CN105675280B - 千米深井提升机主轴弯扭复合疲劳损伤监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种千米深井提升机主轴弯扭复合疲劳损伤监测装置及方法，该装置包括基架，设置在基架上的主轴装置和加载系统以及设置在主轴装置上的状态监测系统，主轴装置包括主轴，主轴中部设有主卷筒，主轴上设有法兰盘，主卷筒两侧连接法兰盘，主卷筒绳槽中卷绕钢丝绳，主轴一端设有A轴承，主轴另一端设有B轴承，A轴承置于A轴承座内，B轴承置于B轴承座内；加载系统包括设置在钢丝绳两端的第一加载系统和第二加载系统；状态监测系统包括张力监测系统、应力测量系统、扭矩测量系统、裂纹监测系统。本发明能够模拟千米深井提升过程中不同振动和冲击工况下提升机主轴的弯扭复合疲劳行为，并且动态监测提升机主轴弯扭复合疲劳裂纹演化机制。
Description
技术领域
本发明专利涉及千米深井提升机主轴弯扭复合疲劳损伤监测装置及方法，能够模拟千米深井提升过程中不同振动和冲击工况下提升机主轴的弯扭复合疲劳行为，动态监测提升机主轴的弯扭复合疲劳损伤(裂纹萌生和扩展)演化机制以及各种载荷的演化规律(集中载荷、弯矩和扭矩)。
背景技术
在已探明煤炭资源中，53％煤炭深埋在千米地层以下，我国超千米深井已达47个，且其数量在逐年增加。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，被广泛应用于千米立井提升中，是连接地面和井下的咽喉设备，担负着提升煤炭、下放材料、升降人员和设备的任务。在摩擦式提升系统中，电动机通过主轴装置(包括主轴、主轴轴承、轴承座、卷筒等，其中主轴与卷筒通过高强度螺栓连接)驱动卷筒转动，通过卷筒上摩擦衬垫与提升钢丝绳之间的摩擦力实现提升容器(箕斗或罐笼)的上提和下放。因此，提升机主轴作为提升机承受载荷和传递动力的关键部件，一旦发生失效断裂，将造成严重的经济损失和重大的人员伤亡。
在矿井提升过程中，提升机加速、匀速和减速特性以及时变的悬垂绳长导致提升过程中提升系统的横向-纵向耦合振动和卷筒两侧提升钢丝绳横向-纵向耦合动力学特性，进而导致作用于主轴上载荷的动态特性(交变拉力、交变扭矩和交变弯矩)，而千米深井的大提升距离、大提升载荷和高提升速度导致提升机主轴承受的动态交变载荷幅值增大。这些载荷的共同作用会导致提升机主轴产生疲劳裂纹萌生、扩展和最终突发性断裂，即弯扭复合疲劳。然而，不同的提升系统运动学参数和动力学参数导致差异的主轴承载状况，进而造成不同的主轴弯扭复合疲劳断裂机制。因此，结合千米深井提升特殊工况，定量揭示提升机主轴的疲劳裂纹萌生与扩展演化，构建提升机主轴的弯扭复合疲劳寿命预测模型，获得降低提升机主轴弯扭复合疲劳失效的最佳提升系统运动学和动力学参数，对提高千米深井提升装备的安全性、减少恶性事故的发生、避免人员伤亡或设备损坏、保障我国能源供应具有重要意义。因此，需要一种振动与冲击工况下矿井提升机主轴弯扭复合疲劳损伤监测实验装置，用于定量监测和分析不同提升工况中提升机主轴的弯扭疲劳损伤演化。
有关矿井提升机主轴方面的实验装置包括：专利号为ZL201310676760.X公布的一种主轴疲劳试验装置，采用偏心旋转方式产生离心载荷，近而在主轴端部施加恒定弯曲载荷，以模拟实际运行中主轴承受的弯矩情况；专利号为ZL201410028404.1公布的一种轴向差动式矿井提升机主轴扭矩检测装置，可通过光感器件对矿井提升机主轴扭矩实时检测，测量不同转速时扭矩；上述专利中试验装置均不能同时施加动态的集中载荷、弯曲载荷和扭矩。专利号为ZL200820220208.4公布的一种单卷筒矿井提升机主轴装置，主轴上设有法兰盘，卷筒与法兰盘通过高强度螺栓连接，改善了主轴系统结构及其强度；专利号为ZL200820016120.0公布的一种矿井提升机主轴与轮毂无键过盈联接结构，获得简化的提升机主轴与轮毂的装配结构；上述专利中涉及的装置或结构并不能够模拟千米深井提升过程中不同振动和冲击工况下提升机主轴的弯扭复合疲劳失效行为。因此，针对千米深井提升过程中不同振动和冲击工况下提升机主轴弯扭复合疲劳损伤演化以及各种载荷的动态实时监测实验装置还是空白。
发明内容
发明目的：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、易操作的千米深井提升机主轴弯扭复合疲劳损伤监测装置及方法，能够模拟千米深井提升过程中不同振动和冲击工况下提升机主轴的弯扭复合疲劳行为，并且动态监测提升机主轴弯扭复合疲劳裂纹演化机制。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种千米深井提升机主轴弯扭复合疲劳损伤监测装置，包括基架、主轴装置、加载系统和状态监测系统，主轴装置和加载系统设置在基架上，状态监测系统设置在主轴装置上；
所述主轴装置包括主轴，主轴中部设有主卷筒，主轴上设有法兰盘，主卷筒两侧连接法兰盘，主卷筒绳槽中卷绕钢丝绳，主轴一端设有A轴承，主轴另一端设有B轴承，A轴承置于A轴承座内，B轴承置于B轴承座内；
所述加载系统包括第一加载系统和第二加载系统，第一加载系统包括A支撑轴和A电机，A支撑轴中部设有A卷筒，钢丝绳一端缠绕于A卷筒绳槽内，A支撑轴一端设有C轴承和C联轴器，A支撑轴另一端设有D轴承，C轴承置于C轴承座内，D轴承置于D轴承座内，C联轴器与A电机输出轴相连，所述第二加载系统包括B支撑轴和B电机，B支撑轴中部设有B卷筒，钢丝绳另一端缠绕于B卷筒绳槽内，B支撑轴一端设有E轴承和B联轴器，B支撑轴另一端设有F轴承，E轴承置于E轴承座内，F轴承置于F轴承座内，B联轴器与B电机输出轴相连；
所述状态监测系统包括张力监测系统、应力测量系统、扭矩测量系统、裂纹监测系统，张力监测系统包括A张力传感器和B张力传感器A张力传感器设置在主卷筒与A卷筒之间的钢丝绳上，B张力传感器设置在主卷筒与B卷筒之间的钢丝绳上，应力测量系统包括粘贴在法兰盘上的第一应变片和粘贴在主轴上的第二应变片，扭矩测量系统包括扭矩传感器，扭矩传感器一端与A法兰轴连接，扭矩传感器另一端与B法兰轴连接，A法兰轴穿过G轴承，B法兰轴通过A联轴器与主轴端部相连，裂纹监测系统包括高速摄像机和声发射传感器。
进一步的，所述基架包括底板、设置在底板上的第一支撑立柱和第二支撑立柱、设置在底板和第一支撑立柱底部之间的固定角钢以及设置在第一支撑立柱和第二支撑立柱顶端的承载横梁。
进一步的，所述A轴承座和B轴承座通过螺钉固定于承载横梁上，C轴承座和D轴承座通过螺钉固定在A支撑块上，A支撑块通过螺栓固定在底板上，A电机通过A电机支座设置在底板上，E轴承座和F轴承座通过螺钉固定在B支撑块上，B支撑块通过螺栓固定在底板上，B电机通过B电机支座设置在底板上，G轴承安装于承载横梁上。
根据上述监测装置的千米深井提升机主轴弯扭复合疲劳损伤监测方法，包括以下步骤：
a)调整A电机支座、A支撑块、B电机支座和B支撑块在底板上的位置，获得钢丝绳与主卷筒之间的围包角设定值；
b)将第一应变片粘贴在法兰盘侧面上，将第二应变片粘贴在靠近法兰盘的主轴外表面，将高速摄像机对准法兰盘侧面，将声发射传感器置于主轴外表面；
c)通过变频器控制可正反转的A电机和B电机，拉伸钢丝绳直至B张力传感器和A张力传感器达到初始设定值；
d)通过变频器设定A电机和B电机的转速、频率、转角幅值和转向，对主卷筒上钢丝绳两端施加不同的张力载荷，通过A张力传感器、B张力传感器、扭矩传感器、第一应变片、第二应变片、高速摄像机和声发射传感器分别实时记录主卷筒两侧钢丝绳动载荷、主轴受到的扭矩、集中载荷和弯曲载荷、主轴上法兰盘裂纹萌生或扩展情况；当达到设定的循环次数后，关闭A电机和B电机，停止实验；
e)改变A电机支座、A支撑块、B电机支座和B支撑块在底板上的位置，获得不同围包角；
f)重复步骤c)和d)，研究不同围包角情况下，主卷筒上钢丝绳两端张力差、载荷形式对主轴弯扭复合疲劳损伤行为的影响规律。
进一步的，步骤a)中，围包角应小于等于195°
进一步的，步骤b)中，声发射传感器与主轴之间涂有油脂。
有益效果：本发明针对千米深井提升过程中动载荷和冲击载荷工况，综合考虑提升机主轴承受的集中载荷、扭转载荷和弯曲载荷的共同作用，能够动态监测和定量表征提升机主轴的受力情况、裂纹萌生和扩展演化及其受到提升机运行工况参数的影响规律，对不同提升工况下提升机主轴弯扭复合疲劳损伤行为研究提供有效地实验设备和有效依据，对预测千米深井提升机主轴的服役寿命具有广泛的实用性，对深井和超深矿井提升运行安全具有重要意义。
附图说明
图1为本发明专利结构的主视图；
图2为本发明专利结构的俯视图；
图3为图1的A-A剖视图；
图4为图3的I处局部放大图。
图中：1、G轴承；2、A法兰轴；3、扭矩传感器；4、B法兰轴；5、A联轴器；6、A轴承座；7、A轴承；8、主轴；9、第二应变片；10、高速摄像机；11、声发射传感器；12、B轴承；13、B轴承座；14、第一支撑立柱；15、A电机；16、A电机支座；17、C联轴器；18、A支撑轴；19、C轴承座；20、A支撑块；21、D轴承座；22、固定角钢；23、B支撑轴；24、B联轴器；25、B电机支座；26、底板；27、B电机；28、第二支撑立柱；29、承载横梁；30、E轴承座；31、E轴承；32、B支撑块；33、F轴承；34、F轴承座；35、C轴承；36、D轴承；37、B卷筒；38、B张力传感器；39、钢丝绳；40、主卷筒；41、A张力传感器；42、A卷筒；43、第一应变片；44、高强度螺栓。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1至4所示，本发明的一种千米深井提升机主轴弯扭复合疲劳损伤监测装置，包括基架、主轴装置、加载系统和状态监测系统，主轴装置和加载系统设置在基架上，状态监测系统设置在主轴装置上。
所述基架包括底板26、设置在底板26上的第一支撑立柱14和第二支撑立柱28、设置在底板26和第一支撑立柱14底部之间的固定角钢22以及设置在第一支撑立柱14和第二支撑立柱28顶端的承载横梁29。
所述主轴装置包括主轴8，主轴8中部设有主卷筒40，主轴8上设有与主轴8一体的法兰盘，主卷筒40两侧通过高强度螺栓44连接法兰盘，主卷筒40绳槽中卷绕钢丝绳39，主轴8一端设有A轴承7，主轴8另一端设有B轴承12，A轴承7置于A轴承座6内，B轴承12置于B轴承座13内，A轴承座6和B轴承座13通过螺钉固定于承载横梁29上。
所述加载系统包括第一加载系统和第二加载系统。
第一加载系统包括A支撑轴18和A电机15，A支撑轴18中部设有A卷筒42，钢丝绳39一端缠绕于A卷筒42绳槽内，A支撑轴18一端设有C轴承35和C联轴器17，A支撑轴18另一端设有D轴承36，C轴承35置于C轴承座19内，D轴承36置于D轴承座21内，C轴承座19和D轴承座21通过螺钉固定在A支撑块20上，A支撑块20通过螺栓固定在底板26上，C联轴器17与A电机15输出轴相连，A电机15通过A电机支座16设置在底板26上。
第二加载系统包括B支撑轴23和B电机27，B支撑轴23中部设有B卷筒37，钢丝绳39另一端缠绕于B卷筒37绳槽内，B支撑轴23一端设有E轴承31和B联轴器24，B支撑轴23另一端设有F轴承33，E轴承31置于E轴承座30内，F轴承33置于F轴承座34内，E轴承座30和F轴承座34通过螺钉固定在B支撑块32上，B支撑块32通过螺栓固定在底板26上，B联轴器24与B电机27输出轴相连，B电机27通过B电机支座25设置在底板26上。
所述状态监测系统包括张力监测系统、应力测量系统、扭矩测量系统、裂纹监测系统。
张力监测系统包括A张力传感器41和B张力传感器38，A张力传感器41设置在主卷筒40与A卷筒42之间的钢丝绳39上，B张力传感器38设置在主卷筒40与B卷筒37之间的钢丝绳39上。张力传感器中应变片按照电桥电路的方式连接在一起，当受外力时应变片的电阻值也随之变化，改变值的大小正比于张力的大小，用于测量实验过程中施加于主卷筒40两侧钢丝绳39上的动张力或冲击载荷。
应力测量系统包括粘贴在法兰盘上的第一应变片43和粘贴在主轴8上的第二应变片9。第一应变片43用于测量高强度螺栓44连接处附近法兰盘表面的应力应变，第二应变片9用于测量主轴8表面集中应力和弯曲应力，通过将应变片粘贴在被测物体表面，在实验过程中应变片会随着被测一起伸缩，应变片内的金属会相应的伸缩其电阻会发生变化，通过检测电阻的变化来测量应变的变化，进而测量被测物体的应力应变，对于弯曲应力的测量通过用应变片搭建惠斯通电桥电路的方法来检测被测物体表面应变片电阻的变化来实现。
扭矩测量系统包括扭矩传感器3，扭矩传感器3一端与A法兰轴2连接，扭矩传感器3另一端与B法兰轴4连接，A法兰轴2穿过G轴承1，G轴承1安装于承载横梁29上，B法兰轴4通过A联轴器5与主轴8端部相连。扭矩传感器3用于测量实验过程中主轴8承受的扭矩演化。扭矩传感器3是通过在其弹性轴上粘贴应变计组成测量电桥，当弹性轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化，应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现扭矩测量。
所述裂纹监测系统包括设置在主轴8附近的高速摄像机10和声发射传感器11，用于动态监测裂纹的萌生和扩展情况。声发射传感器11是通过声发射源发出的弹性波，经介质传播到达被检体表面，引起表面的机械振动。声发射传感器将表面的瞬态位移转换成电信号。声发射信号在经放大、处理后，其波形和特性参数被纪录与显示。
根据上述监测装置的千米深井提升机主轴弯扭复合疲劳损伤监测方法，包括以下步骤：
a)调整A电机支座16、A支撑块20、B电机支座25和B支撑块32在底板26上的位置，获得钢丝绳39与主卷筒40之间的围包角设定值，围包角应小于等于195°；
b)将第一应变片43粘贴在法兰盘侧面上，将第二应变片9粘贴在靠近法兰盘的主轴8外表面，将高速摄像机10对准法兰盘侧面，将声发射传感器11置于主轴8外表面，声发射传感器11与主轴8之间涂有油脂；
c)通过变频器控制可正反转的A电机15和B电机27，拉伸钢丝绳39直至B张力传感器38和A张力传感器41达到初始设定值；
d)通过变频器设定A电机15和B电机27的转速、频率、转角幅值和转向，对主卷筒40上钢丝绳39两端施加不同的张力载荷，通过A张力传感器41、B张力传感器38、扭矩传感器3、第一应变片43、第二应变片9、高速摄像机10和声发射传感器11分别实时记录主卷筒40两侧钢丝绳39动载荷、主轴8受到的扭矩、集中载荷和弯曲载荷、主轴8上法兰盘裂纹萌生或扩展情况；当达到设定的循环次数后，关闭A电机15和B电机27，停止实验；
e)改变A电机支座16、A支撑块20、B电机支座25和B支撑块32在底板26上的位置，获得不同围包角；
f)重复步骤c)和d)，研究不同围包角情况下，主卷筒40上钢丝绳39两端张力差、载荷形式对主轴8弯扭复合疲劳损伤行为的影响规律。
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 (6)
1.一种千米深井提升机主轴弯扭复合疲劳损伤监测装置，其特征在于：包括基架、主轴装置、加载系统和状态监测系统，主轴装置和加载系统设置在基架上，状态监测系统设置在主轴装置上；
所述主轴装置包括主轴(8)，主轴(8)中部设有主卷筒(40)，主轴(8)上设有法兰盘，主卷筒(40)两侧连接法兰盘，主卷筒(40)绳槽中卷绕钢丝绳(39)，主轴(8)一端设有A轴承(7)，主轴(8)另一端设有B轴承(12)，A轴承(7)置于A轴承座(6)内，B轴承(12)置于B轴承座(13)内；
所述加载系统包括第一加载系统和第二加载系统，第一加载系统包括A支撑轴(18)和A电机(15)，A支撑轴(18)中部设有A卷筒(42)，钢丝绳(39)一端缠绕于A卷筒(42)绳槽内，A支撑轴(18)一端设有C轴承(35)和C联轴器(17)，A支撑轴(18)另一端设有D轴承(36)，C轴承(35)置于C轴承座(19)内，D轴承(36)置于D轴承座(21)内，C联轴器(17)与A电机(15)输出轴相连，所述第二加载系统包括B支撑轴(23)和B电机(27)，B支撑轴(23)中部设有B卷筒(37)，钢丝绳(39)另一端缠绕于B卷筒(37)绳槽内，B支撑轴(23)一端设有E轴承(31)和B联轴器(24)，B支撑轴(23)另一端设有F轴承(33)，E轴承(31)置于E轴承座(30)内，F轴承(33)置于F轴承座(34)内，B联轴器(24)与B电机(27)输出轴相连；
所述状态监测系统包括张力监测系统、应力测量系统、扭矩测量系统、裂纹监测系统，张力监测系统包括A张力传感器(41)和B张力传感器(38)，A张力传感器(41)设置在主卷筒(40)与A卷筒(42)之间的钢丝绳(39)上，B张力传感器(38)设置在主卷筒(40)与B卷筒(37)之间的钢丝绳(39)上，应力测量系统包括粘贴在法兰盘上的第一应变片(43)和粘贴在主轴(8)上的第二应变片(9)，扭矩测量系统包括扭矩传感器(3)，扭矩传感器(3)一端与A法兰轴(2)连接，扭矩传感器(3)另一端与B法兰轴(4)连接，A法兰轴(2)穿过G轴承(1)，B法兰轴(4)通过A联轴器(5)与主轴(8)端部相连，裂纹监测系统包括高速摄像机(10)和声发射传感器(11)。
2.根据权利要求1所述的一种千米深井提升机主轴弯扭复合疲劳损伤监测装置，其特征在于：所述基架包括底板(26)、设置在底板(26)上的第一支撑立柱(14)和第二支撑立柱(28)、设置在底板(26)和第一支撑立柱(14)底部之间的固定角钢(22)以及设置在第一支撑立柱(14)和第二支撑立柱(28)顶端的承载横梁(29)。
3.根据权利要求2所述的一种千米深井提升机主轴弯扭复合疲劳损伤监测装置，其特征在于：所述A轴承座(6)和B轴承座(13)通过螺钉固定于承载横梁(29)上，C轴承座(19)和D轴承座(21)通过螺钉固定在A支撑块(20)上，A支撑块(20)通过螺栓固定在底板(26)上，A电机(15)通过A电机支座(16)设置在底板(26) 上，E轴承座(30)和F轴承座(34)通过螺钉固定在B支撑块(32)上，B支撑块(32)通过螺栓固定在底板(26)上，B电机(27)通过B电机支座(25)设置在底板(26)上，G轴承(1)安装于承载横梁(29)上。
4.根据权利要求3所述监测装置的千米深井提升机主轴弯扭复合疲劳损伤监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)调整A电机支座(16)、A支撑块(20)、B电机支座(25)和B支撑块(32)在底板(26)上的位置，获得钢丝绳(39)与主卷筒(40)之间的围包角设定值；
b)将第一应变片(43)粘贴在法兰盘侧面上，将第二应变片(9)粘贴在靠近法兰盘的主轴(8)外表面，将高速摄像机(10)对准法兰盘侧面，将声发射传感器(11)置于主轴(8)外表面；
c)通过变频器控制可正反转的A电机(15)和B电机(27)，拉伸钢丝绳(39)直至B张力传感器(38)和A张力传感器(41)达到初始设定值；
d)通过变频器设定A电机(15)和B电机(27)的转速、频率、转角幅值和转向，对主卷筒(40)上钢丝绳(39)两端施加不同的张力载荷，通过A张力传感器(41)、B张力传感器(38)、扭矩传感器(3)、第一应变片(43)、第二应变片(9)、高速摄像机(10)和声发射传感器(11)分别实时记录主卷筒(40)两侧钢丝绳(39)动载荷、主轴(8)受到的扭矩、集中载荷和弯曲载荷、主轴(8)上法兰盘裂纹萌生或扩展情况；当达到设定的循环次数后，关闭A电机(15)和B电机(27)，停止实验；
e)改变A电机支座(16)、A支撑块(20)、B电机支座(25)和B支撑块(32)在底板(26)上的位置，获得不同围包角；
f)重复步骤c)和d)，研究不同围包角情况下，主卷筒(40)上钢丝绳(39)两端张力差、载荷形式对主轴(8)弯扭复合疲劳损伤行为的影响规律。
5.根据权利要求4所述的千米深井提升机主轴弯扭复合疲劳损伤监测方法，其特征在于：步骤a)中，所述围包角应小于等于195°。
6.根据权利要求4所述的千米深井提升机主轴弯扭复合疲劳损伤监测方法，其特征在于：步骤b)中，声发射传感器(11)与主轴(8)之间涂有油脂。
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