一种钢丝多轴微动疲劳试验装置及方法
【专利摘要】一种钢丝多轴微动疲劳试验装置及方法，装置包括基架、拉-扭疲劳系统、摆动加载系统、状态监测系统：基架包括底座、对称设置在底座上的支撑立柱、设置在支撑立柱顶部的承载梁、置于支撑立柱中部的支撑夹块；拉-扭疲劳系统包括支撑系统、扭转驱动系统、拉-拉疲劳系统；摆动加载系统包括摆动驱动系统和加载系统；状态监测系统包括微动测量系统、轴向疲劳载荷测量系统、扭转测量系统、摆动测量系统。通过调整偏心块的偏心位置，经曲柄连杆机构的疲劳钢丝扭转角；能够实现拉-拉疲劳、扭转和变交叉角摆动等复合运动模式下钢丝的多轴微动疲劳实验，用于揭示钢丝多轴微动疲劳断裂机理、定量评价钢丝的多轴微动疲劳损伤演化和多轴微动疲劳寿命。
【专利说明】 一种钢丝多轴微动疲劳试验装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种钢丝多轴微动疲劳试验装置及方法，尤其是一种能够实现拉-拉疲劳、扭转和变交叉角摆动等复合运动模式下钢丝的多轴微动疲劳实验装置及方法。
【背景技术】
[0002]我国煤炭资源总量约5.57万亿吨，其中53%的煤炭资源深埋在千米地层以下。目前，我国大中型煤矿的平均开采深度为456m，超千米深井已达47个，且其数量在逐年增加。随着矿井开采走向深部和现代化大型矿井高效生产的要求，立井多绳摩擦式提升系统(包括提升机、提升钢丝绳、提升容器等)以其提升能力大、提升高度大、提升速度快、安全系数高和机器尺寸小等优点被广泛应用于超千米深井提升中，担负着提升煤炭、下放材料、升降人员和设备的任务。提升钢丝绳作为立井多绳摩擦式提升系统的关键传动部件，连接着提升机和提升容器，其可靠性严重影响煤矿的安全生产和职工生命安全，一旦提升钢丝绳发生失效断裂将导致机毁人亡重大恶性安全事故的发生。《煤矿安全规程》规定:提升钢丝绳使用寿命应不超过2年，如果钢丝绳的断丝、直径缩小和锈蚀程度不超过规程的规定，可继续使用，但不得超过I年。大多数浅部矿井提升钢丝绳的寿命都可以达到2年，而千米级深部矿井提升钢丝绳的使用寿命平均不超过6个月，严重影响了深部矿井的安全高效生产，而且频繁换绳会造成巨大的经济损失(每更换一次钢丝绳耗费数百万元)。因此，探究千米深井提升钢丝绳的特殊失效模式，对保障大型矿山提升装备的安全可靠运行有重要的意义。
[0003]在立井提升循环中(提起终端载荷、提升过程和卸载)，提升钢丝绳由于循环地绕入和绕出滚筒而反复地承受拉伸、弯曲和扭转作用；在浅井提升时，提升钢丝绳的扭转应力较小，可以忽略不计，而随着提升高度的增加，尤其当提升高度达到千米深度时，扭转应力对提升钢丝绳寿命的影响变得越来越大。在提升过程中，提升机的加、减速特性和时变的悬垂钢丝绳长度导致立井摩擦式提升系统的振动特性，因而提升钢丝绳承受动载荷作用。这些载荷均会导致提升钢丝绳(以一定捻角由丝捻成股、股捻成绳的复杂螺旋结构)内部钢丝间的接触载荷和相对滑移，即微动磨损；微动磨损与循环拉伸或弯曲载荷的共同作用导致钢丝的微动疲劳；微动疲劳和循环扭矩载荷的共同作用引起拉伸-扭转复合载荷作用下钢丝的多轴微动疲劳。因此，揭示钢丝多轴微动疲劳断裂机理、定量评价钢丝的多轴微动疲劳损伤演化和多轴微动疲劳寿命，对提高千米深井提升钢丝绳使用寿命、保证深部矿井安全生产、避免人员伤亡和设备损坏、保障我国能源供应具有重要意义。
[0004]所以，提出一种钢丝多轴微动疲劳试验装置及方法，实时动态监测多轴微动疲劳过程中疲劳钢丝的位移幅值、交变载荷、扭矩、扭转角、切向力以及钢丝间交叉角度和摆动驱动扭矩等多轴微动疲劳损伤参数，用以揭示钢丝多轴微动疲劳断裂机理、定量评价钢丝的多轴微动疲劳损伤演化和多轴微动疲劳寿命。
[0005]微动疲劳方面的试验装置包括:专利号为200810304928.3公开了一种对试件施加叠加磨损载荷的轴向疲劳实验方法及装置，采用减速器结构的磨损载荷装置，对构件同时施加磨损载荷和疲劳载荷；专利号为200910182122.6公开了一种钢丝微动疲劳试验机及方法，通过水平加载装置对轴向钢丝施加加载载荷，并通过轴向夹紧、拉压装置对钢丝试样作用轴向疲劳应力，实现对钢丝试样的微动磨损和轴向疲劳应力共同作用的微动疲劳试验；专利号为201110195119.5公开了一种监测钢丝微动疲劳状态的实验方法及装置，通过控制液压升降台上下运动对试验钢丝施加轴向交变载荷，通过水平加载装置对轴向钢丝施加加载载荷，试验钢丝发生微动疲劳现象，切向力通过设在加载块上的内螺纹连接杆传递给轮辐式拉压传感器，能够动态记录实验过程中接触钢丝间的切向力和试验钢丝的声发射信号；上述试验装置均针对单轴拉伸作用下试件的微动疲劳实验。专利号为201210062350.1公开了一种试验环境可控的多向微动疲劳试验机及其试验方法，试验机包括由电磁激振作动器激励的垂向微动机构和由压电陶瓷作动器横向二维微动机构，可以评价刚性材料的多向微动摩擦磨损性能，不适于细长柔性体钢丝的多轴微动疲劳损伤演化和断裂机理的评价。
【发明内容】
[0006]技术问题:本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种结构紧凑、功能齐全、方法简便、易操作的钢丝多轴微动疲劳试验装置及方法。
[0007]技术方案:本发明的钢丝多轴微动疲劳试验装置，包括基架、设在基架上的拉-扭疲劳系统、设在基架中部的摆动加载系统、疲劳钢丝、状态监测系统；
[0008]所述的基架包括底座、对称设置在底座上的两个支撑立柱、两个支撑立柱的顶部设有承载梁，支撑立柱的中部对称套装有左右两个支撑夹块；所述支撑夹块为分体式带圆弧孔块体，靠近疲劳钢丝一侧的支撑夹块带有固定轴承支座的半圆柱状凸台；
[0009]所述拉-扭疲劳系统包括设在支撑夹块上的支撑系统、设在承载梁与疲劳钢丝之间的扭转驱动系统、设在底座上的拉-拉疲劳系统；
[0010]所述支撑系统包括嵌装于承载梁中部孔槽底部的垫板、通过螺钉与垫板固定在一起的内螺纹轴，内螺纹轴的下部设有圆锥滚子轴承；
[0011]所述扭转驱动系统包括设在承载梁上的电机一、与电机一输出轴连接的偏心块一、与偏心块一连接的连杆一、与连杆一相连接的驱动盘、与驱动盘通过螺钉连接的杯状连接套，杯状连接套的杯底连接有拉扭传感器，所述的偏心块一、连杆一和驱动盘构成曲柄连杆机构，所述的驱动盘套装在内螺纹轴上，并与圆锥滚子轴承相配合；
[0012]所述的拉-拉疲劳系统包括设在底座上的液压缸和与液压相对设在拉扭传感器上的上夹持块，液压缸的活塞杆上设有下夹持块、上夹持块和下夹持块之间垂直固定有用于试验的疲劳钢丝；
[0013]所述的摆动加载系统包括摆动驱动系统和加载系统；
[0014]所述摆动驱动系统包括分别经轴承支座对称设在左右两个支撑夹块上的传动轴一和传动轴二，传动轴一和传动轴二相对一端之间设有将连为一体呈凹形状的支撑平台，支撑平台上固定有上压板，传动轴一的外端固定有摇杆，左侧的支撑夹块上设有电机支架，电机支架上设有与传动轴一并排布置的电机二，电机二可正反转，以实现支撑平台的摆动和微动区交叉接触钢丝的变交叉角度微动作用，电机二的输出轴上设有偏心块二，偏心块二上设有连杆二，连杆二与摇杆相连，摇杆在连杆的驱动下绕传动轴一的中心线往复旋转，实现交叉接触钢丝之间的变交叉角度微动作用；
[0015]所述加载系统包括位于支撑平台内对称设在疲劳钢丝两侧的左载加块和右载加块，左载加块和右载加块上分别水平固定有与疲劳钢丝相垂直的左加载钢丝和右加载钢丝，左载加块上连接有L形滑块一，右载加块上连接有多维力传感器，多维力传感器上连接有与L形滑块一相对的L形滑块二，两个L形滑块的上下部分别设有滚珠导轨，上部的滚珠导轨与固定在支撑平台上的压板相接触，下部的滚珠导轨与支撑平台相接触，L形滑块二与L形滑块一的左侧对称布置有固定在支撑平台上的两个导向轮一，L形滑块一的右侧设有固定在支撑平台上的一个导向轮二，L形滑块二上固定有尼龙线，尼龙线绕过两个导向轮一经L形滑块一再绕过导向轮二与配重相连；尼龙线在配重作用下绕经导向轮二带动L形滑块一和左载加块以及绕经导向轮一带动L形滑块二和右载加块，使左右两个加载块上的左加载钢丝和右加载钢丝挤压疲劳钢丝至设定钢丝间接触载荷，实现对疲劳钢丝的一体化加载，在微动疲劳过程中钢丝发生磨损时，在尼龙线的作用下发生位置实时调整，从而保证加载钢丝对疲劳钢丝施加的接触载荷保持不变；
[0016]所述状态监测系统包括置于摆动加载系统上的微动测量系统和摆动测量系统、置于拉-扭疲劳系统上的轴向疲劳载荷测量系统、扭转测量系统；
[0017]所述微动测量系统包括与L形滑块一相连的接触载荷测量系统、与下夹持块相连的微动振幅测量系统、与右加载钢丝相连的摩擦力测量系统，所述接触载荷测量系统包括尼龙线、导向轮二和配重，钢丝间接触载荷值等于配重载荷值的一半；所述微动振幅测量系统包括设在液压缸内的位移传感器，疲劳钢丝与下夹持块连接处位移等于位移传感器的位移值，根据疲劳钢丝变形大小通过比例缩放间接获得微动区接触的钢丝间微动振幅；所述摩擦力测量系统包括右载加块、多维力传感器、L形滑块二，可动态监测右载加块上的右加载钢丝与疲劳钢丝之间的摩擦力；
[0018]所述轴向疲劳载荷测量系统包括与杯状连接套杯底相连接的拉扭传感器、上夹持块、疲劳钢丝和下夹持块，所述拉扭传感器用于动态监测疲劳钢丝的动态交变载荷；
[0019]所述扭转测量系统包括偏心块一、连杆一和驱动盘构成的曲柄连杆机构以及拉扭传感器，通过机构学理论对所述曲柄连杆机构分析可间接计算疲劳钢丝扭转角大小，所述拉扭传感器可以动态监测扭转过程中疲劳钢丝的扭矩；
[0020]所述摆动测量系统包括变频器、电机二和贴于传动轴一上的应变片；所述电机二通过变频器设定其正反转角度，间接确定摆动驱动系统的摆动角度，进而获得疲劳钢丝与接触钢丝之间的交叉角度变化幅值；所述应变片用于动态地测量支撑平台所需的驱动扭矩大小。
[0021]所述的摇杆呈扇形状，沿扇形外圆周开有供连杆二摆动的弧形槽。
[0022]所述左右两个加载块的加载面上分别设有嵌入加载钢丝的半圆弧凹槽。
[0023]所述导向轮二上焊接有四分之一凹形圆弧盖，凹形圆弧直径足够大使得支撑平台摆动时不约束与配重相连接的尼龙线偏摆。
[0024]所述两个L形滑块、支撑平台和上压板的相邻面均设有半圆形导向凹槽，设在滚珠导轨中的滚珠体可在导向凹槽中往复滚动。
[0025]一种使用权利要求1所述装置的钢丝多轴微动疲劳试验方法，包括以下步骤:
[0026]a.调整偏心块一的偏心位置，经曲柄连杆机构理论计算获得设定的疲劳钢丝扭转角；
[0027]b.用螺栓将连杆二的凸出轴固定于摇杆的弧形槽中间位置，通过变频器调整电机二的正反转角度，获得设定的微动区接触钢丝间交叉角度变化幅值；
[0028]c.通过计算机调整液压系统压力，控制液压缸伸出活塞的交变位移进而获得预定的接触钢丝间微动振幅；
[0029]d.将疲劳钢丝穿过支撑平台中部的方孔，并将疲劳钢丝的两端分别固定在上夹持块和下夹持块上，启动液压系统通过液压缸将疲劳钢丝向下拉伸至试验设定初始载荷，停止液压缸继续动作；
[0030]e.移动L形滑块一使左载加块上的左加载钢丝接触到疲劳钢丝，将装有配重的托盘与尼龙线连接，慢慢松开托盘，通过尼龙线将配重荷重经导向轮二、L形滑块一、和导向轮一传递，带动L形滑块二在滚珠导轨上滑动，使L形滑块二的右载加块上的右加载钢丝与疲劳钢丝接触，同时压紧设在左载加块上的左加载钢丝；
[0031 ] f.同时通过控制带有位移传感器的液压缸上下运动、打开电机一使疲劳钢丝发生扭转运动、打开电机二使加载钢丝随支撑平台前后摆动，实现疲劳钢丝的多轴微动疲劳现象，同时给拉扭传感器、多维力传感器、应变片通电；液压缸上下运动对疲劳钢丝施加交变载荷，使疲劳钢丝在设定的交变应力范围内伸缩变化，让疲劳钢丝与设于右载加块上的右加载钢丝之间产生微米级的相对错动，钢丝间相对错动位移可通过对液压缸内置传感器测量值比例缩小获得，疲劳钢丝交变应力可由拉扭传感器测量；疲劳钢丝扭矩可由拉扭传感器测量，疲劳钢丝与加载钢丝之间切向力由多维力传感器测量，支撑平台摆动所需驱动扭矩由贴于传动轴一上的应变片测量；通过电机一和电机二的速度曲线，获得疲劳钢丝扭转角度和接触钢丝间交叉角度的动态演化；
[0032]g.实时记录疲劳钢丝的位移幅值、交变载荷、扭矩、扭转角、切向力以及钢丝间交叉角度和摆动驱动扭矩，直至疲劳钢丝因多轴微动疲劳损伤而断裂时停止试验；
[0033]h.改变各电机频率和正反转角度幅值、液压缸振动频率和振幅、偏心块偏心距离和载荷块重量，进行不同微动频率、扭转角、微动振幅、交叉角度幅值和接触载荷条件下钢丝间多轴微动疲劳实验；在拉伸、扭转和摆动复合运动形式下，固定其中一种或两种形式的运动，即可实现两种运动形式复合或单一运动形式下的钢丝微动疲劳实验。
[0034]有益效果:由于采用了上述技术方案，本发明能够实现拉-拉疲劳、扭转和变交叉角摆动等复合运动模式下钢丝的多轴微动疲劳实验，用于揭示钢丝多轴微动疲劳断裂机理、定量评价钢丝的多轴微动疲劳损伤演化和多轴微动疲劳寿命。能够模拟千米深井提升过程中提升钢丝绳内部钢丝的多轴微动疲劳损伤特性，采用滚珠导轨形式的导向装置和尼龙线连接的一体化两端加载方式,能够持续施加稳定恒定的钢丝间接触载荷,能实时调整加载钢丝与疲劳钢丝间相对位置以避免实验过程中钢丝微动区磨损造成的接触载荷骤降，能同时实时监测疲劳钢丝的位移幅值、交变载荷、扭矩、扭转角、切向力以及钢丝间交叉角度和摆动驱动扭矩等多轴微动疲劳损伤参数，对揭示钢丝多轴微动疲劳断裂机理和定量评价钢丝的多轴微动疲劳损伤演化提供了有效的实验设备；其操作简便、功能齐全、效果好，在本【技术领域】内具有广泛的实用性。可以开展拉-拉疲劳、扭转和变交叉角摆动等复合运动模式下钢丝的多轴微动疲劳实验，能够实现多轴微动疲劳过程中疲劳钢丝的位移幅值、交变载荷、扭矩、扭转角、切向力以及钢丝间交叉角度和摆动驱动扭矩等多轴微动疲劳损伤参数的动态实时测量。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]图1为本发明的主视结构示意图；
[0036]图2为本发明的支撑系统结构放大图；
[0037]图3为本发明的局部结构放大图；
[0038]图4为图3的C向结构图；
[0039]图5为图1的A— A结构图；
[0040]图6为图5的B— B结构图。
[0041]其中:1、承载梁；2、支撑立柱；3、螺栓；4、配重；5、疲劳钢丝；6、下夹持块；7、液压缸；8、底座；9、支撑夹块；10、连杆一 ；11、偏心块一 ；12、电机一 ；13、螺钉；14、垫板；15、内螺纹轴；16、驱动盘；17、圆锥滚子轴承；18、杯状连接套；19、拉扭传感器；20、上夹持块；21、摇杆；22、螺栓；23、深沟球轴承;24、应变片;25、多维力传感器；26、导向轮二 ；27、支撑平台；28、轴承支座；29、连杆二 ；30、偏心块二 ；31、电机支架；32、电机二 ；33、L形滑块二 ；34、L形滑块一 ；35、左载加块；36、尼龙线；37、导向轮一 ；38、上压板；39、滚珠导轨；40、右加载钢丝；41、传动轴一 ；42、传动轴二 ；43、右载加块；44、左加载钢丝。
【具体实施方式】
[0042]下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述:
[0043]如图1-6所示，本发明的钢丝多轴微动疲劳试验装置，主要由基架、拉-扭疲劳系统、摆动加载系统、疲劳钢丝5、状态监测系统构成；
[0044]所述的基架包括底座8、对称设置在底座8上的支撑立柱2、设置在支撑立柱2顶部的承载梁1、置于支撑立柱2中部的支撑夹块9 ;所述支撑夹块9为分体式带圆弧孔块体，通过螺栓3固定于支撑立柱2中部，靠近疲劳钢丝5 —侧的支撑夹块9带有固定轴承支座28的半圆柱状凸台；
[0045]所述拉-扭疲劳系统包括设在支撑夹块9上的支撑系统、设在承载梁I与疲劳钢丝5之间的扭转驱动系统和设在底座8上的拉-拉疲劳系统；
[0046]所述支撑系统包括嵌装于承载梁I中部孔槽底部的垫板14、通过螺钉13与垫板14固定在一起的内螺纹轴15，内螺纹轴15的下部设有圆锥滚子轴承17 ;垫板14嵌入承载梁I的孔槽底部；
[0047]所述的扭转驱动系统包括置于承载梁I上的电机一 12、与电机一 12输出轴连接的偏心块一 11、与偏心块一 11连接的连杆一 10、与连杆一 10相连接的驱动盘16、与驱动盘16通过螺钉连接的杯状连接套18、与杯状连接套18杯底通过螺钉连接的拉扭传感器19，所述偏心块一 11、连杆一 10和驱动盘16构成曲柄连杆机构，通过机构学理论间接计算疲劳钢丝5扭转角大小，偏心块有4个水平的偏心距离位置，通过改变偏心距离可以获得疲劳钢丝的不同扭转角幅值；所述驱动盘16设有阶梯孔，驱动盘16套在内螺纹轴15上，并与圆锥滚子轴承17相配合；外阶梯孔内部与圆锥滚子轴承17外圈接触；
[0048]所述的拉-拉疲劳系统包括设在底座8上的液压缸7、与液压缸7相对设在拉扭传感器19上的上夹持块20，液压缸7的活塞杆上设有下夹持块6、上夹持块20和下夹持块6之间垂直固定有用于试验的疲劳钢丝5，液压缸7伸出活塞通过螺纹连接的下夹持块6、一端固定于下夹持块6上的疲劳钢丝5、固定疲劳钢丝5另一端的上夹持块20、与上夹持块20通过螺钉连接的拉扭传感器19另一端。
[0049]所述摆动加载系统包括摆动驱动系统和加载系统；
[0050]所述摆动驱动系统包括分别经轴承支座28对称设在左右两个支撑夹块9上的传动轴一 41和传动轴二 42，传动轴一 41和传动轴二 42相对一端之间设有将连为一体呈凹形状的支撑平台27，支撑平台27上固定有上压板38，传动轴一 41的外端固定有摇杆21，左侧的支撑夹块9上设有电机支架31，电机支架31上设有与传动轴一 41并排布置的电机二32，电机二 32可正反转，以实现支撑平台27的摆动和微动区交叉接触钢丝的变交叉角度微动作用，电机二 32的输出轴上设有偏心块二 30，偏心块二 30上设有连杆二 29，连杆二 29与摇杆21相连,摇杆21通过螺钉连接在传动轴一 41 一侧,摇杆21在连杆29的驱动下绕传动轴一 41的中心线往复旋转，实现交叉接触钢丝之间的变交叉角度微动作用；传动轴一41另一侧轴肩通过螺钉连接支撑平台27，传动轴一 41 一侧上安装有深沟球轴承23和支撑深沟球轴承23的轴承支座28，在另一侧支撑夹块9上对称布置有轴承支座28、深沟球轴承23、传动轴二 42和支撑平台27 ;所述电机二 32可以正反转，实现支撑平台27的摆动和微动区交叉接触钢丝的变交叉角度微动作用，通过变频器调整电机二 32的正反转角度幅值可以获得不同变交叉角度水平下加载钢丝摆动实验；所述摇杆21呈扇形状，沿扇形外圆周开有弧形槽，摇杆21在连杆29的驱动下绕传动轴一 41中心线往复旋转，实现交叉接触钢丝之间的变交叉角度微动作用，当电机二 32不工作时，通过螺栓22将连杆29固定在摇杆21弧形槽位置可获得一定交叉角度下疲劳钢丝5的多轴微动疲劳实验；所述的摇杆21呈扇形状，沿扇形外圆周开有供连杆二 29摆动的弧形槽。
[0051]所述加载系统包括位于支撑平台27内对称设在疲劳钢丝5两侧的左载加块35和右载加块43，左载加块35和右载加块43上分别水平固定有与疲劳钢丝5相垂直的左加载钢丝44和右加载钢丝40，左载加块35上连接有L形滑块一 34，右载加块43上连接有多维力传感器25，多维力传感器25上连接有与L形滑块一 34相对的L形滑块二 33，两个L形滑块的上下部分别设有滚珠导轨39，上部的滚珠导轨39与固定在支撑平台27上的压板38相接触，下部的滚珠导轨39与支撑平台27相接触，L形滑块二 33与L形滑块一 34的左侧对称布置有固定在支撑平台27上的两个导向轮一 37，L形滑块一 34的右侧设有固定在支撑平台27上的一个导向轮二 26，L形滑块二 33上固定有尼龙线36，尼龙线36绕过两个导向轮一 37经L形滑块一 34再绕过导向轮二 26与配重4相连；尼龙线36在配重4作用下绕经导向轮二 26带动L形滑块一 34和左载加块35以及绕经导向轮一 37带动L形滑块二 33和右载加块43，使左右两个加载块上的左加载钢丝44和右加载钢丝40挤压疲劳钢丝5至设定钢丝间接触载荷，实现对疲劳钢丝5的一体化加载，在微动疲劳过程中钢丝发生磨损时，在尼龙线36的作用下发生位置实时调整，从而保证加载钢丝对疲劳钢丝5施加的接触载荷保持不变；所述两个L形滑块、支撑平台27和上压板38的相邻面均设有半圆形导向凹槽，设在滚珠导轨39中的滚珠体可在导向凹槽中往复滚动，由于滚珠体在导向凹槽里运动属于点接触，能够保证两个L形滑块滑移过程中产生较小的额外阻力，使工作较为稳定；所述左右两个加载块的加载面上分别设有嵌入加载钢丝的半圆弧凹槽。所述导向轮二 26上焊接有四分之一凹形圆弧盖，凹形圆弧直径足够大使得支撑平台27摆动时不约束与配重4相连接的尼龙线36偏摆。
[0052]对称置于疲劳钢丝5两侧的右加载钢丝40和左加载钢丝44、固定左加载钢丝44的左载加块35和右加载钢丝40的右载加块43、与左载加块35通过螺钉连接的L形滑块一34、与右载加块43通过螺钉连接的多维力传感器25、与多维力传感器25通过螺钉连接的L形滑块二 33、与两个L形滑块上下面相接触的滚珠导轨39、与上滚珠导轨39接触的上压板38、与下滚珠导轨接触的支撑平台27、将两个L形滑块连接在一起的尼龙线36、捻绕尼龙线36的导向轮一 37和导向轮二 26、绕过导向轮二 26与尼龙线36连接的配重4 ;所述加载块加载面上设有嵌入加载钢丝的半圆弧凹槽，绕至右载加块43两侧面上的右加载钢丝40通过螺钉被压块压紧固定住；所述导向轮一 37对称布置在通过螺纹连接于支撑平台27的轴上，所述导向轮二 26安装于支撑平台27方形孔壁上，导向轮二 26上焊接有四分之一凹形圆弧盖，凹形圆弧直径足够大使得支撑平台27摆动时不约束配重4连接端尼龙线36的偏摆；所述两个L形滑块、支撑平台27和上压板38的相邻面均设有半圆形导向凹槽，滚珠体可在导向凹槽中往复滚动，由于滚珠体在导向凹槽里运动属于点接触，能够保证两个L形滑块滑移过程中产生较小的额外阻力，而且工作较为稳定；所述尼龙线36在配重4作用下绕经导向轮一带动L形滑块二 33和右载加块43以及绕经导向轮二 26带动L形滑块一 34和左载加块35使两个加载块上的左加载钢丝44和右加载钢丝40挤压疲劳钢丝5至设定钢丝间接触载荷，能够实现对疲劳钢丝5的一体化加载，在微动疲劳过程中钢丝发生磨损时，在尼龙线36的作用下发生位置实时调整，保证加载钢丝对疲劳钢丝5施加的接触载荷保持不变。
[0053]所述状态监测系统包括设于摆动加载系统上的微动测量系统、设于拉-扭疲劳系统上的轴向疲劳载荷测量系统、设于拉-扭疲劳系统上的扭转测量系统和设于摆动加载系统上的摆动测量系统；所述微动测量系统包括与L形滑块一 34相连的接触载荷测量系统、与下夹持块6相连的微动振幅测量系统、与右加载钢丝40相连的摩擦力测量系统，所述接触载荷测量系统包括尼龙线、导向轮二 26和配重4，钢丝间接触载荷值等于配重4载荷值的一半；所述微动振幅测量系统包括设在液压缸7内的位移传感器，疲劳钢丝5与下夹持块6连接处位移等于位移传感器的位移值，根据疲劳钢丝5变形大小通过比例缩放间接获得微动区接触的钢丝间微动振幅；所述摩擦力测量系统包括右载加块43、多维力传感器25、L形滑块二 33，可动态监测右载加块43上的右加载钢丝40与疲劳钢丝5之间的摩擦力；
[0054]所述轴向疲劳载荷测量系统包括与杯状连接套18杯底相连接的拉扭传感器19、上夹持块20、疲劳钢丝5和下夹持块6，所述拉扭传感器19用于动态监测疲劳钢丝5的动态交变载荷；
[0055]所述扭转测量系统包括偏心块一 11、连杆一 10和驱动盘16构成的曲柄连杆机构以及拉扭传感器19，通过机构学理论对所述曲柄连杆机构分析可间接计算疲劳钢丝5扭转角大小，所述拉扭传感器19可以动态监测扭转过程中疲劳钢丝5的扭矩；
[0056]所述摆动测量系统包括变频器、电机二 32和贴于传动轴一 41上的应变片24 ;所述电机二 32可以通过变频器设定其正反转角度，间接确定摆动驱动系统的摆动角度，进而获得疲劳钢丝与接触钢丝之间的交叉角度变化幅值；所述应变片用于动态地测量支撑平台27所需的驱动扭矩大小。
[0057]所述的状态监测系统包括设于摆动加载系统上的微动测量系统、设于拉-扭疲劳系统上的轴向疲劳载荷测量系统、设于拉-扭疲劳系统上的扭转测量系统和设于摆动加载系统上的摆动测量系统。
[0058]所述微动测量系统包括与L形滑块一相连的接触载荷测量系统、与下夹持块相连的微动振幅测量系统、与右加载钢丝相连的摩擦力测量系统，所述接触载荷测量系统包括尼龙线、导向轮二 26和配重4，钢丝间接触载荷值等于配重4载荷值的一半，所述微动振幅测量系统包括液压缸7内置的位移传感器，疲劳钢丝5与下夹持块6连接处位移等于位移传感器位移值，根据疲劳钢丝5变形大小通过比例缩放间接获得微动区接触的钢丝间微动振幅，所述摩擦力测量系统包括L形滑块二 33与右载加块43之间的多维力传感器25，可动态监测右载加块43上右加载钢丝40与疲劳钢丝5之间的摩擦力。
[0059]所述轴向疲劳载荷测量系统包括与杯状连接套18杯底相连接的拉扭传感器19、上夹持块20、疲劳钢丝5和下夹持块6，所述拉扭传感器19用于动态监测疲劳钢丝5的动态交变载荷。
[0060]所述扭转测量系统包括偏心块一 11、连杆一 10和驱动盘16构成的曲柄连杆机构以及拉扭传感器19，通过机构学理论对所述曲柄连杆机构分析可间接计算疲劳钢丝5扭转角大小，所述拉扭传感器19可以动态监测扭转过程中疲劳钢丝5的扭矩；
[0061]所述摆动测量系统包括变频器、电机二 32和贴于传动轴一 41上的应变片24 ;所述电机二 32可以通过变频器设定其正反转角度，间接确定摆动驱动系统的摆动角度，进而获得疲劳钢丝与接触钢丝之间的交叉角度变化幅值；所述应变片用于动态地测量支撑平台27所需的驱动扭矩大小。
[0062]本发明的钢丝多轴微动疲劳试验装置的方法，具体步骤如下:
[0063]a.调整偏心块一 11的偏心位置，经曲柄连杆机构理论计算获得设定的疲劳钢丝5扭转角；
[0064]b.用螺栓22将连杆二 29凸出轴固定于摇杆21弧形槽中间位置，通过变频器调整电机二 32的正反转角度，获得设定的微动区接触钢丝间交叉角度变化幅值；
[0065]c.通过计算机调整液压系统压力，控制液压缸7伸出活塞的交变位移进而获得预定的接触钢丝间微动振幅；
[0066]d.将疲劳钢丝5穿过支撑平台27中部的方孔，并将疲劳钢丝5的两端分别固定在上夹持块20和下夹持块6上，启动液压系统通过液压缸7将疲劳钢丝5向下拉伸至试验设定初始载荷，停止液压缸7继续动作；
[0067]e.移动L形滑块一 34使左载加块35上的左加载钢丝44接触到疲劳钢丝5，将装有配重4的托盘与尼龙线36连接，慢慢松开托盘，通过尼龙线36将配重4荷重经导向轮一37和导向轮二 26传递给L形滑块一 34，带动L形滑块二 33在滚珠导轨39上滑动，使L形滑块二 33的右载加块43上的右加载钢丝40与疲劳钢丝5接触，同时压紧设在左载加块35上的左加载钢丝44 ；
[0068]f.同时通过控制带有位移传感器的液压缸7上下运动、打开电机一 12使疲劳钢丝5发生扭转运动、打开电机二 32使加载钢丝随支撑平台27前后摆动，实现了疲劳钢丝5的多轴微动疲劳现象，同时给拉扭传感器19、多维力传感器25、应变片24通电；液压缸7上下运动对疲劳钢丝5施加交变载荷，使疲劳钢丝5在设定的交变应力范围内伸缩变化，让疲劳钢丝5与设于右载加块43上的右加载钢丝40之间产生微米级的相对错动，钢丝间相对错动位移可通过对液压缸7内置传感器测量值比例缩小获得，疲劳钢丝5交变应力可由拉扭传感器19测量；疲劳钢丝5扭矩可由拉扭传感器19测量，疲劳钢丝5与加载钢丝之间切向力由多维力传感器25测量，支撑平台27摆动所需驱动扭矩由贴于传动轴一 41上的应变片24测量；通过电机一 12和电机二 32的速度曲线可以获得疲劳钢丝5扭转角度和接触钢丝间交叉角度的动态演化；
[0069]g.实时记录疲劳钢丝5的位移幅值、交变载荷、扭矩、扭转角、切向力以及钢丝间交叉角度和摆动驱动扭矩，直至疲劳钢丝5因多轴微动疲劳损伤而断裂时停止试验；
[0070]h.改变各电机频率和正反转角度幅值、液压缸振动频率和振幅、偏心块偏心距离和载荷块重量，可以研究不同微动频率、扭转角、微动振幅、交叉角度幅值和接触载荷条件下钢丝间多轴微动疲劳行为；在拉伸、扭转和摆动任意一种运动形式下或者任意两种组合形式下，可以实现单一运动形式或两种复合运动形式下的钢丝微动疲劳行为。
【权利要求】
1.一种钢丝多轴微动疲劳试验装置，其特征在于:它包括基架、设在基架上的拉-扭疲劳系统、设在基架中部的摆动加载系统、疲劳钢丝(5)、状态监测系统； 所述的基架包括底座(8)、对称设置在底座(8)上的两个支撑立柱(2)、两个支撑立柱(2)的顶部设有承载梁(1)，支撑立柱(2)的中部对称套装有左右两个支撑夹块(9);所述支撑夹块(9)为分体式带圆弧孔块体，靠近疲劳钢丝(5) —侧的支撑夹块(9)带有固定轴承支座(28)的半圆柱状凸台； 所述拉-扭疲劳系统包括设在支撑夹块(9)上的支撑系统、设在承载梁(I)与疲劳钢丝(5)之间的扭转驱动系统、设在底座(8)上的拉-拉疲劳系统； 所述支撑系统包括嵌装于承载梁(I)中部孔槽底部的垫板(14)、通过螺钉(13)与垫板(14)固定在一起的内螺纹轴(15)，内螺纹轴(15)的下部设有圆锥滚子轴承(17)； 所述扭转驱动系统包括设在承载梁(I)上的电机一(12)、与电机一(12)输出轴连接的偏心块一(11)、与偏心块一(11)连接的连杆一(10)、与连杆一(10)相连接的驱动盘(16)、与驱动盘(16)通过螺钉连接的杯状连接套(18)，杯状连接套(18)的杯底连接有拉扭传感器(19)，所述的偏心块一(11)、连杆一(10)和驱动盘(16)构成曲柄连杆机构，所述的驱动盘(16)套装在内螺纹轴(15)上，并与圆锥滚子轴承(17)相配合； 所述的拉_拉疲劳系统包括设在底座(8)上的液压缸(7)和与液压缸(7)相对设在拉扭传感器(19 )上的上夹持块(20 )，液压缸(7 )的活塞杆上设有下夹持块(6 )、上夹持块(20 )和下夹持块(6)之间垂直固定有用于试验的疲劳钢丝(5)； 所述的摆动加载系统包括摆动驱动系统和加载系统； 所述摆动驱动系统包括分别经轴承支座(28)对称设在左右两个支撑夹块(9)上的传动轴一(41)和传动轴二(42)，传动轴一(41)和传动轴二(42)相对一端之间设有将连为一体呈凹形状的支撑平台(27)，支撑平台(27)上固定有上压板(38)，传动轴一(41)的外端固定有摇杆(21)，左侧的支撑夹块(9)上设有电机支架(31)，电机支架(31)上设有与传动轴一(41)并排布置的电机二(32)，电机二(32)可正反转，以实现支撑平台(27)的摆动和微动区交叉接触钢丝的变交叉角度微动作用，电机二(32)的输出轴上设有偏心块二(30)，偏心块二( 30 )上设有连杆二( 29 )，连杆二( 29 )与摇杆(21)相连，摇杆(21)在连杆(29 )的驱动下绕传动轴一(41)的中心线往复旋转，实现交叉接触钢丝之间的变交叉角度微动作用；所述加载系统包括位于支撑平台(27)内对称设在疲劳钢丝(5)两侧的左载加块(35)和右载加块(43 )，左载加块(35 )和右载加块(43 )上分别水平固定有与疲劳钢丝(5 )相垂直的左加载钢丝(44 )和右加载钢丝(40 )，左载加块(35 )上连接有L形滑块一(34 )，右载加块(43)上连接有多维力传感器(25)，多维力传感器(25)上连接有与L形滑块一(34)相对的L形滑块二(33)，两个L形滑块的上下部分别设有滚珠导轨(39)，上部的滚珠导轨(39)与固定在支撑平台(27)上的压板(38)相接触，下部的滚珠导轨(39)与支撑平台(27)相接触，L形滑块二(33)与L形滑块一(34)的左侧对称布置有固定在支撑平台(27)上的两个导向轮一(37 )，L形滑块一(34 )的右侧设有固定在支撑平台(27 )上的一个导向轮二( 26 )，L形滑块二( 33 )上固定有尼龙线(36 )，尼龙线(36 )绕过两个导向轮一(37 )经L形滑块一(34)再绕过导向轮二(26)与配重(4)相连；尼龙线(36)在配重(4)作用下绕经导向轮二(26)带动L形滑块一(34)和左载加块(35)以及绕经导向轮一(37)带动L形滑块二(33)和右载加块(43)，使左右两个加载块上的左加载钢丝(44)和右加载钢丝(40)挤压疲劳钢丝(5)至设定钢丝间接触载荷，实现对疲劳钢丝(5)的一体化加载，在微动疲劳过程中钢丝发生磨损时，在尼龙线(36)的作用下发生位置实时调整，从而保证加载钢丝对疲劳钢丝(5)施加的接触载荷保持不变； 所述状态监测系统包括置于摆动加载系统上的微动测量系统和摆动测量系统、置于拉-扭疲劳系统上的轴向疲劳载荷测量系统、扭转测量系统； 所述微动测量系统包括与L形滑块一(34)相连的接触载荷测量系统、与下夹持块(6)相连的微动振幅测量系统、与右加载钢丝(40)相连的摩擦力测量系统，所述接触载荷测量系统包括尼龙线、导向轮二(26)和配重(4)，钢丝间接触载荷值等于配重(4)载荷值的一半；所述微动振幅测量系统包括设在液压缸(7)内的位移传感器，疲劳钢丝(5)与下夹持块(6)连接处位移等于位移传感器的位移值，根据疲劳钢丝(5)变形大小通过比例缩放间接获得微动区接触的钢丝间微动振幅；所述摩擦力测量系统包括右载加块(43)、多维力传感器(25),L形滑块二(33)，可动态监测右载加块(43)上的右加载钢丝(40)与疲劳钢丝(5)之间的摩擦力； 所述轴向疲劳载荷测量系统包括与杯状连接套(18)杯底相连接的拉扭传感器(19)、上夹持块(20 )、疲劳钢丝(5 )和下夹持块(6 )，所述拉扭传感器(19 )用于动态监测疲劳钢丝(5)的动态交变载荷； 所述扭转测量系统包括偏心块一(11)、连杆一(10)和驱动盘(16)构成的曲柄连杆机构以及拉扭传感器(19)，通过机构学理论对所述曲柄连杆机构分析可间接计算疲劳钢丝(5)扭转角大小，所述拉扭传感器(19)可以动态监测扭转过程中疲劳钢丝(5)的扭矩； 所述摆动测量系统包括变频器、电机二(32)和贴于传动轴一(41)上的应变片；所述电机二(32)通过变频器设定其正反转角度，间接确定摆动驱动系统的摆动角度，进而获得疲劳钢丝与接触钢丝之间的交叉角度变化幅值；所述应变片用于动态地测量支撑平台(27)所需的驱动扭矩大小。
2.根据权利要求1所述的钢丝多轴微动疲劳试验装置，其特征在于:所述的摇杆(21)呈扇形状，沿扇形外圆周开有供连杆二( 29 )摆动的弧形槽。
3.根据权利要求1所述的钢丝多轴微动疲劳试验装置，其特征在于:所述左右两个加载块的加载面上分别设有嵌入加载钢丝的半圆弧凹槽。
4.根据权利要求1所述的钢丝多轴微动疲劳试验装置，其特征在于:所述导向轮二(26)上焊接有四分之一凹形圆弧盖，凹形圆弧直径足够大使得支撑平台(27)摆动时不约束与配重(4)相连接的尼龙线(36)偏摆。
5.根据权利要求1所述的钢丝多轴微动疲劳试验装置，其特征在于:所述两个L形滑块、支撑平台(27)和上压板(38)的相邻面均设有半圆形导向凹槽，设在滚珠导轨(39)中的滚珠体可在导向凹槽中往复滚动。
6.一种使用权利要求1所述装置的钢丝多轴微动疲劳试验方法，其特征在于:包括以下步骤: a.调整偏心块一(11)的偏心位置，经曲柄连杆机构理论计算获得设定的疲劳钢丝(5)扭转角； b.用螺栓(22)将连杆二(29)的凸出轴固定于摇杆(21)的弧形槽中间位置，通过变频器调整电机二(32)的正反转角度，获得设定的微动区接触钢丝间交叉角度变化幅值； C.通过计算机调整液压系统压力，控制液压缸(7 )伸出活塞的交变位移进而获得预定的接触钢丝间微动振幅； d.将疲劳钢丝(5)穿过支撑平台(27)中部的方孔，并将疲劳钢丝(5)的两端分别固定在上夹持块(20)和下夹持块(6)上，启动液压系统通过液压缸(7)将疲劳钢丝(5)向下拉伸至试验设定初始载荷，停止液压缸(7)继续动作； e.移动L形滑块一(34)使左载加块(35)上的左加载钢丝(44)接触到疲劳钢丝(5)，将装有配重(4)的托盘与尼龙线(36)连接，慢慢松开托盘，通过尼龙线(36)将配重(4)荷重经导向轮二( 26 )、L形滑块一(34 )、和导向轮一(37 )传递，带动L形滑块二( 33 )在滚珠导轨(39)上滑动，使L形滑块二(33)的右载加块(43)上的右加载钢丝(40)与疲劳钢丝(5)接触，同时压紧设在左载加块(35)上的左加载钢丝(44)； f.同时通过控制带有位移传感器的液压缸(7)上下运动、打开电机一(12)使疲劳钢丝(5)发生扭转运动、打开电机二(32)使加载钢丝随支撑平台(27)前后摆动，实现疲劳钢丝(5)的多轴微动疲劳现象，同时给拉扭传感器(19)、多维力传感器(25)、应变片(24)通电；液压缸(7)上下运动对疲劳钢丝(5)施加交变载荷，使疲劳钢丝(5)在设定的交变应力范围内伸缩变化，让疲劳钢丝(5)与设于右载加块(43)上的右加载钢丝(40)之间产生微米级的相对错动，钢丝间相对错动位移可通过对液压缸(7)内置传感器测量值比例缩小获得，疲劳钢丝(5)交变应力可由拉扭传感器(19)测量；疲劳钢丝(5)扭矩可由拉扭传感器(19)测量，疲劳钢丝(5)与加载钢丝之间切向力由多维力传感器(25)测量，支撑平台(27)摆动所需驱动扭矩由贴于传动轴一(41)上的应变片(24)测量；通过电机一(12)和电机二(32)的速度曲线，获得疲劳钢丝(5)扭转角度和接触钢丝间交叉角度的动态演化； g.实时记录疲劳钢丝(5)的位移幅值、交变载荷、扭矩、扭转角、切向力以及钢丝间交叉角度和摆动驱动扭矩，直至疲劳钢丝(5)因多轴微动疲劳损伤而断裂时停止试验； h.改变各电机频率和正反转角度幅值、液压缸振动频率和振幅、偏心块偏心距离和载荷块重量，进行不同微动频率、扭转角、微动振幅、交叉角度幅值和接触载荷条件下钢丝间多轴微动疲劳实验；在拉伸、扭转和摆动复合运动形式下，固定其中一种或两种形式的运动，即可实现两种运动形式复合或单一运动形式下的钢丝微动疲劳实验。
【文档编号】G01N3/26GK104297046SQ201410525508
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月8日 优先权日:2014年10月8日
【发明者】王大刚, 郭永波, 张德坤, 朱真才, 茅献彪, 葛世荣, 王世博, 彭玉兴 申请人:中国矿业大学