侧边连接固定一个电动推杆底座，两个电动推杆29的底部与电动推杆底座连接，电动推杆29的伸出端通过螺栓与长悬臂32中部连接，当电动推杆29做伸缩运动时，长悬臂32的顶端沿着圆弧轨迹运动，长底板35与两根长悬臂32连接，钢丝绳股穿过带槽压丝板33，一端与固定安装在长底板35上的六丝卡线器34和十二丝卡线器36固定连接，前述部分可实现钢丝绳股绕着滚筒31实现围包，滚筒主体31通过两根滚筒半轴42与竖向滑轨41连接，并且可以沿着竖向滑轨41上下运动，竖向滑轨41被固定在U形框30的内侧，U形框30通过两根旋转半轴40被悬空，一根旋转半轴40的一端与轴承支座连接，另一根旋转半轴40与舵机44通过螺钉连接，两根旋转半轴40的另一端均与U形框30的外侧通过螺栓连接，前述部分可实现滚筒31整体的旋转，U形框30的底部通过螺栓固定住第二电动缸39，第二电动缸39的出轴通过外螺纹与第二电动缸推板47连接，第二电动缸39可推动滚筒主体31在U形框30内侧的竖向滑轨41上进行滑动，前述部分可实现滚筒31的顶出与缩回；
每根钢丝被夹具夹持时都连接有相应的拉、压力传感器，中心钢丝的第一拉、压力传感器12一端与第一钢丝绳夹13连接，另一端与长底板35上的卡线器连接，第二层钢丝55和第三层钢丝57的拉、压力传感器一端与气动滑台连接，另一端与每根钢丝对应的卡线器连接，总共十九根钢丝都配有相应的拉、压力传感器，当钢丝被施加载荷时，每个拉、压力传感器都可以实时反馈出每根钢丝所受到的拉力值，能够全面得监测各根钢丝的状态；
第二层钢丝55和第三层钢丝57的引出端都设置有滑轮，滑轮使得每根钢丝被引出后方便由钢丝夹具夹持，此外，由于设置了滑轮，对每根钢丝施加的载荷可以几乎没有损耗地往下传递；
中心钢丝54的一端被第一电动缸2施加微动载荷，第一电动缸2可以做毫米级别的往复振动，由于所需振动的频率高、振幅小，故对所采用的电动缸的要求较高；
激振器46通过螺栓被固定在U形框30的内侧底部，激振器46的输出轴通过传力杆45与滚筒半轴42连接，钢丝绳股围包在滚筒主体31上，激振器46给予滚筒主体31激励，以此来模拟实际工况下，钢丝绳卷绕在滚筒上，滚筒与钢丝绳之间的微动，从而更加真实得模拟出钢丝绳在卷绕于滚筒上时，两者之间产生微动后，钢丝绳内部各丝之间的摩擦磨损状态；
本发明中，滚筒主体31的宽度和直径设计得较小，并将其设计为半圆型，以便节省材料，节约空间，滚筒主体的内部中空，从而达到减轻重量的目的，滚筒主体31的半圆形表面上加工有弧形的绳槽，钢丝绳沿着绳槽围包，以此来模拟钢丝绳在滚筒上缠绕时卡在绳槽内的状态；
利用本发明所述基于气动控制的提升钢丝绳内部多丝螺旋接触测试装置的试验步骤，包括如下几个步骤：
（1）将中心钢丝一端固定于与长底板连接的第二钢丝绳夹上，另一端穿过带槽压丝板的中心孔、T形承载板二、十二丝扭转块中心孔、承载圆盘二、T形承载板一、六丝扭转块中心孔、承载圆盘一，最后固定在中心钢丝扭转、拉力加载复合机构端的第一钢丝绳夹上；
（2）将第二层和第三层钢丝分别装夹在相应的钢丝绳夹上，再按照内、外层相互紧靠着穿过带槽压丝板的中心孔，使得两层钢丝都被一端固定住，不产生滑移；
（3）将第二层6根钢丝围绕着中心钢丝进行环形排布，从每根钢丝对应的钢丝绳夹开始，依次穿过带槽压丝板的中心孔、T形承载板二、十二丝扭转块中心孔、承载圆盘二、T形承载板一和六丝扭转块中心孔，最后被每根钢丝相应的钢丝绳夹固定，和相应的第一气动滑台连接；
（4）将第三层12根钢丝围绕着第二层钢丝进行环形排布，从每根钢丝对应的钢丝绳夹开始，依次穿过带槽压丝板的中心孔、T形承载板二和十二丝扭转块中心孔，最后被每根钢丝相应的钢丝绳夹固定，和相应的第二气动滑台连接；
（5）操作上位机，打开气泵开始供气，并同时操作上位机通过采集卡的控制模块打开控制第一气动分度盘的电磁阀，第一组钢丝螺旋接触机构上的第一气动分度盘旋转，将第二层6根钢丝扭转；紧接着再次操作上位机，通过采集卡的控制模块打开控制着第二层6根钢丝相应气动滑台的电磁阀和气动比例阀，从而以一定的张紧力张紧第二层6根钢丝；
（6）操作上位机，通过采集卡的控制模块打开控制第二气动分度盘的电磁阀，第二组钢丝螺旋接触机构上的第二气动分度盘旋转，将第三层12根钢丝扭转，紧接着再次通过控制模块控制着第三层12根钢丝相应的第二气动滑台的电磁阀和气动比例阀，从而张紧第三层12根钢丝；至此，共计19根钢丝分三层已全部加载完毕；
钢丝绷直状态下进行摩擦磨损测试包括以下子步骤：
A1、操作上位机，改变气动比例阀的开合度，从而改变气动滑台对每根钢丝的张紧，改变张紧每根钢丝的张紧力；
A2、操作上位机，控制中心钢丝扭转拉伸机构中的第一电动缸动作，带动中心钢丝微动；
A3、操作上位机，控制步进电机工作，带动中心钢丝扭转，以此对捻制后的钢丝绳股进行摩擦磨损实验；
A4、钢丝绳股的摩擦磨损实验结束后，通过三维无线应变仪对磨痕进行测量分析；
通过各钢丝接头处的拉压力传感器测得每根钢丝所受到的实际拉力，并且通过采集卡的采集模块将信号采集到上位机中，并在上位机中将采集到的力值和控制气动滑台的力值进行比较，以此来反馈调节各气路中气动滑台对各根钢丝的张紧力，步进电机处的编码器测得中心钢丝旋转的角度，扭矩传感器测得中心钢丝所受到得扭矩大小，并将二者采集到的数值返回到上位机中。
对加载在滚筒主体上的钢丝绳股进行测试的方法，包括如下几个步骤：
B1、操作上位机，调节每根钢丝对应气路中的气动比例阀，从而改变气动滑台对每根钢丝的张紧，改变张紧每根钢丝的张紧力；
B2、操作上位机，使第二电动缸动作，滚筒主体顺着竖向滑槽向上滑动，与钢丝绳股接触，钢丝绳股嵌入滚筒主体的弧形绳槽内；
B3、操作上位机，使得舵机工作，将U形框绕着旋转轴旋转一定角度；
B4、通过操作手控器，使两个电动推杆动作，将水平绷直的钢丝绳股沿着滚筒主体围包，旋转角度最大为90°；
B5、操作上位机，控制中心钢丝扭转拉伸机构中的第一电动缸动作，带动中心钢丝微动；
B6、通过操作上位机，控制步进电机工作，带动中心钢丝扭转；
B7、通过操作上位机，使得激振器工作，使得滚筒主体与钢丝绳股之间产生高频震动；
通过各钢丝接头处的拉压力传感器测得每根钢丝所受到的实际拉力，并且通过采集卡的采集模块将信号采集到上位机中，并在上位机中将采集到的力值和控制气动滑台的力值进行比较，以此来反馈调节各气路中气动滑台对各根钢丝的张紧力，步进电机处的编码器测得中心钢丝旋转的角度，扭矩传感器测得中心钢丝所受到得扭矩大小，并将二者采集到的数值返回到上位机中。
本发明中，第一电动缸2所提供的振动频率可调，满足了中心钢丝54对不同振动频率的要求，由于气动比例阀可调节，气动滑台的推出力可调可控，所以对每根钢丝的张紧力也是可调可控的。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而这些所有改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于气动控制的提升钢丝绳内部多丝螺旋接触测试装置，包括工作台，以及设置在工作台上部的待测钢丝绳股，待测钢丝绳股一端与设置在工作台一端的多个绳夹连接，另一端沿工作台方向水平悬空布置；
中心钢丝拉扭机构，用于对钢丝绳股中中心钢丝进行扭转和拉力测试，所述中心钢丝的一端连接在位于工作台一端的扭转、拉力加载复合机构，中心钢丝的另一端固定连接在位于工作台另一端的钢丝绳夹上；
至少一组钢丝螺旋接触机构，用于对缠绕在所述中心钢丝外部的至少一层多根钢丝进行螺旋接触测试，多组钢丝螺旋接触机构在所述工作台上沿所述钢丝绳股轴向依次布置并且结构相同，均包括：
扭转块，套接在所述钢丝绳股外部，所述扭转块的内孔具有与所述钢丝绳股外轮廓相适的形状；
旋转盘，轴心处设有用于嵌设所述扭转块的燕尾槽，与所述扭转块套接固定后，用于带动扭转块以及所述中心钢丝外部钢丝绕钢丝绳股自身轴线方向进行转动；
分散机构，设置在旋转盘的一侧表面上，用于对缠绕在所述中心钢丝外部的一层多根钢丝进行分散，包括：多个滑轮支撑单元，多个滑轮支撑单元设置在旋转盘的一侧表面，并沿所述旋转盘的盘面周向均匀布置，各个滑轮支撑单元的顶部分别设有一个滑轮，并且，多个滑轮处于不同的旋转平面，钢丝绳股上的一层钢丝组分散后分别绕过一个滑轮与一个钢丝绳夹固定连接，当旋转盘旋转后，一层多根钢丝可以实现多丝螺旋接触；
张紧机构，用于对分散后的多根钢丝的张紧力进行调节，其特征在于，包括：
承载圆盘，承载圆盘与旋转盘固定连接，两个圆盘平行悬空布置在工作台面上；
多个气动滑台，沿所述承载圆盘一侧表面均匀周向布置，每个气动滑台的滑台表面依次通过T形连接件、拉压力传感器与一个所述钢丝绳夹固定连接；
分气圆环，同轴设置在所述承载圆盘上远离所述旋转盘的一侧，所述分气圆环包括内环、外环、密封圈和分气圆环支架，其中，所述内环套接在承载圆盘的圆周上，分气圆环的外环套接在内环上，内环的环外壁上设有多条环形凹槽，密封圈设置在内环与外环之间的环形凹槽中，用来隔离出多条单独的气路，分气圆环的内环可以在外环中转动；
所述分气圆环支架固定安装在分气圆环外环的底部，并且和工作台面固定连接；
所述外环上对应一条单独的气路设有两个气孔，分别是第一气孔和第二气孔，其中，第一气孔与环外进气管路连接，第二气孔与环外排气管路连接；
所述内环上对应一条单独的气路设有两个气孔，分别是第三气孔和第四气孔，其中，第三气孔与气动滑台进气管道连接，第四气孔与气动滑台排气管道连接；
输气装置，设置在工作台侧，其输气端通过一根主气管分出多路气，每一路气通过一个电磁阀和一个气动比例阀与一个所述环外进气管路的进气端连接，通过电磁阀来控制气动滑台的启停，通过气动比例阀来控制气动滑台的推出力；
旋转驱动机构，用于驱动所述旋转盘绕自身轴线进行旋转，包括：气动分度盘、T形承载板，T形承载板和工作台面固定连接，气动分度盘与T形承载板的一侧连接；
所述T形承载板底部与工作台面固定连接，T形承载板的侧面固定有气动分度盘，在T形承载板上相对于气动分度盘的中心位置开有供钢丝绳股通过的孔；
气动分度盘的上表面和旋转盘固定连接，气动分度盘的旋转带动旋转盘转动，驱动扭转块转动，再带动内部契合的钢丝绳股进行螺旋接触，
所述扭转、拉力加载复合机构包括与所述中心钢丝的一端夹固连接的第一钢丝绳夹、以及连接在第一钢丝绳夹上且沿所述中心钢丝轴向串接的拉压力传感器、扭矩传感器、第一联轴器、步进电机、第二联轴器、编码器以及承载上述部件的连结底板和在所述连结底板下方作为拉伸运动的第一电动缸；
所述步进电机为双出轴步进电机，步进电机通过第一联轴器与旋转编码器连接，旋转编码器反馈出中心钢丝被转动的角度，双出轴的步进电机另一端通过第二联轴器与扭矩传感器连接，步进电机固定在连结底板的立柱上；
所述连结底板底面设有沿工作台面长度方向延伸布置的滑轨机构；
所述第一电动缸固定设置在连结底板的底面，第一电动缸的活塞杆末端通过圆环与一横杆连接，所述横杆固定在工作台面上；
控制器，和所述输气装置、电磁阀、气动比例阀、步进电机、第一电动缸以及气动分度盘信号连接；
所述拉压力传感器、扭矩传感器以及编码器将检测的数据反馈到控制器；
所述控制器用于实时处理反馈各类信号，合成相应的控制输入并发送至相应的执行机构，从而使得螺旋接触机构、张紧机构和滚筒加载机构产生所期望的运动，所述控制器包括多块采集卡和在Windows系统下运行的上位机，其中，数据采集卡用于采集实验过程中产生的各类信号，在基于Labview软件的实时环境下，可通过改变输入值来改变控制输入，这些控制输入再通过数据采集卡传动到各机构的执行部分，产生相应的控制动作。
2.根据权利要求1所述的基于气动控制的提升钢丝绳内部多丝螺旋接触测试装置，其特征在于，所述输气装置为气泵。
3.根据权利要求1所述的基于气动控制的提升钢丝绳内部多丝螺旋接触测试装置，其特征在于，所述滑轨机构包括：
滑轨，包括两条，两条滑轨平行固定在工作台表面且沿工作台长度方向延伸；
所述连结 底板的底部四个角分别固定连接有一个滑块，所述滑块与所述滑轨滑动连接。
4.根据权利要求1所述的基于气动控制的提升钢丝绳内部多丝螺旋接触测试装置，其特征在于，
还包括滚筒加载机构，用于模拟实际生产中钢丝绳股缠绕在滚筒上所产生的摩擦磨损，包括：
一滚筒主体，设置在所述工作台的一端，滚筒主体具有与所述待测钢丝绳股相接触的弧形表面，滚筒主体的左、右两端分别通过滚筒半轴、以及滑块与一U形框滑动连接，所述U形框的两侧内壁上设有供所述滑块导向移动的竖向滑槽，U形框的底部固定连接有第二电动缸，第二电动缸用于带动所述滚筒主体沿U形框的竖向滑槽上、下来回移动；
两个支架，以被测钢丝绳股为中线对称布置在所述工作台上，两个支架的顶部一端朝向钢丝绳股延伸方向分别与一根长悬臂的一端铰接，两根长悬臂的悬空端之间连接有长底板，所述长底板上安装固定有多个钢丝夹具；
每个支架底部一侧，位于所述支架和长悬臂中部之间设有一个气动推杆，当气动推杆做伸缩运动时，长悬臂的悬空端沿着圆弧轨迹运动；
U形框的两侧外壁分别与一根滚筒半轴固定连接，其中一根滚筒半轴的一端与轴承支座连接，另一根滚筒半轴通过轴承座与舵机连接；
所述U形框的底部一侧设有竖向激振器，竖向激振器的输出轴通过传力杆与滚筒主体左、右两侧的任一滚筒半轴连接，以模拟实际工况下，钢丝绳股卷绕在滚筒主体上时滚筒主体与钢丝绳股之间的微动。
5.一种利用如权利要求1~4中任一所述基于气动控制的提升钢丝绳内部多丝螺旋接触测试装置的试验步骤，其特征在于，钢丝绳股包括三层，分别是中心钢丝、包覆在中心钢丝外部的第二层6根钢丝组以及包覆在第二层6根钢丝组外部的第三层12根钢丝组，相应的，钢丝螺旋接触机构包括两组，分别是第二层钢丝的螺旋接触机构和第三层钢丝的螺旋接触结构，包括如下几个步骤：
（1）将中心钢丝一端固定于与长底板连接的第二钢丝绳夹上，另一端穿过带槽压丝板的中心孔、T形承载板二、十二丝扭转块中心孔、承载圆盘二、T形承载板一、六丝扭转块中心孔、承载圆盘一，最后固定在中心钢丝扭转、拉力加载复合机构端的第一钢丝绳夹上；
（2）将第二层和第三层钢丝分别装夹在相应的钢丝绳夹上，再按照内、外层相互紧靠着穿过带槽压丝板的中心孔，使得两层钢丝都被一端固定住，不产生滑移；
（3）将第二层6根钢丝围绕着中心钢丝进行环形排布，从每根钢丝对应的钢丝绳夹开始，依次穿过带槽压丝板的中心孔、T形承载板二、十二丝扭转块中心孔、承载圆盘二、T形承载板一和六丝扭转块中心孔，最后被每根钢丝相应的钢丝绳夹固定，和相应的第一气动滑台连接；
（4）将第三层12根钢丝围绕着第二层钢丝进行环形排布，从每根钢丝对应的钢丝绳夹开始，依次穿过带槽压丝板的中心孔、T形承载板二和十二丝扭转块中心孔，最后被每根钢丝相应的钢丝绳夹固定，和相应的第二气动滑台连接；
（5）操作上位机，打开气泵开始供气，并同时操作上位机通过采集卡的控制模块打开控制第一气动分度盘的电磁阀，第一组钢丝螺旋接触机构上的第一气动分度盘旋转，将第二层6根钢丝扭转；紧接着再次操作上位机，通过采集卡的控制模块打开控制着第二层6根钢丝相应气动滑台的电磁阀和气动比例阀，从而以一定的张紧力张紧第二层6根钢丝；
（6）操作上位机，通过采集卡的控制模块打开控制第二气动分度盘的电磁阀，第二组钢丝螺旋接触机构上的第二气动分度盘旋转，将第三层12根钢丝扭转，紧接着再次通过控制模块控制着第三层12根钢丝相应的第二气动滑台的电磁阀和气动比例阀，从而张紧第三层12根钢丝；至此，共计19根钢丝分三层已全部加载完毕；
钢丝绷直状态下进行摩擦磨损测试包括以下子步骤：
A1、操作上位机，改变气动比例阀的开合度，从而改变气动滑台对每根钢丝的张紧，改变张紧每根钢丝的张紧力；
A2、操作上位机，控制中心钢丝扭转拉伸机构中的第一电动缸动作，带动中心钢丝微动；
A3、操作上位机，控制步进电机工作，带动中心钢丝扭转，以此对捻制后的钢丝绳股进行摩擦磨损实验；
A4、钢丝绳股的摩擦磨损实验结束后，通过三维无线应变仪对磨痕进行测量分析；
通过各钢丝接头处的拉压力传感器测得每根钢丝所受到的实际拉力，并且通过采集卡的采集模块将信号采集到上位机中，并在上位机中将采集到的力值和控制气动滑台的力值进行比较，以此来反馈调节各气路中气动滑台对各根钢丝的张紧力，步进电机处的编码器测得中心钢丝旋转的角度，扭矩传感器测得中心钢丝所受到得扭矩大小，并将二者采集到的数值返回到上位机中。
6.利用如权利要求1~4中任一所述基于气动控制的提升钢丝绳内部多丝螺旋接触测试装置的试验步骤，其特征在于，对加载在滚筒主体上的钢丝绳股进行测试的方法，包括如下几个步骤：
B1、操作上位机，调节每根钢丝对应气路中的气动比例阀，从而改变气动滑台对每根钢丝的张紧，改变张紧每根钢丝的张紧力；
B2、操作上位机，使第二电动缸动作，滚筒主体顺着竖向滑槽向上滑动，与钢丝绳股接触，钢丝绳股嵌入滚筒主体的弧形绳槽内；
B3、操作上位机，使得舵机工作，将U形框绕着旋转轴旋转一定角度；
B4、通过操作手控器，使两个电动推杆动作，将水平绷直的钢丝绳股沿着滚筒主体围包，旋转角度最大为90°；
B5、操作上位机，控制中心钢丝扭转拉伸机构中的第一电动缸动作，带动中心钢丝微动；
B6、通过操作上位机，控制步进电机工作，带动中心钢丝扭转；
B7、通过操作上位机，使得激振器工作，使得滚筒主体与钢丝绳股之间产生高频震动；
通过各钢丝接头处的拉压力传感器测得每根钢丝所受到的实际拉力，并且通过采集卡的采集模块将信号采集到上位机中，并在上位机中将采集到的力值和控制气动滑台的力值进行比较，以此来反馈调节各气路中气动滑台对各根钢丝的张紧力，步进电机处的编码器测得中心钢丝旋转的角度，扭矩传感器测得中心钢丝所受到得扭矩大小，并将二者采集到的数值返回到上位机中。
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