CN112520536B - 一种缠绕式提升机钢丝绳低温振动测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缠绕式提升机钢丝绳低温振动测试装置，包括一号卷筒和二号卷筒、钢丝绳振动机构、直线滑移机构以及设置在一号卷筒周围，用以模拟外界环境温度的低温恒温装置；所述一号卷筒和二号卷筒平行布置且处于不同的高度，待测钢丝绳一端与一号卷筒处的第一卡绳器卡固连接，另一端绕过所述钢丝绳振动机构后绕至二号卷筒，与二号卷筒处的第二卡绳器卡固连接；所述钢丝绳振动机构用于实现对运动中的待测钢丝绳施加平面内、外横向振动以及复合振动。本发明缠绕式提升机钢丝绳低温振动测试装置，能够基于实现钢丝绳在不同环境温度下平面内、外的纵向振动及复合振动，模拟缠绕式提升机在不同环境温度及振动形式下钢丝绳的运动及磨损行为。

Description

一种缠绕式提升机钢丝绳低温振动测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种缠绕式提升机钢丝绳低温振动测试装置。

背景技术

目前，大型矿井提升多采用多绳摩擦式提升和多层缠绕式提升的方式来进行井上和井下的物资及人员传输。由于受钢丝绳应力波动的限制，多绳摩擦式提升机理论极限提升深度为1700 m，已不再适用更深层次的煤炭资源开采，故南非、加拿大等国开始采用多层缠绕式提升机开采更深层次的矿产资源，其最大提升深度超过3000 m，缠绕层数多达4层。然而，在我国，《煤矿安全规程（2016版）》第四百一十八条规定：“各种提升装置的卷筒上缠绕的钢丝绳层数必须符合下列要求：立井中升降人员或者升降人员和物料的不超过1层，专为升降物料的不超过2层”。该规定严重制约了我国缠绕式矿井提升机的发展，究其原因，主要是因为在超深矿井提升机运行工况恶劣、苛刻，复杂的接触特性极易引发钢丝绳的摩擦磨损进而降低其服役寿命，严重威胁提升安全，因钢丝绳失效断裂引发的重大人员伤亡时有发生，再加上人们并没有完全掌握超深矿井多层缠绕式提升机在大吨位高速运行下钢丝绳的磨损机理及其剩余寿命评估，故国家出此规定。由此可知，探究恶略工况下钢丝绳摩擦磨损性能对超深矿井多层缠绕式提升机的发展至关重要。

专利号为CN201610567586.9公布了一种超深立井缠绕式提升钢丝绳摩擦腐蚀疲劳损伤监测装置及方法，该装置主要用于检测不同腐蚀溶液下具有不同拉伸载荷的钢丝绳间相互摩擦磨损行为。

专利号为CN201610093465.5公布了一种千米深井提升钢丝绳多轴微动腐蚀疲劳损伤监测装置及方法，该装置主要用于进行不同温度、腐蚀溶液PH值以及多轴微动疲劳参数下钢丝绳的疲劳实验。

但是两篇专利主要用于研究腐蚀及温度工况对钢丝绳微动磨损的影响。

目前，未见有公开专利及文献用于研究低温工况下振动对多层缠绕提升钢丝绳摩擦磨损的影响。

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，提供了一种多缠绕式提升机钢丝绳低温振动测试装置，能够实现钢丝绳在不同环境温度下平面内、外的纵向振动及复合振动下钢丝绳运行行为，模拟缠绕式提升机在不同环境温度及振动形式下钢丝绳的运动及磨损行为，可进行疲劳分析以及钢丝绳磨损形貌分析。

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：

一种缠绕式提升机钢丝绳低温振动测试装置，包括一号卷筒和二号卷筒、设置在所述一号卷筒和二号卷筒之间的钢丝绳振动机构、直线滑移机构以及设置在一号卷筒周围，用以模拟外界环境温度的低温恒温装置；

所述一号卷筒和二号卷筒平行布置且处于不同的高度，待测钢丝绳一端与一号卷筒处的第一卡绳器卡固连接，另一端绕过所述钢丝绳振动机构后绕至二号卷筒，与二号卷筒处的第二卡绳器卡固连接；

所述钢丝绳振动机构用于实现对运动中的待测钢丝绳施加平面内、外横向振动以及复合振动；

直线滑移机构，设置在所述钢丝绳振动机构的底部，用于改变整个钢丝绳振动机构在一号卷筒和二号卷筒之间的位置，以改变待测钢丝绳的仰角，方便观测仰角对提升机钢丝绳磨损行为的影响；

力传感器，用于检测待测钢丝绳的纵向力。

还包括排绳机构，设置在一号卷筒上位于待测钢丝绳伸出方向的一侧，用于防止待测钢丝绳乱绳，包括第二丝杠，所述第二丝杠设置在所述一号卷筒的上位于待测钢丝绳伸出方向的一侧，第二丝杠的一端通过链轮传动机构与所述一号卷筒的同轴实现同步转动；第二丝杠上设有导向块，所述导向块下端面与第二导轨连接，上端面与所述力传感器连接，导向块上半部分与竖直方向成30度夹角，力传感器的上部设有导向轮，位于一号卷筒绕出端与导向轮入绳端之间的待测钢丝绳在水平平面内；

所述第一丝杠的螺距与一号卷筒绳槽节距相等且链轮的传动比为1，起排绳作用，能够有效防止待测钢丝绳乱绳。

所述力传感器为称重传感器。

所述一号卷筒的筒轴通过第一联轴器依次连接扭矩转速传感器和一号电机；

所述二号卷筒的筒轴一端通过第二联轴器与二号电机连接，另一端连接有磁粉测功机。

所述钢丝绳振动机构包括：型材立柱、型材安装板、上机架、上导轨、弹簧、一号模态激振器、下导轨、二号模态激振器、下机架以及天轮，其中，

所述型材立柱上固定所述型材安装板，所述型材安装板上固定连接一号模态激振器，一号模态激振器的输出轴与所述上机架连接，所述上机架通过竖向直线滑移机构与所述型材安装板之间滑动连接；

所述型材安装板与上机架之间设有弹簧，通过所述弹簧抵消待测钢丝绳对天轮在竖直方向的压力；

所述上机架的底部固定连接有二号模态激振器，二号模态激振器的输出轴与下机架连接，下机架的上端通过水平向直线滑移机构与上机架之间滑动连接，下机架的下端转动连接所述天轮，所述天轮上支撑连接所述待测钢丝绳。

所述直线滑移机构包括：上底板、三号电机、第一丝杠以及第一导轨，其中，所述上底板设置在整个钢丝绳振动机构的底部，与所述型材立柱通过螺栓连接；

所述第一丝杠沿天轮径向方向设置，第一丝杠的端部通过联轴器与所述三号电机连接，第一丝杠上的导向块与所述上底板固定连接；

上底板的底部两侧设有导向用的第一导轨。

所述低温恒温装置包括低温恒温槽以及管道，所述管道包覆设置在所述一号卷筒的上面、下面以及后面三面处，管道连接低温恒温槽的出水口以及进水口，低温恒温槽的冷却液通过出水口，流经试验装置所在区域并最终流回入水口，完成对试验装置所在环境温度的改变。

本发明进一步公开一种基于所述缠绕式提升机钢丝绳低温振动测试装置的试验方法，包括以下步骤：

（1）启动直线滑移机构，将钢丝绳振动机构推移至实验所需位置，到达后锁定；

（2）将待测钢丝绳一端经二号卷筒卡绳器卡固连接后，沿二号卷筒绳槽缠绕n层，n＞0，待测钢丝绳绕出后经钢丝绳振动机构绕入一号卷筒，并与一号卷筒绳卡绳器卡固连接；

（3）对待测钢丝绳施加纵向载荷，驱动一号卷筒，待二号卷筒上的钢丝绳全部绕出后，一号卷筒停止转动，驱动二号卷筒使二号卷筒反转至初始位置；

（4）打开低温恒温装置，设置相关参数，低温恒温装置内设有温度传感器，等待低温恒温装置测得的环境温度稳定至实验要求温度；

（5）根据实验所需振动力大小、振动频率设置钢丝绳振动机构的振动参数；

（6）启动一号卷筒，在二号卷筒处的待测钢丝绳完全绕出前停转一号卷筒；

（7）启动二号卷筒，使二号卷筒反转至初始位置；

通过设置在一号卷筒端部的扭矩转速传感器测得一号卷筒的实际转速；

通过低温恒温装置可测得钢丝绳工作的环境温度。

有益效果：

本发明可以模拟不同环境温度工况下缠绕式提升机钢丝绳的振动摩擦磨损行为，主要优点有：

第一.基于相似理论将实际缠绕式矿井提升装置进行缩小，降低了实验成本。

第二.模拟了不同环境温度对缠绕式提升机钢丝绳磨损行为的影响，对提升机钢丝绳在不同地域的应用有极大的参考价值。

第三.通过弹簧抵消待测钢丝绳对天轮在竖直方向的压力，极大的降低了对模态激振器输出力的要求，降低了采购设备的成本，且使振动输出波形更规律。

第四.可以实现对运动中的待测钢丝绳施加平面内、外横向振动、复合振动以及不施加振动的功能，便于研究振动力大小、方向以及频率对缠绕式提升机钢丝绳摩擦磨损行为的影响。

第五.可根据实验要求，改变直线滑移机构的推移距离，从而改变待测钢丝绳的仰角，方便观测仰角对提升机钢丝绳磨损行为的影响。

附图说明

图1为发明缠绕式提升机钢丝绳低温振动测试装置的主视图；

图2为发明缠绕式提升机钢丝绳低温振动测试装置的俯视图；

图3为发明缠绕式提升机钢丝绳低温振动测试装置的钢丝绳振动机构主要结构视图；

图4为发明缠绕式提升机钢丝绳低温振动测试装置的直线滑移机构视图；

图5为发明缠绕式提升机钢丝绳低温振动测试装置的排绳机构主视图；

图6为图5的侧视图；

其中：1、二号电机；2、二号卷筒；3、磁粉测功机；4、第一导轨；5、上底板；6、第一丝杠；7、三号电机；8、导向轮；9、链轮；10、管道；11、低温恒温装置；12、扭矩转速传感器；13、一号电机；14-A、导向块；14-B、第二丝杠；14-C、第二导轨；15、一号卷筒机架；16、待测钢丝绳；17、天轮；18、一号模态激振器；19、弹簧及弹簧座；20、下导轨；21、上导轨；22、二号模态激振器；23、一号卷筒；24、称重传感器；25-A、上机架；25-B、型材安装板；25-C、下机架；26、二号卷筒机架。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

如图1、图2，缠绕式提升机钢丝绳低温振动测试装置，包括钢丝绳驱动机构、钢丝绳负载机构、钢丝绳振动机构、直线滑移机构、低温恒温装置以及待测钢丝绳16；

本实施例中，钢丝绳驱动机构包括一号电机13、扭矩转速传感器12、一号卷筒23、链轮9、导向轮8、称重传感器24、导轨、第二丝杠14-B、一号卷筒机架15以及第一卡绳器，其中，所述的一号电机13、扭矩转速传感器12、一号卷筒23通过联轴器依次连接，所述的一号卷筒23的轴通过链轮9与第二丝杠14-B实现同步传动连接，所述的第二丝杠14-B的导向块14-A上端面与称重传感器24连接，下端面与第二导轨14-C连接，所述的称重传感器另一端面与导向轮8连接；

所述的第一卡绳器位于一号卷筒23左端，所述的一号电机13、导轨以及扭矩转速传感器12通过螺栓与一号卷筒机架15连接，所述的一号卷筒23以及第一丝杠通过轴承及轴承座与一号卷筒机架15连接；

本实施例中，钢丝绳负载机构包括二号电机1、二号卷筒2、第二卡绳器、二号卷筒机架26以及磁粉测功机3，所述的二号电机1、二号卷筒2以及磁粉测功机3通过联轴器依次连接，所述的第二卡绳器位于二号卷筒2左端，所述的二号电机1以及磁粉测功机3通过螺栓与二号卷筒机架26连接，所述的二号卷筒2通过轴承及轴承座与二号卷筒机架26连接；

本实施例中，钢丝绳振动机构包括天轮17、上导轨21、下导轨20、一号模态激振器18、二号模态激振器22、弹簧及弹簧座19以及钢丝绳振动机构机架，所述的钢丝绳振动机构机架包括上机架25-A、下机架25-C、型材立柱以及型材安装板25-B四部分，所述的型材安装板25-B与上机架25-A通过上导轨21以及弹簧及弹簧座19连接，所述的一号模态激振器18输出轴与上机架25-A连接，一号模态激振器18通过底座与型材安装板25-B连接；

所述的下导轨20滑块以及二号模态激振器22底座通过螺栓与上机架25-A连接，所述的下导轨20支撑座以及二号模态激振器22输出轴通过螺栓与下机架25-C连接，所述的天轮17通过轴承及轴承座与下机架25-C连接；

本实施例中，直线滑移机构包括三号电机7、第一丝杠6、第一导轨4以及上底板5，所述的三号电机通过联轴器与第一丝杠6连接，所述的第一丝杠6以及第一导轨4通过螺栓与上底板5连接。

本实施例中，低温恒温装置包括低温恒温装置11以及管道10，管道10连接低温恒温装置11的出水口以及进水口，低温恒温装置11的冷却液通过出水口，流经试验装置所在区域并最终流回入水口，完成对试验装置所在环境温度的改变。

本实施例中，所述一号卷筒的上位于待测钢丝绳伸出方向的一侧设有第二丝杠，所述第二丝杠的一端通过链轮传动机构与所述一号卷筒的同轴实现同步转动；第二丝杠上设有导向块，所述导向块下端面与导轨连接，上端面与称重传感器连接，导向块上半部分与竖直方向成30度夹角，称重传感器的上部设有导向轮，位于一号卷筒绕出端与导向轮入绳端之间的待测钢丝绳在水平平面内；

由于导向轮所受钢丝绳的合力方向与竖直方向所成角度在30度左右，所以本实施例中将导向块上半部分与竖直方向设置成30度夹角。

本实施例中，待测钢丝绳16一端与一号卷筒23处的第一卡绳器卡固连接，另一端绕过导向轮8、天轮17后绕至二号卷筒2，与二号卷筒2处的第二卡绳器卡固连接。

本发明缠绕式提升机钢丝绳低温振动测试装置的试验步骤如下：

（1）打开三号电机7，将钢丝绳振动机构推移至实验所需位置，锁紧三号电机7；

（2）将待测钢丝绳16一端经二号卷筒2第二卡绳器卡固连接后，沿二号卷筒2绳槽缠绕n（n＞0）层，待测钢丝绳16绕出后经天轮17、导向轮8绕入一号卷筒23，并与一号卷筒23第一绳卡绳器卡固连接；

（3）打开磁粉测功机3并设置相关参数，对待测钢丝绳16施加纵向载荷，打开一号电机13，待二号卷筒2上的钢丝绳全部绕出后，关闭一号电机13及磁粉测功机3，打开二号电机1使二号卷筒2反转至初始位置；

（4）打开低温恒温装置11，设置相关参数，等待低温恒温装置11测得的环境温度稳定至实验要求温度；

（5）根据实验所需振动力大小、振动频率设置一号模态激振器18以及二号模态激振器22的参数，并根据所需施加振动力的方向打开相应的模态激振器；

（6）设置一号电机13参数并启动，在二号卷筒2处的待测钢丝绳16完全绕出前关闭一号电机13；

（7）关闭磁粉测功机3，设置二号电机1参数并启动，使二号卷筒2反转至初始位置。

通过称重传感器24可测得待测钢丝绳16纵向力的大小，通过扭矩转速传感器12可测得电机实际转速，通过低温恒温装置11可测得钢丝绳工作的环境温度。

本发明中，一号卷筒23及二号卷筒2绳槽形式可换，可以测试不同绳槽对实验结果的影响；

一号模态激振器18以及二号模态激振器22参数可调，可以测试不同振动频率以及振动力对实验结果的影响；

直线滑移机构推移距离可调，可以测试不同仰角对实验结果的影响，低温恒温装置11参数可调，可以测试不同环境温度对实验结果的影响。

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 (5)

1.一种缠绕式提升机钢丝绳低温振动测试装置，其特征在于，包括一号卷筒和二号卷筒、设置在所述一号卷筒和二号卷筒之间的钢丝绳振动机构、直线滑移机构以及设置在一号卷筒周围，用以模拟外界环境温度的低温恒温装置；

所述一号卷筒和二号卷筒平行布置且处于不同的高度，待测钢丝绳一端与一号卷筒处的第一卡绳器卡固连接，另一端绕过所述钢丝绳振动机构后绕至二号卷筒，与二号卷筒处的第二卡绳器卡固连接；

所述钢丝绳振动机构用于实现对运动中的待测钢丝绳施加平面内、外横向振动以及复合振动；

直线滑移机构，设置在所述钢丝绳振动机构的底部，用于改变整个钢丝绳振动机构在一号卷筒和二号卷筒之间的位置，以改变待测钢丝绳的仰角，方便观测仰角对提升机钢丝绳磨损行为的影响；

力传感器，用于检测待测钢丝绳的纵向力；

所述钢丝绳振动机构包括：型材立柱、型材安装板、上机架、上导轨、弹簧、一号模态激振器、下导轨、二号模态激振器、下机架以及天轮，其中，

所述型材立柱上固定所述型材安装板，所述型材安装板上固定连接一号模态激振器，一号模态激振器的输出轴与所述上机架连接，所述上机架通过竖向直线滑移机构与所述型材安装板之间滑动连接；

所述型材安装板与上机架之间设有弹簧，通过所述弹簧抵消待测钢丝绳对天轮在竖直方向的压力；

所述上机架的底部固定连接有二号模态激振器，二号模态激振器的输出轴与下机架连接，下机架的上端通过水平向直线滑移机构与上机架之间滑动连接，下机架的下端转动连接所述天轮，所述天轮上支撑连接所述待测钢丝绳；

所述直线滑移机构包括：上底板、三号电机、第一丝杠以及第一导轨，其中，所述上底板设置在整个钢丝绳振动机构的底部，与所述型材立柱通过螺栓连接；

所述第一丝杠沿天轮径向方向设置，第一丝杠的端部通过联轴器与所述三号电机连接，第一丝杠上的导向块与所述上底板固定连接；

上底板的底部两侧设有导向用的第一导轨；

所述低温恒温装置包括低温恒温槽以及管道，所述管道包覆设置在所述一号卷筒的上面、下面以及后面三面处，管道连接低温恒温槽的出水口以及进水口，低温恒温槽的冷却液通过出水口，流经试验装置所在区域并最终流回入水口，完成对试验装置所在环境温度的改变。

2.根据权利要求1所述的缠绕式提升机钢丝绳低温振动测试装置，其特征在于，还包括排绳机构，设置在一号卷筒上位于待测钢丝绳伸出方向的一侧，用于防止待测钢丝绳乱绳，包括第二丝杠，所述第二丝杠设置在所述一号卷筒的上位于待测钢丝绳伸出方向的一侧，第二丝杠的一端通过链轮传动机构与所述一号卷筒的同轴实现同步转动；第二丝杠上设有导向块，所述导向块下端面与第二导轨连接，上端面与所述力传感器连接，导向块上半部分与竖直方向成30度夹角，力传感器的上部设有导向轮，位于一号卷筒绕出端与导向轮入绳端之间的待测钢丝绳在水平平面内；

所述第一丝杠的螺距与一号卷筒绳槽节距相等且链轮的传动比为1，起排绳作用，能够有效防止待测钢丝绳乱绳。

3.根据权利要求2所述的缠绕式提升机钢丝绳低温振动测试装置，其特征在于，所述力传感器为称重传感器。

4.根据权利要求1所述的缠绕式提升机钢丝绳低温振动测试装置，其特征在于，所述一号卷筒的筒轴通过第一联轴器依次连接扭矩转速传感器和一号电机；

所述二号卷筒的筒轴一端通过第二联轴器与二号电机连接，另一端连接有磁粉测功机。

5.一种基于权利要求1~4中任一所述缠绕式提升机钢丝绳低温振动测试装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）启动直线滑移机构，将钢丝绳振动机构推移至实验所需位置，到达后锁定；

（2）将待测钢丝绳一端经二号卷筒卡绳器卡固连接后，沿二号卷筒绳槽缠绕n层，n＞0，待测钢丝绳绕出后经钢丝绳振动机构绕入一号卷筒，并与一号卷筒绳卡绳器卡固连接；

（3）对待测钢丝绳施加纵向载荷，驱动一号卷筒，待二号卷筒上的钢丝绳全部绕出后，一号卷筒停止转动，驱动二号卷筒使二号卷筒反转至初始位置；

（4）打开低温恒温装置，设置相关参数，低温恒温装置内设有温度传感器，等待低温恒温装置测得的环境温度稳定至实验要求温度；

（5）根据实验所需振动力大小、振动频率设置钢丝绳振动机构的振动参数；

（6）启动一号卷筒，在二号卷筒处的待测钢丝绳完全绕出前停转一号卷筒；

（7）启动二号卷筒，使二号卷筒反转至初始位置；

通过设置在一号卷筒端部的扭矩转速传感器测得一号卷筒的实际转速；

通过低温恒温装置可测得钢丝绳工作的环境温度。

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