CN112198072A - 一种摩擦磨损与交变应力相互耦合的疲劳测试装置 - Google Patents

一种摩擦磨损与交变应力相互耦合的疲劳测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种摩擦磨损与交变应力相互耦合的疲劳测试装置，包括：下操作台和上操作台，所述上操作台固定连接在下操作台的上端；所述上操作台上固定连接有齿轮电机，所述齿轮电机与齿轮啮合连接，齿轮连接在连接柱上，连接柱的顶端固定连接有液压装置，该装置可以实现对海洋柔性管缆的单独拉伸、弯曲等试验，还可以进行多种试验工况的组合试验，例如拉弯试验、摩擦试验、磨损试验及多工况复合试验，该装置的夹持装置可以进行半径调整，可对多种管径不一样的管道进行试验、还可以对两种不同管径的管道进行挤压、摩擦等多种不同形式的复合试验，因此该装置实现了相互接触构件摩擦磨损和弯曲交变应力共同作用，可以测试两种力学行为的耦合效应。

Description

一种摩擦磨损与交变应力相互耦合的疲劳测试装置
技术领域
本发明涉及大型管缆状试件实现摩擦、磨损、疲劳行为的结构体变形测试技术领域，尤其涉及一种摩擦磨损与交变应力相互耦合的疲劳测试装置。
背景技术
我国海洋油气资源储量丰富，且大多数分布于南海等深水海域。而海缆、脐带缆以及柔性管道等是深海油气开采中不可或缺的装备之一。这类装备可统称为海洋柔顺性管缆，其结构通常由相应的功能构件及加强构件如铠装钢丝等组成。针对不同的工程需求，选用相应功能的管缆；海缆主要负责为海底采油设备提供电能；脐带缆连接于水上浮体与海底装备之间，为海底管汇提供电力、信号传输等实现远程控制；柔性管道主要负责装备之间的油气输送，如图1所示。
通过上述海洋柔性管缆结构特征分析可以发现海缆、脐带缆以及柔性管道为典型的多层多构件螺旋结构。柔性管缆结构设计一般要求至少25年的服役寿命，但有时只运行几年后就发生了疲劳失效。其中与浮式平台连接处的顶部位置，受到极大的自重引起的拉伸荷载，同时受到恶劣海况和大幅度浮体运动引起的反复弯曲荷载，是疲劳失效最危险部位。疲劳失效是动态缆结构最主要的失效模式，是工程界与学术界关注的热点问题。但是，海洋柔性管缆结构内部螺旋缠绕形式的各构件由于受到拉力作用而对内部产生挤压力，从而使得构件间存在摩擦力作用。在弯曲过程中，螺旋构件克服摩擦力从粘滞状态逐渐过渡到相对滑动状态，在反复弯曲过程中进一步产生了磨损损伤，如图2所示。因此，海洋柔性管缆结构在摩擦磨损和交变荷载的共同作用下，内部螺旋缠绕构件上的摩擦应力和交变应力在接触滑动过程中实时相互影响，可见摩擦磨损与交变应力之间存在明显的耦合效应；而且构件所产生的物理损伤，将加速疲劳裂纹萌生和扩展，从而明显降低交变荷载作用下构件的疲劳寿命。
目前，针对这种复杂的摩擦磨损与交变应力相互耦合的结构疲劳失效机理尚不明确，疲劳寿命预测模型还不太成熟。现有理论往往通过理论或数值模型计算危险点的交变应力后，基于光滑构件的线性累积损伤理论进行疲劳分析，计算出来的寿命过于保守，需要采用相关规范推荐的10倍安全系数。随着动态缆应用工况越来越苛刻，如深水及超深水的极端荷载，浮式风电或海洋开采平台的大幅度运动等工况下，柔性管缆疲劳寿命的不准确预测使得合理设计变得越发困难。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种摩擦磨损与交变应力相互耦合的疲劳测试装置，包括：下操作台和上操作台，所述上操作台固定连接在下操作台的上端；
所述上操作台上固定连接有齿轮电机，所述齿轮电机与齿轮啮合连接，所述齿轮连接在连接柱上，所述连接柱的顶端固定连接有液压装置，所述连接柱的下端固定连接有固定板，所述固定板的上表面固定连接有第二齿轮电机，所述第二齿轮电机与带齿条的滑动装置相连接，所述固定板上设置有滑轨，所述固定板的下表面上、与所述滑动装置固定连接有用于紧固待测试管缆的固定装置，工作状态下：齿轮电机运动带动与液压装置连接的齿轮进行圆周转动、进而带动连接柱运动从而实现测试构件在水平面内的圆周运动，通过第二齿轮电机运动、进而带动带齿条的滑动装置在滑轨内的往复运动；
所述下操作台上固定连接有第三齿轮电机，所述第三齿轮电机与带齿轮边的可滑动连接块相连接，所述可滑动连接块与第一球铰链相连接，待测试管缆通过第一球铰链连接在上操作台上，其中待测试管缆的两端连接有夹持装置，待测试管缆的中部连接有拉伸装置，所述拉伸装置的底端连接有第二球铰链，所述第二球铰链上连接有第四齿轮电机；待测试管缆的拉伸过程：通过操作第三齿轮电机的转动、带动带齿条边的可滑动连接块运动从而带动与其连接的第一球铰链运动、进而带动夹持装置运动；待测试管缆的交变弯曲力学行为过程：通过第四齿轮电机的上下运动、带动与其连接的第二球铰链的竖直方向往复运动、进而带动待测试管缆的上连接的拉伸装置上下运动。
进一步的，所述夹持装置包括与待测试管缆相连接的连接端、可旋转连接块、带螺纹的夹持端和螺环，将可旋转连接块与待测试管缆对接、旋转可旋转连接块和螺环使夹持端夹紧待测试管缆。
进一步的，所述滑动装置的上表面固定连接有盖板。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种摩擦磨损与交变应力相互耦合的疲劳测试装置，该装置可以实现对海洋柔性管缆的单独拉伸、弯曲等试验，还可以进行多种试验工况的组合试验，例如拉弯试验、摩擦试验、磨损试验及多工况复合试验，该装置的夹持装置可以进行半径调整，可对多种管径不一样的管道进行试验、还可以对两种不同管径的管道进行挤压、摩擦等多种不同形式的复合试验，因此该装置实现了相互接触构件摩擦磨损和弯曲交变应力共同作用，可以测试两种力学行为的耦合效应。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请中记载的一些实施例，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为本发明中背景技术的说明图；
图2为本发明中背景技术的说明图；
图3为本发明装置的整体结构示意图；
图4为本发明上操作台的结构示意图；
图5为本发明下操作台的结构示意图；
图6为本发明上操作台的结构示意图；
图7为本发明夹持装置的结构示意图。
图中：4、齿轮，5、齿轮电机，6、连接柱，61、固定板，8、滑动装置，9、第二齿轮电机，10、滑轨，11、固定装置，15、拉伸装置，17-1、第一球铰链、17-1、第二球铰链、18、可滑动连接块、19、第三齿轮电机，20、第四齿轮电机，21、连接端，22、可旋转连接块，23、带螺纹的夹持端，24、螺环。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面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的描述：
如图3所示的一种摩擦磨损与交变应力相互耦合的疲劳测试装置，通过操作实验装置即可实现两个螺旋缠绕构件之间的摩擦磨损与交变应力耦合力学行为，包括下操作台2和上操作台1，所述上操作台1固定连接在下操作台2的上端。其中上操作台1上固定连接有齿轮电机5，齿轮电机5与齿轮4啮合连接，齿轮4连接在连接柱6上，连接柱6的顶端固定连接有液压装置3，连接柱6的下端固定连接有固定板61，固定板61的上表面固定连接有第二齿轮电机9，第二齿轮电机9与带齿条的滑动装置8相连接，固定板61上设置有滑轨10，第二齿轮电机9运动带动滑动装置8在滑轨10上往复运动，固定板61的下表面上、与所述滑动装置8固定连接有用于紧固待测试管缆的固定装置11。
如图4和图6所示，上操作台1可以实现测试构件的转动、向下挤压以及沿固定滑道往复平移的功能。具体操作如下：通过操作液压装置3可实现与其相连装置在竖直方向的移动，进而可实现对与其接触的测试构件施加挤压作用，另一方面通过齿轮电机5的运动、带动与液压装置连接的齿轮4的圆周转动，进而带动连接柱6实现测试构件在水平面内的圆周运动，实现接触挤压角度的控制。另外通过带第二齿轮电机9的运动、进而带动带齿条的滑动装置8在滑轨10内的往复运动，并且在带齿轮的滑动装置8上有盖板7，防止带齿轮的滑动装置8运动时，造成其它方向的移动。
如图5所示，所述下操作台2上固定连接有第三齿轮电机19，第三齿轮电机19与带齿轮边的可滑动连接块18相连接，所述可滑动连接块18与第一球铰链17-1相连接，待测试管缆通过第一球铰链17-1连接在上操作台上，其中待测试管缆的两端连接有夹持装置14，待测试管缆的中部连接有拉伸装置15，所述拉伸装置15的底端连接有第二球铰链17-2，所述第二球铰链17-2上连接有第四齿轮电机20；待测试管缆的拉伸过程：通过操作第三齿轮电机19的转动、带动带齿条边的可滑动连接块18运动从而带动与其连接的第一球铰链17-1运动、进而带动夹持装置14运动；待测试管缆的交变弯曲力学行为过程：通过第四齿轮电机20的上下运动、带动与其连接的第二球铰链17-2的竖直方向往复运动、进而带动待测试管缆的上连接的拉伸装置15上下运动。
进一步的，下操作台2可实现与其固定的另一测试构件的拉伸和交变弯曲的功能。首先，通过将连接端24连接到待测试管缆的管道上，旋转螺环24使得带螺纹的夹持端23逐步夹紧，进而将管道固定。之后操作如下：通过操作第三齿轮电机19的转动，带动带齿条边的可滑动连接块18的运动，实现与其连接的第一球铰链17-1的运动，进而带动另一测试构件上安装的夹持装置14运动，实现该构件16的拉伸效应。另一方面，通过第四齿轮电机20的上下运动，带动与其连接的第二球铰链17-2的竖直方向往复运动、带动另一测试构件16上连接的拉伸装置15运动、进而实现该构件的交变弯曲力学行为。
实施例：本装置通过上下操作台的联动，可以实现多种不同的试验状态，使用该实验装置进行测试方法如下：
按图示及以上描述，将上操作台1和下操作台2上的各零部件进行组装。
从海洋柔性管缆结构中截取相互接触的两螺旋缠绕构件，并将其做校直处理。根据实验装置几何空间，确定待测试构件尺寸并标记为A和B。
上操作台1可以实现构件的转动、向下挤压以及沿固定滑道平移的功能。具体固定夹持操作为将试件A通过固定装置11固定于滑动装置8上，如图2中所示。
如图7所示，下操作台2可实现与其固定的另一测试构件的拉伸和交变弯曲的功能。具体将连接端21连接到管道上，旋转螺环24使得带螺纹的夹持端23逐步夹紧进而将管道固定，将试件B通过夹持装置14固定于下操作台上，如图3所示。
将所有齿轮电机连接在电源上，将电机控制开关关闭。根据结构需要进行的运动状态，对应打开相应的电机。
通过操作液压装置3可实现与其相连装置在竖直方向的移动，进而可实现对与其接触的另一测试构件之间挤压作用，逐步调整挤压位移直到压力为设定的接触压力值。
另一方面通过齿轮电机5的运动，带动于液压装置3连接的齿轮4的圆周转动，进而带动连接柱6实现构件在水平面内的圆周运动，将其调整到预定的相互接触夹角位置。
通过操作第三齿轮电机19的转动，带动带齿条边的可滑动连接块18的运动，实现与其连接的第一球铰链17-1的运动，进而带动构件夹持装置14运动，实现构件B的拉伸作用。微调第三齿轮电机19的转动位移直到构件B所承受的拉伸荷载为预定的拉伸荷载值。
通过第三齿轮电机19的运动，进而带动带齿条的滑动装置8在滑轨10内的往复运动，并设定往复运动的幅值，进而实现在设定范围内的运动。
另一方面，通过第四齿轮电机20的上下运动，带动与其连接的第二球铰链17-2的竖直方向往复运动，带动构件16上连接的拉伸装置15进而实现构件B的交变弯曲作用，同时设定交变频率和弯曲应力幅值的大小，实现构建在需求的频率和运动幅值设定上的往复运动。
上述实验操作确定后，同步开启构件A的往复平动和构件B的交变弯曲操作，并记录实际构件A的往复频率和幅值，以及构件B的交变弯曲应力幅值和频率。直到构件B发生疲劳断裂破坏停止实验。
通过改变接触压力、挤压角度、往复相对滑动频率和幅值以及交变弯曲应力幅值和频率参数，多次测试并对采集相应的数据进行统计及误差分析，给出合理的测试结果并最终形成完整实验报告。
本发明公开的装置可以模拟两构件挤压角度不同时的摩擦磨损行为，可以用于单一构件摩擦磨损实验或者构件交变应力疲劳实验测试，具有多功能特征，由于实验装置中连接构件于驱动器的装置为球铰链，其可以抵消由于拉伸作用而导致的附加弯矩效应，实验装置中弯曲交变力学行为通过环形套牵引下部构件上下往复运行进而实现的，因此，弯曲交变应力幅值具有可调节性，模拟更为广泛的实际工况，并且上下构件夹持装置可以同时固定多根构件，用于模拟多构件接触摩擦磨损与交变应力的耦合效应，该实验装上驱动装置为独立的控制系统，具有可编程调控性，通过各个通道的单独控制方便模拟不同实际情况下构件摩擦磨损与交变应力的耦合效应。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种摩擦磨损与交变应力相互耦合的疲劳测试装置，其特征在于包括：下操作台和上操作台，所述上操作台固定连接在下操作台的上端；
所述上操作台上固定连接有齿轮电机(5)，所述齿轮电机(5)与齿轮(4)啮合连接，所述齿轮(4)连接在连接柱(6)上，所述连接柱(6)的顶端固定连接有液压装置(3)，所述连接柱(6)的下端固定连接有固定板(61)，所述固定板(61)的上表面固定连接有第二齿轮电机(9)，所述第二齿轮电机(9)与带齿条的滑动装置(8)相连接，所述固定板(61)上设置有滑轨(10)，所述固定板(61)的下表面上、与所述滑动装置(8)固定连接有用于紧固待测试管缆的固定装置(11)，工作状态下：齿轮电机(5)运动带动与液压装置(3)连接的齿轮(4)进行圆周转动、进而带动连接柱(6)运动从而实现测试构件在水平面内的圆周运动，通过第二齿轮电机(9)运动、进而带动带齿条的滑动装置(8)在滑轨(10)内的往复运动；
所述下操作台上固定连接有第三齿轮电机(19)，所述第三齿轮电机(19)与带齿轮边的可滑动连接块(18)相连接，所述可滑动连接块(18)与第一球铰链(17-1)相连接，待测试管缆通过第一球铰链(17-1)连接在上操作台上，其中待测试管缆的两端连接有夹持装置(14)，待测试管缆的中部连接有拉伸装置(15)，所述拉伸装置(15)的底端连接有第二球铰链(17-2)，所述第二球铰链(17-2)上连接有第四齿轮电机(20)；待测试管缆的拉伸过程：通过操作第三齿轮电机(19)的转动、带动带齿条边的可滑动连接块(18)运动从而带动与其连接的第一球铰链(17-1)运动、进而带动夹持装置(14)运动；待测试管缆的交变弯曲力学行为过程：通过第四齿轮电机(20)的上下运动、带动与其连接的第二球铰链(17-2)的竖直方向往复运动、进而带动待测试管缆的上连接的拉伸装置(15)上下运动。
2.根据权利要求1所述的一种摩擦磨损与交变应力相互耦合的疲劳测试装置，其特征还在于：所述夹持装置(14)包括与待测试管缆相连接的连接端(21)、可旋转连接块(22)、带螺纹的夹持端(23)和螺环(24)，将可旋转连接块(22)与待测试管缆对接、旋转可旋转连接块(22)和螺环(24)使夹持端(23)夹紧待测试管缆。
3.根据权利要求1所述的一种摩擦磨损与交变应力相互耦合的疲劳测试装置，其特征还在于：所述滑动装置(8)的上表面固定连接有盖板(7)。
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