監測鋼絲繩-摩擦襯墊動態微摩擦狀態的試驗裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種監測鋼絲繩-摩擦襯墊動態微摩擦狀態的試驗裝置及方法，該試驗裝置包括基架、加載系統、微滑移系統和狀態監測系統，加載系統包括重塊加載系統、液壓加載系統和鋼絲繩，微滑移系統包括支撐系統、驅動系統和摩擦傳動系統，狀態監測系統包括動張力監測系統、襯墊應力測量系統、摩擦力測量系統和微滑移監測系統。本發明能同時對鋼絲繩施加動態交變張力和對鋼絲繩-摩擦襯墊之間施加動態微摩擦，能夠實時測量摩擦襯墊兩側鋼絲繩的動張力演化、鋼絲繩與摩擦襯墊接觸弧不同區段的微滑移幅值、鋼絲繩-摩擦襯墊接觸區附近摩擦襯墊的應力變化以及鋼絲繩-摩擦襯墊之間的動態摩擦力。
【專利說明】監測鋼絲繩-摩擦襯墊動態微摩擦狀態的試驗裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明專利涉及一種監測鋼絲繩-摩擦襯墊動態微摩擦狀態的試驗裝置及方法，能夠模擬摩擦式提升機動載荷提升工況下彎曲卷繞于圓弧形摩擦襯墊上鋼絲繩的動態微摩擦行為，可以實現動態監測摩擦襯墊繞入和繞出端鋼絲繩的動張力演化、接觸弧不同區段鋼絲繩與摩擦襯墊的微滑移幅值、接觸區附近摩擦襯墊的應力變化、鋼絲繩與摩擦襯墊之間的動態摩擦力。
【背景技術】
[0002]隨著礦井開采走向深部和現代化大型礦井高效生產的要求，立井多繩摩擦式提升系統以其提升能力大、提升高度大、提升速度快、安全系數高和機器尺寸小等優點被廣泛應用于深井和超千米深井提升中，擔負著提升煤炭、下放材料、升降人員和設備的任務。提升終端載荷靠鋼絲繩與驅動卷筒或繩輪上摩擦襯墊之間的摩擦來傳動，鋼絲繩與驅動卷筒或繩輪上摩擦襯墊之間的接觸弧對應的圓心角叫圍包角，分為靜止角和滑動角兩部分，驅動卷筒或繩輪兩側鋼絲繩的張力差變化影響靜止角和滑動角的變化，當張力差較小時，鋼絲繩與摩擦襯墊之間只發生局部微滑移，靜止角占主要地位；當張力差增大至一定值時，鋼絲繩與摩擦襯墊之間發生全面摩擦滑動(打滑現象)。在摩擦式提升機提升過程中，提升機的力口、減速特性和時變的懸垂鋼絲繩長度導致立井摩擦式提升系統的振動特性，因而提升鋼絲繩承受動載荷作用。提升鋼絲繩作為一振動體，在提升機運行時會產生橫向振動、縱向振動以及二者的耦合振動，這種振動有可能導致鋼絲繩與摩擦襯墊槽之間的非正常接觸、動態滑移和脫離等狀態，從而影響摩擦襯墊與鋼絲繩之間的摩擦牽引能力而出現打滑現象，引發摩擦提升機的惡性事故。因此，提出一種監測鋼絲繩-摩擦襯墊動態微摩擦狀態的試驗裝置及方法，探究鋼絲繩與摩擦襯墊動態微摩擦狀態下摩擦襯墊繞入和繞出端鋼絲繩的動張力演化、接觸弧不同區段鋼絲繩與摩擦襯墊的微滑移幅值、接觸區附近摩擦襯墊的應力變化、鋼絲繩與摩擦襯墊之間的動態摩擦力，對于探討鋼絲繩與摩擦襯墊之間的動態微摩擦機理、摩擦襯墊的材料選型和磨損特性及其受動載荷工況參數的影響規律有著重要的意義。
[0003]鋼絲繩與襯墊之間的摩擦實驗裝置包括:專利號為200510134988.1公布了一種鋼絲繩與襯墊高速摩擦實驗機，能實現鋼絲繩與襯墊之間不同相對滑速的無級變換和避免鋼絲繩從滾筒繩槽中跳繩現象；專利號為201010121802.X公布了一種襯墊與鋼絲繩的滑動摩擦溫度與應變測量方法及裝置，實現高低速滑動摩擦過程中襯墊溫度與應變的動態實時測量；專利號為201110436607.0公布了一種礦井摩擦提升機襯墊滑動摩擦試驗機，能研究模擬礦井摩擦提升機滑動時不同滑動速度、加速度情況下襯墊的摩擦學性能；上述專利均為鋼絲繩與摩擦襯墊之間發生單向直線勻速和全面摩擦滑移運動，而不能考察彎曲繞于滾筒或滑輪的摩擦襯墊上鋼絲繩的動態微摩擦行為研究。專利號為201220707814.5公布了一種摩擦提升機鋼絲繩防滑裝置，通過移動制動座使摩擦襯墊夾緊鋼絲繩，用制動座上摩擦襯墊的相互交錯齒形結構實時補償襯墊與鋼絲繩摩擦導致的磨損，能夠避免提升機鋼絲繩出現的危險滑動，該試驗機只研究鋼絲繩與襯墊之間的全面摩擦滑移運動，而不能探究動載荷復雜工況條件下鋼絲繩與滾筒或滑輪上襯墊之間的動態微摩擦行為。
【發明內容】
[0004]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種監測鋼絲繩-摩擦襯墊動態微摩擦狀態的試驗方法及裝置，可以動態監測摩擦襯墊兩側鋼絲繩的動張力演化、鋼絲繩與摩擦襯墊之間的微滑移幅值、鋼絲繩-摩擦襯墊接觸區附近摩擦襯墊的應力變化以及鋼絲繩-摩擦襯墊之間的動態摩擦力。
[0005]為了實現上述目的，本發明采用了如下的技術方案:
[0006]一種監測鋼絲繩-摩擦襯墊動態微摩擦狀態的試驗裝置，包括基架、加載系統、微滑移系統和狀態監測系統；
[0007]所述基架包括底板、對稱設置在底板兩端的支撐立柱、設置在支撐立柱底部的底梁、設置于支撐立柱底部和底板之間的固定角鋼以及固定在支撐立柱頂部的承載梁；
[0008]所述加載系統包括重塊加載系統、液壓加載系統和鋼絲繩，所述重塊加載系統包括設置在支撐立柱上的上下可調的A滑輪支架、固定于A滑輪支架上的A滑輪以及設置在A滑輪支架下方的重塊組，所述液壓加載系統包括設置在支撐立柱上的上下可調的B滑輪支架、固定于B滑輪支架上的B滑輪、設置在B滑輪支架下方的液壓缸以及與液壓缸相連的泵站，所述鋼絲繩的一端繞過A滑輪后與重塊組相連，鋼絲繩的另一端繞過B滑輪后與液壓缸的活塞桿相連；
[0009]所述微滑移系統包括支撐系統、驅動系統和摩擦傳動系統，支撐系統包括設置在底板中部的支架，支架頂部通過軸承與擺動桿中部鉸接，驅動系統包括固定于底板上的電機座、固定在電機座下部的電機、與電機輸出軸連接的偏心塊以及與偏心塊連接的連桿，連桿與擺動桿底部鉸接，摩擦傳動系統包括固定于擺動桿頂部的襯墊夾具、固定于襯墊夾具中的摩擦襯墊以及開設在摩擦襯墊頂面的弧形凹槽，鋼絲繩搭設在弧形凹槽內，摩擦襯墊由多塊拼接而成，每塊摩擦襯墊一側橫截面開設有方形凹槽，在襯墊夾具側面與方形凹槽相對應的位置開設有凹形方孔；
[0010]所述狀態監測系統包括動張力監測系統、襯墊應力測量系統、摩擦力測量系統和微滑移監測系統，動張力監測系統包括安裝于摩擦襯墊兩側鋼絲繩上的旁壓式張力傳感器，襯墊應力測量系統包括貼于每塊摩擦襯墊方形凹槽上的第一應變片，摩擦力測量系統包括貼于擺動桿表面的第二應變片，微滑移監測系統包括固定于承載梁上的高速攝像頭，高速攝像頭正對襯墊夾具的凹形方孔和摩擦襯墊的方形凹槽。
[0011]在本發明中，優選的，所述連桿端部設置圓球頭，擺動桿底部設有與圓球頭相適配的球窩。
[0012]一種利用上述述試驗裝置監測鋼絲繩-摩擦襯墊動態微摩擦狀態的試驗方法，該方法包括以下步驟:
[0013]a)通過計算機控制泵站的系統壓力，使液壓缸的活塞桿收縮直至鋼絲繩被拉直，旁壓式張力傳感器達到初始微小設定值，對旁壓式張力傳感器調零；繼續增加泵站的系統壓力直至重塊組被提起一定高度時停止加載，通過旁壓式張力傳感器記錄摩擦襯墊兩側的鋼絲繩的張力大小；通過計算機程序設定泵站的系統壓力峰值和谷值，啟動計算機程序，對鋼絲繩施加動態交變張力；
[0014]b )啟動電機，經偏心塊和連桿帶動擺動桿擺振，使鋼絲繩和摩擦襯墊之間產生微滑移，通過高速攝像頭記錄鋼絲繩與摩擦襯墊之間的動態微滑移；通過旁壓式張力傳感器通過記錄摩擦襯墊兩側的鋼絲繩的動張力變化；對第一應變片和第二應變片通電，分別記錄鋼絲繩與摩擦襯墊接觸區附近摩擦襯墊的應力及鋼絲繩與摩擦襯墊之間的摩擦力大小;
[0015]c)當達到設定的擺動桿擺振次數后，關閉電機和泵站；
[0016]d)改變電機頻率、偏心塊偏心距離、泵站的系統壓力、摩擦襯墊的弧形凹槽直徑以及A滑輪支架和B滑輪支架的上下位置，研究不同微滑移頻率、微滑移幅值、動載荷和圍包角條件下鋼絲繩與摩擦襯墊之間的動態微摩擦行為。
[0017]有益效果:相比現有技術，本發明能同時對鋼絲繩施加動態交變張力和對鋼絲繩-摩擦襯墊之間施加動態微摩擦，對模擬摩擦式提升機提升工況下鋼絲繩與摩擦襯墊動態微摩擦行為研究提供有效的實驗設備及有效依據；同時，能夠實時測量摩擦襯墊兩側鋼絲繩的動張力演化、鋼絲繩與摩擦襯墊接觸弧不同區段的微滑移幅值、鋼絲繩-摩擦襯墊接觸區附近摩擦襯墊的應力變化以及鋼絲繩-摩擦襯墊之間的動態摩擦力,這對定量表征動載荷工況下鋼絲繩與摩擦襯墊之間微摩擦特性提供了有效的實驗設備；其結構簡單、操作簡便、功能齊全、效果好，在本【技術領域】內具有廣泛的實用性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明專利結構的主視圖；
[0019]圖2為圖1中的A-A向視圖；
[0020]圖3為圖2中的B-B向局部視圖；
[0021]圖4為圖1中的I處局部視圖。
[0022]圖中:1、承載梁；2、支撐立柱；3、B滑輪；4、B滑輪支架；5、活塞桿；6、缸體；7、泵站；8、底梁；9、固定角鋼；10、底板；11、球窩；12、連桿；13、偏心塊；14、電機；15、電機支座；
16、支架；17、軸承；18、重塊組；19、擺動桿；20、A滑輪支架；21、A滑輪；22、旁壓式張力傳感器；23、攝像頭支架；24、摩擦襯墊；25、高速攝像頭；26、第一應變片；27、銷；28、螺栓；29、襯墊夾具；30、鋼絲繩；31、第二應變片；32、方形凹槽；33、凹形方孔。
【具體實施方式】:
[0023]下面結合附圖對本發明做更進一步的解釋。
[0024]如圖1至4所示，本發明的一種監測鋼絲繩-摩擦襯墊動態微摩擦狀態的試驗裝置包括基架、加載系統、微滑移系統和狀態監測系統。
[0025]所述基架包括底板10、對稱設置在底板10兩端的支撐立柱2、設置在支撐立柱2底部的底梁8、設置于支撐立柱2底部和底板10之間的固定角鋼9以及固定在支撐立柱2頂部的承載梁I。
[0026]所述加載系統包括重塊加載系統、液壓加載系統和鋼絲繩30。所述重塊加載系統包括設置在支撐立柱2上A滑輪支架20、固定于A滑輪支架20上的A滑輪21以及設置在A滑輪支架20下方的重塊組18，重塊組18質量可調，用于模擬提升過程中提升容器的重量。所述液壓加載系統包括設置在支撐立柱2上的B滑輪支架4、固定于B滑輪支架4上的B滑輪3、設置在B滑輪支架4下方的液壓缸6以及與液壓缸6相連的泵站7。所述鋼絲繩30的一端繞過A滑輪21后與重塊組18相連，鋼絲繩30的另一端繞過B滑輪3后與液壓缸6的活塞桿5相連。其中，重塊加載系統的A滑輪支架20和液壓加載系統的B滑輪支架4可通過螺栓上下調節，泵站7的系統壓力可以通過計算機編程控制，能夠模擬摩擦式礦井提升過程對鋼絲繩30施加動態交變張力。
[0027]所述微滑移系統包括支撐系統、驅動系統和摩擦傳動系統。支撐系統包括設置在底板10中部的支架16，支架16頂部通過軸承17與擺動桿19中部鉸接。驅動系統包括固定于底板10上的電機座15、固定在電機座15下部的電機14、與電機14輸出軸連接的偏心塊13以及與偏心塊13連接的連桿12，連桿12與擺動桿19底部鉸接，通過調整偏心塊13的偏心距離可改變擺動桿19的擺動角度幅值，獲得設定的摩擦襯墊24微滑移幅值。連桿12推動擺動桿19時對擺動桿19下部施加的是水平直線方向的推/拉力載荷，為了夠避免擺動桿19擺動過程中直線運動的連桿12與弧線運動的擺動桿19發生鎖死，所述連桿12端部設置圓球頭，擺動桿19底部設有與圓球頭相適配的球窩11，將圓球頭置于球窩11內實現連桿12與擺動桿19底部鉸接。摩擦傳動系統包括通過螺栓28固定于擺動桿19頂部的襯墊夾具29、固定于襯墊夾具29中的摩擦襯墊24以及開設在摩擦襯墊24頂面的弧形凹槽，弧形凹槽的圓弧半徑等于擺動桿19中部鉸接點到擺動桿19底部與連桿12連接點距離，鋼絲繩30搭設在弧形凹槽內。通過改變摩擦襯墊24的弧形凹槽直徑，并調節的A滑輪支架20和B滑輪支架4的上下位置，可以實現鋼絲繩30對摩擦襯墊24圍包角的調節。摩擦襯墊24由多塊拼接而成，每塊摩擦襯墊24 —側橫截面開設有方形凹槽32，在襯墊夾具29側面與方形凹槽32相對應的位置開設有凹形方孔33，通過凹形方孔33和方形凹槽22可便于接觸區不同弧區段鋼絲繩30底部與摩擦襯墊24之間的相對微滑移。
[0028]所述狀態監測系統包括動張力監測系統、襯墊應力測量系統、摩擦力測量系統和微滑移監測系統。動張力監測系統包括安裝于摩擦襯墊24兩側鋼絲繩30上的旁壓式張力傳感器22。襯墊應力測量系統包括貼于每塊摩擦襯墊24方形凹槽上的第一應變片26,第一應變片2用于動態監測摩擦襯墊24的動態蠕變，以及鋼絲繩30與摩擦襯墊24之間的接觸應力。摩擦力測量系統包括貼于擺動桿19表面的第二應變片31，第二應變片31用于動態測量擺動桿19相應位置的應力，間接計算出鋼絲繩30與摩擦襯墊24之間的摩擦力，實現動態摩擦力的實時測量。微滑移監測系統包括通過攝像頭支架23固定于承載梁I上的高速攝像頭25，高速攝像頭25正對襯墊夾具29的凹形方孔33和摩擦襯墊24的方形凹槽32，實現鋼絲繩30與摩擦襯墊24之間接觸弧段的動態微滑移監測。
[0029]一種利用上述試驗裝置監測鋼絲繩-摩擦襯墊動態微摩擦狀態的試驗方法，該方法包括以下步驟:
[0030]a)通過計算機控制泵站7的系統壓力，使液壓缸6的活塞桿5收縮直至鋼絲繩30被拉直，旁壓式張力傳感器22達到初始微小設定值，對旁壓式張力傳感器22調零；繼續增加泵站7的系統壓力直至重塊組18被提起一定高度時停止加載，通過旁壓式張力傳感器22記錄摩擦襯墊24兩側的鋼絲繩30的張力大小；通過計算機程序設定泵站7的系統壓力峰值和谷值，啟動計算機程序，對鋼絲繩30施加動態交變張力；
[0031]b)啟動電機14，經偏心塊13和連桿12帶動擺動桿19擺振，使鋼絲繩30和摩擦襯墊24之間產生微滑移，通過高速攝像頭25記錄鋼絲繩30與摩擦襯墊24之間的動態微滑移；通過旁壓式張力傳感器22通過記錄摩擦襯墊24兩側的鋼絲繩30的動張力變化；對第一應變片26和第二應變片31通電，分別記錄鋼絲繩30與摩擦襯墊24接觸區附近摩擦襯墊24的應力及鋼絲繩30與摩擦襯墊24之間的摩擦力大小；
[0032]c)當達到設定的擺動桿19擺振次數后，關閉電機14和泵站7 ；
[0033]d)改變電機14頻率、偏心塊13偏心距離、泵站7的系統壓力、摩擦襯墊24的弧形凹槽直徑以及A滑輪支架20和B滑輪支架4的上下位置，研究不同微滑移頻率、微滑移幅值、動載荷和圍包角條件下鋼絲繩30與摩擦襯墊24之間的動態微摩擦行為。
[0034]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種監測鋼絲繩-摩擦襯墊動態微摩擦狀態的試驗裝置，包括基架、加載系統、微滑移系統和狀態監測系統，其特征在于: 所述基架包括底板(10)、對稱設置在底板(10)兩端的支撐立柱(2)、設置在支撐立柱(2)底部的底梁(8)、設置于支撐立柱(2)底部和底板(10)之間的固定角鋼(9)以及固定在支撐立柱(2 )頂部的承載梁(1); 所述加載系統包括重塊加載系統、液壓加載系統和鋼絲繩(30)，所述重塊加載系統包括設置在支撐立柱(2 )上的上下可調的A滑輪支架(20 )、固定于A滑輪支架(20 )上的A滑輪(21)以及設置在A滑輪支架(20)下方的重塊組(18)，所述液壓加載系統包括設置在支撐立柱(2)上的上下可調的B滑輪支架(4)、固定于B滑輪支架(4)上的B滑輪(3)、設置在B滑輪支架(4)下方的液壓缸(6)以及與液壓缸(6)相連的泵站(7)，所述鋼絲繩(30)的一端繞過A滑輪(21)后與重塊組(18)相連，鋼絲繩(30)的另一端繞過B滑輪(3)后與液壓缸(6)的活塞桿(5)相連； 所述微滑移系統包括支撐系統、驅動系統和摩擦傳動系統，支撐系統包括設置在底板(10)中部的支架(16)，支架(16)頂部通過軸承(17)與擺動桿(19)中部鉸接，驅動系統包括固定于底板(10)上的電機座(15)、固定在電機座(15)下部的電機(14)、與電機(14)輸出軸連接的偏心塊(13)以及與偏心塊(13)連接的連桿(12)，連桿(12)與擺動桿(19)底部鉸接，摩擦傳動系統包括固定于擺動桿(19)頂部的襯墊夾具(29)、固定于襯墊夾具(29)中的摩擦襯墊(24)以及開設在摩擦襯墊(24)頂面的弧形凹槽，鋼絲繩(30)搭設在弧形凹槽內，摩擦襯墊(24)由多塊拼接而成，每塊摩擦襯墊(24) —側橫截面開設有方形凹槽(32)，在襯墊夾具(29)側面與方形凹槽(32)相對應的位置開設有凹形方孔(33)； 所述狀態監測系統包括動張力監測系統、襯墊應力測量系統、摩擦力測量系統和微滑移監測系統，動張力監測系統包括安裝于摩擦襯墊(24)兩側鋼絲繩(30)上的旁壓式張力傳感器(22)，襯墊應力測量系統包括貼于每塊摩擦襯墊(24)方形凹槽上的第一應變片(26)，摩擦力測量系統包括貼于擺動桿(19)表面的第二應變片(31 )，微滑移監測系統包括固定于承載梁(I)上的高速攝像頭(25)，高速攝像頭(25)正對襯墊夾具(29)的凹形方孔(33)和摩擦襯墊(24)的方形凹槽(32)。
2.根據權利要求1所述的一種監測鋼絲繩-摩擦襯墊動態微摩擦狀態的試驗裝置，其特征在于:所述連桿(12)端部設置圓球頭，擺動桿(19)底部設有與圓球頭相適配的球窩(11)。
3.一種利用權利要求1中所述試驗裝置監測鋼絲繩-摩擦襯墊動態微摩擦狀態的試驗方法，其特征在于包括以下步驟: a)通過計算機控制泵站(7)的系統壓力，使液壓缸(6)的活塞桿(5)收縮直至鋼絲繩(30)被拉直，旁壓式張力傳感器(22)達到初始微小設定值，對旁壓式張力傳感器(22)調零；繼續增加泵站(7)的系統壓力直至重塊組(18)被提起一定高度時停止加載，通過旁壓式張力傳感器(22)記錄摩擦襯墊(24)兩側的鋼絲繩(30)的張力大小；通過計算機程序設定泵站(7)的系統壓力峰值和谷值，啟動計算機程序，對鋼絲繩(30)施加動態交變張力； b )啟動電機(14 )，經偏心塊(13 )和連桿(12 )帶動擺動桿(19 )擺振，使鋼絲繩(30 )和摩擦襯墊(24)之間產生微滑移，通過高速攝像頭(25 )記錄鋼絲繩(30 )與摩擦襯墊(24)之間的動態微滑移；通過旁壓式張力傳感器(22)通過記錄摩擦襯墊(24)兩側的鋼絲繩(30)的動張力變化；對第一應變片(26)和第二應變片(31)通電，分別記錄鋼絲繩(30)與摩擦襯墊(24)接觸區附近摩擦襯墊(24)的應力及鋼絲繩(30)與摩擦襯墊(24)之間的摩擦力大小; c)當達到設定的擺動桿(19)擺振次數后，關閉電機(14)和泵站(7)； d)改變電機(14)頻率、偏心塊(13)偏心距離、泵站(7)的系統壓力、摩擦襯墊(24)的弧形凹槽直徑以及A滑輪支架(20)和B滑輪支架(4)的上下位置，研究不同微滑移頻率、微滑移幅值、動載 荷和圍包角條件下鋼絲繩(30)與摩擦襯墊(24)之間的動態微摩擦行為。
【文檔編號】G01N19/00GK103954553SQ201410152097
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月15日 優先權日:2014年4月15日
【發明者】王大剛, 張德坤, 郭永波, 葛世榮 申請人:中國礦業大學