CN104568738B - 无接头钢丝绳与衬垫无级变速滑动摩擦试验机及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无接头钢丝绳与衬垫无级变速滑动摩擦试验机及试验方法，其试验机包括动力系统、动力传动系统和无接头钢丝绳与衬垫滑动摩擦副装置，所述无接头钢丝绳与衬垫滑动摩擦副装置包括无接头钢丝绳轮和摩擦衬垫，所述动力系统通过动力传动系统驱动无接头钢丝绳轮上的无接头钢丝绳圈对摩擦衬垫作滑动摩擦试验。本发明的无接头钢丝绳与衬垫无级变速滑动摩擦试验机结构紧凑、试验方法操作简单、安装方便、可靠性高、可模拟多种矿井摩擦提升机打滑工况。

Description

无接头钢丝绳与衬垫无级变速滑动摩擦试验机及试验方法

技术领域

本发明涉及一种无接头钢丝绳与衬垫无级变速滑动摩擦试验机，尤其适用于模拟矿井摩擦提升机上钢丝绳与摩擦衬垫之间的滑动摩擦工况。

背景技术

随着矿井生产向大型化、现代化方向发展，依靠摩擦衬垫与钢丝绳之间的摩擦力来传递提升动力的摩擦提升机已被广泛应用于大型矿井提升系统。在正常提升工况下，矿井摩擦提升机上的摩擦衬垫与钢丝绳之间存在弹性滑移，滑速低于10mm/s，但由于两者所处环境恶劣，连续运行时间长，再加之存在操作不当致使提升机过载的可能，随时存在打滑的危险，当发生高速打滑事故时，衬垫与钢丝绳间相对滑速加速增大，可达几十米每秒。提升机打滑工况下衬垫的摩擦学性能将直接影响矿井摩擦提升机的提升安全可靠性，因此需要进行高速滑动摩擦试验以对其进行研究。然而，高速滑动摩擦试验属于破坏性试验，无法进行现场试验，因此，有必要研制能够模拟矿井摩擦提升机打滑工况的摩擦试验机。

目前，已存在的衬垫与钢丝绳摩擦试验机均基于平面法原理：专利(CN02212593.0)公开了一种“摩擦衬垫摩擦性能模拟试验机”，专利(CN201010567284.4)公开了一种“摩擦衬垫检测机”，上述两种试验机仅能模拟低速(<10mm/s)滑动工况；专利(CN200510134988.1)公开了一种“钢丝绳与衬垫高速摩擦实验机”，该试验机能模拟0.5mm/s至6m/s的滑动工况，但该试验机无法模拟加速滑动工况且钢丝绳与衬垫间的滑动距离有限。另外，专利(CN201110436607.0)公开了一种“矿井摩擦提升机衬垫滑动摩擦试验机”的设计方案，虽然该摩擦试验机结构简单但由于其衬垫随轮子转动，有时接触钢丝绳、有时脱离，且衬垫处于一个旋转周期内的不同位置时，所受比压是变动、不确定的，因此不利于正确、直接地研究衬垫的摩擦学性能。

由此可见，现有钢丝绳与衬垫摩擦试验机存在如下问题：(1)已有试验机都是采用两块衬垫夹持钢丝绳，然后抽动钢丝绳来测量衬垫摩擦学性能，这与矿井摩擦提升机上弧形衬垫与钢丝绳的实际滑动摩擦情况不符；(2)已有试验机无法实现加速滑动工况；(3)已有试验机的钢丝绳长度是有限的，因此滑动距离是有限的，特别是高速滑动时，无法实现与衬垫长时间地滑动摩擦。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种无接头钢丝绳与衬垫无级变速滑动摩擦试验机及试验方法，无接头钢丝绳与衬垫无级变速滑动摩擦试验机结构紧凑、操作简单、安装方便、可靠性高、可模拟多种矿井摩擦提升机打滑工况。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

无接头钢丝绳与衬垫无级变速滑动摩擦试验机，包括动力系统、动力传动系统和无接头钢丝绳与衬垫滑动摩擦副装置，所述无接头钢丝绳与衬垫滑动摩擦副装置包括无接头钢丝绳轮和摩擦衬垫，所述动力系统通过动力传动系统驱动无接头钢丝绳轮上的无接头钢丝绳圈对摩擦衬垫作滑动摩擦试验。

进一步的，所述无接头钢丝绳轮竖直架设在机架上，所述无接头钢丝绳轮的对称中心面与摩擦衬垫的绳槽的对称中心面处于同一竖直面，且所述无接头钢丝绳圈的圆周表面与摩擦衬垫前部绳槽摩擦接触设置，所述摩擦衬垫后部设置在衬垫夹具的前部，所述衬垫夹具的底部设置在滑块导轨组件上，所述衬垫夹具的后部与加载油缸相连。

进一步的，无接头钢丝绳轮包括两个半轮、若干弧形衬垫、无接头钢丝绳圈，所述两个半轮背向贴合对称设置，形成圆周上带有一圈圆周槽的整轮，所述无接头钢丝绳圈嵌入设置在两个半轮之间的圆周槽内，并通过均匀设置在圆周槽内的若干弧形衬垫撑紧。

进一步的，所述衬垫夹具包括主立板、槽钢、双耳板和底板，所述衬垫夹具的前部为由主立板、槽钢和底板形成方形槽，所述摩擦衬垫后部固定设置在方形槽内，所述衬垫夹具的后部通过双耳板与加载油缸通过活塞杆相连。

进一步的，所述滑块导轨组件包括导轨和滑块，所述加载油缸推动衬垫夹具携带摩擦衬垫随滑块沿导轨移动。

进一步的，所述摩擦衬垫在四个侧面上均设有尺寸相同的竖直方向的绳槽。

进一步的，所述动力系统包括变频器和变频电机，所述变频器与变频电机通过电缆连接。

进一步的，所述动力传动系统包括一号弹性注销式联轴器、二号弹性注销式联轴器、转速扭矩传感器、轴承座组件，所述变频电机的输出轴通过一号弹性注销式联轴器与转速扭矩传感器的一端输出轴相连，所述转速扭矩传感器的另一端输出轴通过二号弹性注销式联轴器与无接头钢丝绳轮的中心轴相连，所述无接头钢丝绳轮的中心轴两端分别穿过两个轴承座组件，所述轴承座组件与机架固定，启动变频电机，所述无接头钢丝绳轮绕其中心轴线转动。

基于无接头钢丝绳与衬垫无级变速滑动摩擦试验机的试验方法，进行摩擦试验前，在衬垫夹具的方形槽内安放摩擦衬垫，使摩擦衬垫的绳槽表面朝向无接头钢丝绳轮；启动加载油缸，活塞杆推动衬垫夹具携带摩擦衬垫随滑块沿导轨慢慢靠上无接头钢丝绳轮，然后点动控制活塞杆缩回的按钮，使摩擦衬垫与无接头钢丝绳轮保持间隙；在变频器的面板上设值决定无接头钢丝绳轮的转速—时间曲线的参数，然后启动变频电机，带动无接头钢丝绳轮空转，转速扭矩传感器测得设定时间内的无接头钢丝绳轮的中心轴在空载情况下所受的扭矩，然后关闭变频电机；待无接头钢丝绳轮完全停止转动后，保持变频器面板上设置的参数不变，启动变频电机，同时按下控制活塞杆伸出的按钮，使得摩擦衬垫迅速接触无接头钢丝绳圈，并于此之后在预定的比压条件下保持无接头钢丝绳的压紧状态，转速扭矩传感器获得与空载情况相同时间内的加载情况下的无接头钢丝绳轮的中心轴所受扭矩；将加载和空载两种情况下的扭矩差除以无接头钢丝绳圈的半径，得到加载情况下的摩擦衬垫与无接头钢丝绳圈之间的摩擦力，然后除以加载油缸的活塞杆的推力，即得到摩擦衬垫与无接头钢丝绳圈间滑动摩擦过程中的摩擦系数随时间的变化曲线。

有益效果：实际情况中，矿井摩擦提升机发生打滑事故时，提升机被制动，摩擦衬垫静止不动，钢丝绳相对其滑动，因此本发明的无接头钢丝绳与摩擦衬垫之间的摩擦接触形式与该实际工况一致，在本发明的无接头钢丝绳与衬垫无级变速滑动摩擦试验机上开展钢丝绳与衬垫的滑动摩擦试验，得到的如摩擦系数、摩擦衬垫绳槽表面的磨损形貌等试验结果可以真实反映矿井摩擦提升机打滑工况下摩擦衬垫的摩擦学性能。通过变频器调节变频电机的转速，可实现钢丝绳相对摩擦衬垫0至20m/s间任意恒定速度及0至20m/s加速的滑动。加载油缸油压连续可调，可实现摩擦衬垫的比压为0至4MPa内任意值，从而能更好地模拟矿井摩擦提升机的打滑工况。摩擦衬垫的每个侧面的绳槽均可用于一次滑动试验，因此一个摩擦衬垫可用于四次摩擦试验，节省了试验成本。另外，采用无接头钢丝绳圈可实现滑动摩擦的滑动距离不受限而且使得本发明结构紧凑、安装方便、操作简单、可靠性高。

附图说明

图1为是本发明的主视结构示意图。

图2为本发明的俯视结构示意图。

图3为本发明的机架的左视结构图。

图4为本发明的摩擦衬垫的主视和俯视结构示意图。

图5为本发明的无接头钢丝绳轮的俯视结构示意图。

图6为本发明的衬块夹具的右视结构示意图。

图7为本发明的滑块导轨组件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1和2所示为一种无接头钢丝绳与衬垫无级变速滑动摩擦试验机，主要包括动力系统、动力传动系统和无接头钢丝绳与衬垫滑动摩擦副装置，所述无接头钢丝绳与衬垫滑动摩擦副装置主要包括无接头钢丝绳轮7和摩擦衬垫11，所述动力系统通过动力传动系统驱动无接头钢丝绳轮7上的无接头钢丝绳圈7-3相对摩擦衬垫11作滑动摩擦试验。

所述无接头钢丝绳轮7竖直架设在机架1上，所述无接头钢丝绳轮7的对称中心面与摩擦衬垫11的绳槽的对称中心面处于同一竖直面，保证所述无接头钢丝绳圈7-3的圆周表面与摩擦衬垫11前部绳槽摩擦接触设置，所述摩擦衬垫11后部设置在衬垫夹具4的前部，所述衬垫夹具4的底部设置在滑块导轨组件3上，所述衬垫夹具4的后部与加载油缸2相连。

如附图5所示，无接头钢丝绳轮7包括两个半轮7-1、若干弧形衬垫7-2、无接头钢丝绳圈7-3，所述两个半轮7-1背向贴合对称设置，形成圆周上带有一圈圆周槽的整轮，所述无接头钢丝绳圈7-3嵌入设置在两个半轮7-1之间形成的圆周槽内，并通过均匀设置在圆周槽内的若干弧形衬垫7-2撑紧。其中，所述的无接头钢丝绳圈7-3由钢丝绳拆成股螺旋式地缠绕一个环状纤维束6周而成，其截面形式与普通标准钢丝绳的相同，其绳头被分散地编插在整个绳圈内，且无接头钢丝绳圈7-3的截面圆周轮廓直径偏差处处不超过2％。

如附图6所示，所述衬垫夹具4包括主立板4-1、槽钢4-2、双耳板4-3和底板4-4，所述衬垫夹具4的前部设置为由主立板4-1、槽钢4-2和底板4-4形成方形槽，所述摩擦衬垫11后部正好可以固定设置在方形槽内，所述衬垫夹具4的后部通过双耳板4-3与加载油缸2通过活塞杆相连。所述主立板4-1中部开有圆孔，使得更换衬垫夹具简单方便。

如附图4所示，针对摩擦衬垫11的设计，所述摩擦衬垫11在其四个侧面上均设有尺寸相同的竖直方向的绳槽。绳槽的横截面圆弧的半径与无接头钢丝绳圈7-3的轴截面圆形外轮廓的半径相同，一个摩擦衬垫11可以完成四次试验。摩擦衬垫11的材料为高聚物，不适合用机加工法成型，而采用铸模法成型。

本发明中，所述动力系统包括变频器5和变频电机6，所述变频器5与变频电机6通过电缆连接。所述动力传动系统包括一号弹性注销式联轴器81、二号弹性注销式联轴器82、转速扭矩传感器9、轴承座组件10，所述变频电机6的输出轴通过一号弹性注销式联轴器81与转速扭矩传感器9的一端输出轴相连，所述转速扭矩传感器9的另一端输出轴通过二号弹性注销式联轴器82与无接头钢丝绳轮7的中心轴相连，所述无接头钢丝绳轮7的中心轴两端分别穿过两个轴承座组件10，所述轴承座组件10与机架1固定，启动变频电机6，所述无接头钢丝绳轮7绕其中心轴线转动。

如附图3所示，所述的机架1由钢板及型钢焊接而成，包括底座1-3、油缸和导轨支撑台1-2、轴承座支撑台1-1、转速扭矩传感器支撑台1-4、变频电机支撑台1-5；为保证机架支撑的各部件的旋转中心轴线在同一水平面上，各支撑台的高度因适应其支撑的各部件在高度方向的尺寸不同而不同。

所述滑块导轨组件3包括导轨3-1和滑块3-2，所述加载油缸2推动衬垫夹具4携带摩擦衬垫11随滑块3-2沿导轨3-1移动。由于滑块3-2与导轨3-1之间的摩擦系数小，两者间的摩擦力可忽略，因此加载油缸2的活塞杆的推力可近似等于摩擦衬垫11与无接头钢丝绳圈7-3之间的正压力。另外，忽略动力传动系统的效率损失，无接头钢丝绳轮7的转速可近似等于变频电机6的转速，因此摩擦衬垫11的绳槽表面所受无接头钢丝绳圈7-3的比压和两者间的相对滑速这两个工况条件参数可分别线性换算为加载油缸2的油压和变频电机6的转速。

工作原理及过程：进行摩擦试验前，在衬垫夹具4的方形槽内安放摩擦衬垫11，使摩擦衬垫11的某个侧面上未试验用过的绳槽表面朝向无接头钢丝绳轮7；低压启动加载油缸2，活塞杆推动衬垫夹具4携带摩擦衬垫11随滑块沿导轨慢慢靠上无接头钢丝绳圈7-3，然后点动控制活塞杆缩回的按钮，使摩擦衬垫11分开无接头钢丝绳圈7-3很小的距离(保持间隙)；在变频器5的面板上设值决定无接头钢丝绳轮7的转速—时间曲线的参数，如做匀速转动的恒定转速和转动时间或做加速运动的初始速度、终止速度和转动时间等，然后启动变频电机6，其带动无接头钢丝绳轮7空转，转速扭矩传感器9测得设定时间内的无接头钢丝绳轮7的中心轴在空载情况下的扭矩，该扭矩主要由无接头钢丝绳轮、轴承的转动惯性矩构成，其主要与转速及转动加速度有关，然后停止变频电机6；待无接头钢丝绳轮7完全停止转动后，保持变频器5面板上设置的参数不变，根据预定的衬垫比压和其与加载油缸2的油压间的换算关系，通过调节液压系统的溢流阀的开度设定相应的加载油缸2的油压值，随后启动变频电机6，同时按下控制活塞杆伸出的按钮，使得摩擦衬垫11迅速接触无接头钢丝绳圈7-3，并于此之后在预定的比压条件下保持压紧无接头钢丝绳圈7-3的状态，转速扭矩传感器9获得与空载情况相同时间内的加载情况下的无接头钢丝绳轮7的中心轴所受扭矩。

将加载和空载两种情况下的扭矩差除以无接头钢丝绳圈7-3的半径，得到加载情况下的摩擦衬垫11与无接头钢丝绳圈7-3之间的摩擦力，然后除以加载油缸2的活塞杆的推力，即得到摩擦衬垫11与无接头钢丝绳圈7-3间滑动摩擦过程中的摩擦系数随时间的变化曲线。摩擦系数随时间的变化曲线与试验结束后的摩擦衬垫11的绳槽的表面形貌可用于评判摩擦衬垫11材料的摩擦学性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.无接头钢丝绳与衬垫无级变速滑动摩擦试验机，其特征在于：包括动力系统、动力传动系统和无接头钢丝绳与衬垫滑动摩擦副装置，所述无接头钢丝绳与衬垫滑动摩擦副装置包括无接头钢丝绳轮(7)和摩擦衬垫(11)，所述动力系统通过动力传动系统驱动无接头钢丝绳轮(7)上的无接头钢丝绳圈(7-3)对摩擦衬垫(11)作滑动摩擦试验；

所述无接头钢丝绳轮(7)竖直架设在机架(1)上，所述无接头钢丝绳轮(7)的对称中心面与摩擦衬垫(11)的绳槽的对称中心面处于同一竖直面，且所述无接头钢丝绳圈(7-3)的圆周表面与摩擦衬垫(11)前部绳槽摩擦接触设置，所述摩擦衬垫(11)后部设置在衬垫夹具(4)的前部，所述衬垫夹具(4)的底部设置在滑块导轨组件(3)上，所述衬垫夹具(4)的后部与加载油缸(2)相连。

2.根据权利要求1所述无接头钢丝绳与衬垫无级变速滑动摩擦试验机，其特征在于：无接头钢丝绳轮(7)包括两个半轮(7-1)、若干弧形衬垫(7-2)、无接头钢丝绳圈(7-3)，所述两个半轮(7-1)背向贴合对称设置，形成圆周上带有一圈圆周槽的整轮，所述无接头钢丝绳圈(7-3)嵌入设置在两个半轮(7-1)之间的圆周槽内，并通过均匀设置在圆周槽内的若干弧形衬垫(7-2)撑紧。

3.根据权利要求1所述无接头钢丝绳与衬垫无级变速滑动摩擦试验机，其特征在于：所述衬垫夹具(4)包括主立板(4-1)、槽钢(4-2)、双耳板(4-3)和底板(4-4)，所述衬垫夹具(4)的前部为主立板(4-1)、槽钢(4-2)和底板(4-4)形成方形槽，所述摩擦衬垫(11)后部固定设置在方形槽内，所述衬垫夹具(4)的后部通过双耳板(4-3)与加载油缸(2)通过活塞杆相连。

4.根据权利要求1所述无接头钢丝绳与衬垫无级变速滑动摩擦试验机，其特征在于：所述滑块导轨组件(3)包括导轨(3-1)和滑块(3-2)，所述加载油缸(2)推动衬垫夹具(4)携带摩擦衬垫(11)随滑块(3-2)沿导轨(3-1)移动。

5.根据权利要求1所述无接头钢丝绳与衬垫无级变速滑动摩擦试验机，其特征在于：所述摩擦衬垫(11)在四个侧面上均设有尺寸相同的竖直方向的绳槽。

6.根据权利要求1所述无接头钢丝绳与衬垫无级变速滑动摩擦试验机，其特征在于：所述动力系统包括变频器(5)和变频电机(6)，所述变频器(5)与变频电机(6)通过电缆连接。

7.根据权利要求6所述无接头钢丝绳与衬垫无级变速滑动摩擦试验机，其特征在于：所述动力传动系统包括一号弹性注销式联轴器(81)、二号弹性注销式联轴器(82)、转速扭矩传感器(9)、轴承座组件(10)，所述变频电机(6)的输出轴通过一号弹性注销式联轴器(81)与转速扭矩传感器(9)的一端输出轴相连，所述转速扭矩传感器(9)的另一端输出轴通过二号弹性注销式联轴器(82)与无接头钢丝绳轮(7)的中心轴相连，所述无接头钢丝绳轮(7)的中心轴两端分别穿过两个轴承座组件(10)，所述轴承座组件(10)与机架(1)固定，启动变频电机(6)，所述无接头钢丝绳轮(7)绕其中心轴线转动。

8.基于无接头钢丝绳与衬垫无级变速滑动摩擦试验机的试验方法，其特征在于：进行摩擦试验前，在衬垫夹具(4)的前部方形槽内安放摩擦衬垫(11)，使摩擦衬垫(11)的绳槽表面朝向无接头钢丝绳轮(7)；启动加载油缸(2)，活塞杆推动衬垫夹具(4)携带摩擦衬垫(11)随滑块沿导轨慢慢靠上无接头钢丝绳轮(7)，然后点动控制活塞杆缩回的按钮，使摩擦衬垫(11)分开无接头钢丝绳轮(7)很小的距离；在变频器(5)的面板上设置决定无接头钢丝绳轮(7)的转速—时间曲线的参数，然后启动变频电机(6)，带动无接头钢丝绳轮(7)空转，转速扭矩传感器(9)测得设定时间内的无接头钢丝绳轮(7)的空载情况下的扭矩，然后关闭变频电机(6)；

待无接头钢丝绳轮(7)完全停止转动后，保持变频器(5)面板上设置的参数不变，启动变频电机(6)，同时按下控制活塞杆伸出的按钮，使得摩擦衬垫(11)迅速接触无接头钢丝绳圈(7-3)，并于此之后在预定的比压条件下保持压紧无接头钢丝绳(4-5)的状态，转速扭矩传感器(9)获得与空载情况相同时间内的加载情况下的无接头钢丝绳轮(7)的扭矩；

将加载和空载两种情况下的扭矩差除以无接头钢丝绳圈(7-3)的半径，得到加载情况下的摩擦衬垫(11)与无接头钢丝绳圈(7-3)之间的摩擦力，然后除以加载油缸(2)的活塞杆的推力，即得到摩擦衬垫(11)与无接头钢丝绳圈(7-3)间滑动摩擦过程中的摩擦系数随时间的变化曲线。