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　　中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州221116;2.中國礦業(yè)大學(xué)材料工程學(xué)院，江蘇徐州221116)

　　摘要：為了檢測(cè)鋼絲繩彎曲疲勞對(duì)鋼絲繩使用壽命的影響，自制了鋼絲繩彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，基于TCK鋼絲繩損傷定量檢測(cè)儀設(shè)計(jì)了鋼絲繩彎曲疲勞損傷檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)鋼絲繩彎曲疲勞段進(jìn)行損傷檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了疲勞損傷參數(shù)的采集及分析。

　　關(guān)鍵詞：鋼絲繩;彎曲疲勞;疲勞壽命;檢測(cè)系統(tǒng)

　　中圖分類號(hào)：TD534文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1003—0794(2011)01—0159—04

　　Design of Wire Rope Bending Fatigue Damage Detection System Based on TCK

　　JIA Xiao—fan，ZHANG De-kun2，WANGDa-gang1

　　(1.School of Mechanical and Electrinical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China;2.School of Material Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China)

　　Abstract：To analyze the influence of the bending on the fatigue life of the wire rope，a wire rope

　　Bending fatigue damage detection system was designed based on the self-made wire rope bending fitigue apparatus combines with TCK wire rope quantitative detection Instrument.Sections of the wire rope bending fatigue damage was detected to achieve a fatigue damage parameter collection and analysis.

　　Keywords：wire rope;bending fatigue;fatigue life;detection system

　　前言

　　鋼絲繩彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)是評(píng)定鋼絲繩彎曲疲勞的重要手段，國內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用多種彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)。國內(nèi)通用的鋼絲繩彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)有A,B,C,D,E五種型號(hào)。國外有旋轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)機(jī)、行星式疲勞試驗(yàn)機(jī)、回轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)等。此外，張鈁等通過對(duì)彎曲疲勞機(jī)的選擇、彎曲滑輪、試樣彎曲頻率、包角、張力等的研究，得出影響鋼絲繩彎曲疲勞試驗(yàn)的因素。黎新皋設(shè)計(jì)了鋼絲繩的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，研究鋼絲繩加速疲勞試驗(yàn)。朱永剛等設(shè)計(jì)了WP—I型鋼絲繩彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，對(duì)不同材質(zhì)、不同工藝、不同結(jié)構(gòu)、規(guī)格、強(qiáng)度及韌性的鋼絲繩進(jìn)行了彎曲疲勞試驗(yàn)。廖紅衛(wèi)等設(shè)計(jì)了滑輪一鋼絲繩短行程疲勞試驗(yàn)機(jī)，研究不同繩槽硬度對(duì)鋼絲繩疲勞壽命的影響

　　本文自制的鋼絲繩彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，操作簡(jiǎn)單，適用范圍廣，可以滿足9～13mm鋼絲繩的雙向彎曲疲勞試驗(yàn)。結(jié)合TCK鋼絲繩損傷定量檢測(cè)儀，能夠?qū)崟r(shí)采集鋼絲繩的損傷情況隨鋼絲繩彎曲疲勞次數(shù)的增加而變化情況，對(duì)研究鋼絲繩的使用壽命有著重要的工程意義。

　　1 試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)

　　本試驗(yàn)選用6xl9+IWS直徑為12mm鋼絲繩.其抗拉強(qiáng)度δ=1670Pa，破斷拉力P=74.61kN。鋼絲繩單向工作行程為3500mm，鋼絲繩往復(fù)頻率為5.35次/min，滑輪與鋼絲繩直徑之比為25。

　　實(shí)驗(yàn)中單向行程為3500mm，一個(gè)單向工作行程中，A、B、C(見圖1)三段鋼絲繩分別經(jīng)歷了雙向6次、雙向4次和雙向2次彎曲。A處750mm的鋼絲繩段繞經(jīng)3個(gè)彎曲滑輪彎曲，B處750mm的鋼絲繩段繞經(jīng)2個(gè)彎曲滑輪彎曲，C處750mm的鋼絲繩段繞經(jīng)1個(gè)彎曲滑輪彎曲。故試驗(yàn)機(jī)的1個(gè)往復(fù)過程中，其累計(jì)工作壽命中分別記為6次、4次和2次。

　　2 彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)工作原理及其結(jié)構(gòu)

　　2.1工作原理

　　試驗(yàn)機(jī)工作原理如圖1所示，鋼絲繩在承受拉伸預(yù)載力的情況下，同時(shí)承受雙向彎曲。試驗(yàn)裝置中，電感式接近開關(guān)3、6為變頻器的外控端子,控制電機(jī)8帶動(dòng)主動(dòng)輪1雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而帶動(dòng)鋼絲繩試樣在有效長度內(nèi)反復(fù)彎曲運(yùn)動(dòng)。彎曲滑輪2為加載動(dòng)滑輪，可實(shí)現(xiàn)水平方向的滑動(dòng);彎曲滑輪4、5為靜滑輪。在彎曲動(dòng)滑輪固定的移動(dòng)滑塊上施加預(yù)緊力S,使整段鋼絲繩承受拉伸應(yīng)力。利用TCK鋼絲繩損傷定量檢測(cè)設(shè)備可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隨著彎曲次數(shù)增加鋼絲繩內(nèi)部的損傷狀況的變化，從而得到鋼絲繩的疲勞失效壽命。

　　第32卷第01期 煤礦機(jī)械 Vol.32 No.01

　　2011年01月 Coal Mine Machinery Jan.2011

　　2.2試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)

　　結(jié)構(gòu)如圖2所示，由驅(qū)動(dòng)單元、彎曲單元、力加載單元組成。

　　該試驗(yàn)機(jī)有2個(gè)特點(diǎn)：

　　(1) 驅(qū)動(dòng)單元和彎曲單元各有獨(dú)立的底架，2部分是通過螺栓用桿件連接起來，調(diào)節(jié)其長度可以改變?cè)囼?yàn)鋼絲繩的疲勞試驗(yàn)行程;

　　(2)可以調(diào)換不同規(guī)格的主動(dòng)輪和彎曲滑輪，實(shí)現(xiàn)不同直徑鋼絲繩的疲勞試驗(yàn)。

　?、衮?qū)動(dòng)單元

　　直流電機(jī) 直流電機(jī)是定義輸出或輸人為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī).它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。其結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單，調(diào)速方便，體積小。本試驗(yàn)采用功率為6kW的正反運(yùn)行無刷直流電機(jī);

　　變頻器 變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備。本控制系統(tǒng)中，選用功率為7.5kW，正弦電氣SINE300系列矢量控制變頻器。通過改變變頻器的參數(shù)設(shè)置來改變鋼絲繩的運(yùn)行速度;

　　接近開關(guān)和計(jì)數(shù)器 選用型號(hào)為LJ12A3—4(2)一Z(J)/BX.BY的NPN常開型接近開關(guān).其檢測(cè)距離為4mm：在試驗(yàn)機(jī)兩側(cè)的鋼絲繩上各布置一個(gè)接近開關(guān).2個(gè)接近開關(guān)輪流工作，每次動(dòng)作，輸出一個(gè)信號(hào)給變頻器，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。繼而帶動(dòng)主動(dòng)輪的雙向旋轉(zhuǎn)。其中的一個(gè)接近開關(guān)同時(shí)連接計(jì)數(shù)器，動(dòng)作一次.計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)一次，即為一個(gè)周期;

　　主動(dòng)輪 在試驗(yàn)機(jī)上，可左右轉(zhuǎn)動(dòng)一定弧度.帶動(dòng)試樣在有效長度內(nèi)反復(fù)彎曲運(yùn)動(dòng)的滑輪。本試驗(yàn)選用Φ710mm的滑輪作為主動(dòng)輪。

　?、趶澢鷨卧?/p>

　　滑輪用來卷繞鋼絲繩，傳遞動(dòng)力，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。本試驗(yàn)中選用3個(gè)Φ280mm的彎曲滑輪.實(shí)現(xiàn)鋼絲繩的雙向彎曲。3個(gè)小滑輪水平方向上對(duì)稱分布.其載荷方向?yàn)閯?dòng)滑輪和主動(dòng)輪的連心線方向，亦為水平方向，有利于試驗(yàn)機(jī)的穩(wěn)定性。

　　⑧力加載與檢測(cè)單元

　　試驗(yàn)裝置中，傳感器一端連接燕尾槽滑塊,另一端連接加載螺柱，為防止傳感器與連接件面接觸,在螺柱與傳感器接觸面之間加一個(gè)墊片。待加到所需載荷后.在加載螺柱兩側(cè)裝入兩螺柱頂住滑塊，使其位置固定，保持壓力的穩(wěn)定。

　　選用TJF一1S型拉力傳感器，其壓力量程為0～5t.靈敏度為2.0mV/V，工作溫度在一20～65℃。配套選用TJF—V型普通變送器，量程為5t，輸入電壓24V.輸出電壓為0～±5V，電源24V，供電電壓為輸出電壓24VDC。

　　3 基于TCK的數(shù)據(jù)采集

　　選用型號(hào)為TCK—BX30的TCK便攜型鋼絲繩損傷定量檢測(cè)設(shè)備，其主要組成部分為TCK—RC系列弱磁加載儀、TCK—SC系列手持顯示儀、TCK—BC系列鋼絲繩探傷儀。其工作原理：在拉、彎、扭等機(jī)械負(fù)荷及其他次生負(fù)荷的反復(fù)作用下，鋼絲繩某些體積元的材料組織出現(xiàn)變異、退化、損失或者應(yīng)力集中。利用弱磁加載儀給被檢測(cè)鋼絲繩充磁，磁力線在鋼絲繩內(nèi)部這些退變的體積元中只能沿不規(guī)則的低能耗路徑排布.磁通密度隨之變化，磁能積分布不均勻，使各體積元產(chǎn)生磁能勢(shì)差異利用探傷儀，對(duì)比標(biāo)定的未損傷鋼絲繩的磁能勢(shì)，采集磁能勢(shì)差異，從顯示儀可以得到鋼絲繩的損傷情況。

　　(1)弱磁加載 停機(jī)后，采用異步檢測(cè)方式，即：弱磁加載儀與探傷儀分別在線安裝實(shí)施，先安裝弱磁加載儀完成弱磁加載工作，加載儀離線;再安裝探傷儀完成檢測(cè)工作。

　　手持TCK—RC系列弱磁加載儀從鋼絲繩上確定的起點(diǎn)連續(xù)加載到確定的終點(diǎn)，加載過程中確保弱磁加載儀可靠閉合鎖緊，中途不得取下。

　　第32卷第01期 煤礦機(jī)械 Vol.32 No.01

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　　(2)編輯建檔和標(biāo)定 連接好探傷儀與手持顯示儀，對(duì)被檢測(cè)鋼絲繩進(jìn)行編輯，包括建編繩號(hào)、檢測(cè)次數(shù)、鋼絲繩規(guī)格、損傷上線、捻距及磁化日。編輯好后。檢查并確認(rèn)輸入值，進(jìn)入標(biāo)定。

　　選定已加載弱磁完畢的相對(duì)完好的一段鋼絲繩，分別選取3個(gè)非重復(fù)的標(biāo)定位置，一次正確完成標(biāo)操作。在記錄的3個(gè)有效的相差不超過6的成功標(biāo)定值中選取中值作為標(biāo)定值。

　　(3)檢測(cè)TCK—RC系列弱磁探傷儀對(duì)整段完成弱磁加載的鋼絲繩段進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)，保證被測(cè)鋼絲繩經(jīng)過探傷儀的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向順序，與經(jīng)過加載儀時(shí)的一致觀察電腦液晶屏實(shí)時(shí)測(cè)程和測(cè)速示值，測(cè)試結(jié)束后，保存測(cè)試數(shù)值。

　　4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　試驗(yàn)分為2部分，第1部分為預(yù)緊力S=2.5kN，即鋼絲繩承受預(yù)載拉伸力12435N(安全系數(shù)選6)，主要探索彎曲疲勞次數(shù)對(duì)鋼絲繩內(nèi)部疲勞損傷類型的影響;第2部分為試驗(yàn)載荷S=1.5kN，即鋼絲繩承受預(yù)載拉伸力7500N(安全系數(shù)選10)，主要探索試驗(yàn)周期對(duì)鋼絲繩疲勞損傷量值的影響通過比較，可以得到不同拉伸預(yù)載力作用下，鋼絲繩彎曲疲勞對(duì)疲勞壽命的影響。

　　(1)試驗(yàn)載荷S—2.5kN

　　由圖3可知，在試驗(yàn)初期，鋼絲繩內(nèi)部損傷主要以壓傷、銹蝕為主，隨著試驗(yàn)周期的增長，鋼絲繩內(nèi)部的疲勞損傷逐漸增多，主要以混合損傷形式存在，最后造成斷絲。三次彎曲處的損傷量值及損傷點(diǎn)的個(gè)數(shù)明顯超過二次彎曲處?？梢?，彎曲疲勞及對(duì)鋼絲繩的疲勞壽命影響較大。

　　圖3中的1～6曲線的疲勞周期次數(shù)依次為：8500，14000，20000，23000，26500，30500。

　　(2)試驗(yàn)載荷s=1.5t

　　圖4為試驗(yàn)載荷S=1.5kN時(shí).損傷量值在不同損傷位置隨著試驗(yàn)周期增長的變化曲線可以看出.隨著試驗(yàn)周期的增長。鋼絲繩內(nèi)部的損傷量值逐漸增高。

　　圖中的曲線1～8的疲勞周期次數(shù)依次為：8500，12000，17000，23000，30000，39000，47000，55000。

　　5 結(jié)語

　　通過彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋼絲繩進(jìn)行彎曲疲勞實(shí)驗(yàn).結(jié)合TCK系統(tǒng)檢測(cè)鋼絲繩的損傷狀況，實(shí)現(xiàn)了疲勞損傷參數(shù)的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地采集，對(duì)鋼絲繩的疲勞壽命預(yù)測(cè)有一定工程意義?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證實(shí)該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可靠性高對(duì)鋼絲繩進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明，三次彎曲處的損傷量值及損傷點(diǎn)的個(gè)數(shù)明顯超過二次彎曲處，可見彎曲疲勞對(duì)鋼絲繩的疲勞壽命影響較大。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[3]黎新皋.鋼絲繩的旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)[J].冶金叢刊，1993(5)：62—63.

　　[4]朱永剛，劉桂森.鋼絲繩彎曲疲勞試驗(yàn)剖析[JJ.金屬制品，1993，19(5)：27—32.

　　[5]廖紅衛(wèi).鋼絲繩的疲勞行為特征與損傷機(jī)理研究[D].武漢：武漢理T大學(xué).2006.

　　作者簡(jiǎn)介：

　　賈小凡(1987一)，女，江蘇徐州人，碩士，目前主要從事摩擦學(xué)方面的研究，電子信箱：jiaxiaofan0927@163.eom.責(zé)任編輯：侯淑華收稿日期：2010—07—19