超深立井缠绕式提升钢丝绳摩擦腐蚀疲劳损伤监测装置及方法与流程

本发明属于矿业开采领域，特别是一种超深立井缠绕式提升钢丝绳摩擦腐蚀疲劳损伤监测。

背景技术：

近几年，随着我国国民经济的高速发展，我国对矿产资源的需求量大幅度增长，促使我国地下矿产资源的开采不断向深层扩展。据统计，我国煤炭开采正在以每年8～12m的速度向深部发展，随着煤炭资源的日益消耗，未来10年内，我国矿井的开采深度必然达到1000～2000m，因此，超深井开采及运输问题已经受到很多学者的关注。多绳缠绕式提升机高度大于1500m时，在提升能力及极限提升高度方面优于多绳摩擦式提升机，因此，超深矿井提升多采用多绳缠绕式提升系统。在多绳缠绕式提升系统中，我国《煤矿安全规程》规定卷筒上缠绕的钢丝绳层数在立井升降物料时为2层，而加拿大《Ontario Occupational Health and Safety Act》规定提升机卷筒上有螺旋绳槽时不得超过3层缠绕。在矿井提升过程中，提升钢丝绳连接矿井提升机和提升容器共同组成了矿井提升系统，担负着提升煤炭、矸石、下放材料、升降人员和设备的任务，然而，提升钢丝绳是提升系统中比较薄弱的环节，一旦钢丝绳失效断裂将导致井毁人亡的重大事故，并且严重影响矿井正常生产和人员的生命安全。因而，探究超深立井缠绕式提升钢丝绳失效机制，对提高超深立井提升系统安全可靠性、保障生命财产安全和国家煤炭能源供应，显得尤为重要和紧迫。

在超深立井缠绕式提升过程中，提升钢丝绳因循环提升和下放提升容器，提升机的加速、匀速和减速特性和时变的悬垂钢丝绳长度等导致钢丝绳反复地承受拉伸载荷和弯曲载荷，进而导致缠绕于卷筒上钢丝绳的动态蠕变特性以及卷筒上不同缠绕层钢丝绳间的动态接触载荷；超深立井提升具有大淋水(酸碱度pH＝6～9的腐蚀溶液)、高低温(-20℃～30℃)和煤质粉尘等恶劣环境特点，矿井淋水、高低温、煤层中的有害离子会引起钢丝绳的腐蚀，因此，温度、电解质腐蚀溶液以及动态拉伸载荷和动态接触载荷共同作用将导致超深立井缠绕式提升机相邻缠绕层钢丝绳摩擦腐蚀疲劳损伤，使钢丝绳破坏拉力和抗冲击的性能大幅度降低，进一步导致提升钢丝绳的摩擦腐蚀疲劳断裂失效，严重影响其使用寿命。因此，提出超深立井缠绕式提升钢丝绳摩擦腐蚀疲劳损伤监测装置及方法，研究温度和腐蚀效应下提升钢丝绳的摩擦疲劳损伤失效机制，对探索超深立井缠绕式提升钢丝绳服役寿命具有重要的理论指导意义。

钢丝及钢丝绳腐蚀疲劳相关的实验装置有：专利号CN201610093465.5公开了一种千米深井提升钢丝绳多轴微动腐蚀疲劳损伤监测装置及方法，可实现不同温度、腐蚀溶液PH值、多轴微动疲劳参数下钢丝的多轴微动腐蚀疲劳实验；专利号CN201510051377.4公开了腐蚀-交变载荷耦合作用下钢丝绳弯曲疲劳损伤监测系统，能实现腐蚀与交变载荷耦合作用下钢丝绳的弯曲疲劳试验，可用于揭示钢丝绳弯曲疲劳损伤失效机理。然而，上述专利均不能实现不同温度、动态拉伸载荷和动态接触载荷参数下超深立井缠绕式提升机相邻缠绕层钢丝绳摩擦腐蚀疲劳损伤特性研究。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种超深立井缠绕式提升钢丝绳摩擦腐蚀疲劳损伤监测装置，可以研究不同的温度和电解质腐蚀溶液中动态拉伸和接触载荷下超深立井缠绕式提升机相邻缠绕层钢丝绳摩擦腐蚀疲劳损伤特性。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

超深立井缠绕式提升钢丝绳摩擦腐蚀疲劳损伤监测装置包括支撑系统、拉-拉疲劳系统、动态加载系统、恒温腐蚀系统、监测系统。

所述支撑系统包括底板、龙门支架、电化学工作站支架、伺服电动缸A支架、摩擦衬垫支架，龙门支架通过螺钉固定在底板上，电化学工作站支架通过焊接固定在底板上，伺服电动缸A支架通过螺钉紧固在底板上，摩擦衬垫支架通过耐腐蚀螺钉固定在耐腐蚀箱底板上。

所述拉-拉疲劳系统包括U型件支座、U型件、鸡心环A、钢丝绳U型锁具A、疲劳钢丝绳、钢丝绳U型锁具B、鸡心环B、拉力传感器、连接件A、伺服电动缸A，U型件支座固定在底板上，U型件通过锁紧螺母固定在U型件支座上，鸡心环A环心穿过U型件，疲劳钢丝绳一端穿过鸡心环A绳槽且疲劳钢丝绳接头端通过钢丝绳U型锁具A锁紧，伺服电动缸A固定在伺服电动缸A支架上，伺服电动缸A的螺纹杆与拉力传感器一端连接，拉力传感器另一端穿过鸡心环B环心，疲劳钢丝绳另一端穿过鸡心环B绳槽且疲劳钢丝绳接头端通过钢丝绳U型锁具B锁紧；

所述动态加载系统包括伺服电动缸B、连接件B、二维力传感器、耐腐蚀加载钢丝夹具、加载钢丝绳、摩擦衬垫，伺服电动缸B固定在龙门支架上，伺服电动缸B的螺纹杆与连接件B螺纹孔连接，连接件B法兰端与二维力传感器一端连接，二维力传感器另一端与耐腐蚀加载钢丝绳夹具连接，加载钢丝绳通过耐腐蚀加载钢丝绳夹具固定，耐腐蚀加载钢丝绳夹具包括钢丝绳固定块和钢丝绳压紧片，摩擦衬垫通过耐腐蚀螺钉固定在摩擦衬垫支架上；

所述恒温腐蚀系统包括耐腐蚀箱、耐腐蚀箱盖、密封圈外端盖A、密封圈内端盖A、唇形密封圈A、密封圈定位环A、密封圈外端盖B、密封圈内端盖B、唇形密封圈B、密封圈定位环B、恒温控制系统、电化学工作站，耐腐蚀箱一侧壁孔内依次安装密封圈外端盖A、唇形密封圈A、密封圈定位环A、密封圈内端盖A，耐腐蚀箱另一侧壁孔内依次安装密封圈外端盖B、唇形密封圈B、密封圈定位环B、密封圈内端盖B，恒温控制系统包括加热元件、冷却水管、温度控制柜，通过温度控制柜控制调节耐腐蚀箱内腐蚀溶液的温度使其保持恒定，若腐蚀溶液温度高于设定温度，冷却水管通入冷却水可迅速降温，电化学工作站用来监测钢丝绳摩擦腐蚀疲劳损伤过程中钢丝绳的电化学腐蚀损耗特性，耐腐蚀箱盖盖在耐腐蚀箱上起保持耐腐蚀箱内腐蚀溶液温度恒定、支撑加热元件和支撑电化学工作站电极的作用；

上述二维力传感器和拉力传感器形成监测系统，拉力传感器监测温度、腐蚀条件下疲劳钢丝绳疲劳载荷的变化，二维力传感器监测温度、腐蚀条件下加载钢丝绳与疲劳钢丝绳之间的动态接触载荷和摩擦力；

根据上述监测装置的超深立井缠绕式提升钢丝绳摩擦腐蚀疲劳损伤监测装置及方法，包括以下步骤：

(a)通过脱脂棉擦拭加载钢丝绳和疲劳钢丝绳接触表面以去除表面油脂，将加载钢丝绳安装于耐腐蚀加载钢丝绳夹具上，将疲劳钢丝绳穿过耐腐蚀箱两侧面的唇型密封圈，将疲劳钢丝绳两端通过鸡心环A的钢丝绳U型锁具A和鸡心环B的钢丝绳U型锁具B锁紧；

(b)通过计算机控制伺服电动缸A水平移动使得疲劳钢丝绳受力达到设定疲劳载荷或变形值；通过计算机控制伺服电动缸B在竖直方向移动，直至加载钢丝绳与疲劳钢丝绳之间的接触载荷值达到设定值；

(c)带上耐腐蚀手套，将腐蚀溶液(煤质粉尘、硫酸镁、硫酸钙、氯化钾、硫酸钠、盐酸等化学物质)注入到耐腐蚀箱中，直至耐腐蚀箱中腐蚀溶液高度刚浸没加载钢丝绳，盖上耐腐蚀箱盖，把加热元件和电化学工作站电极放入腐蚀溶液中，设定温度控制柜温度，控制加热元件工作直至腐蚀溶液温度达到设定温度值，当腐蚀溶液温度高于设定值时，冷却水管通入冷却水使得腐蚀液温度降至设定值，待温度达到设定值时，打开电化学工作站使其开始工作；

(d)通过计算机控制程序设定伺服电动缸A螺纹杆、伺服电动缸B螺纹杆的交变位移幅值，获得疲劳钢丝绳的腐蚀疲劳载荷以及腐蚀条件下加载钢丝绳与疲劳钢丝绳之间的动态交变接触载荷，用拉力传感器记录疲劳钢丝绳腐蚀疲劳载荷的变化，用二维力传感器获得腐蚀条件下加载钢丝绳与疲劳钢丝绳之间的动态接触载荷和摩擦力，用电化学工作站实时记录摩擦腐蚀疲劳过程中钢丝绳的电化学腐蚀特性(阻抗谱，腐蚀电流等)，用温度控制柜实时记录腐蚀溶液的温度；

(e)通过改变温度、腐蚀溶液、伺服电动缸A伸缩位移和频率、伺服电动缸B伸缩位移和频率，可以实现不同温度、酸碱度、和动态接触载荷耦合条件下的钢丝绳摩擦疲劳实验；

(f)实验结束后，冷却水管通入冷却水，待腐蚀溶液温度降到合适温度时，回收腐蚀溶液并检测实验后腐蚀溶液组分变化。

有益效果：

本发明提供的超深立井缠绕式提升钢丝绳摩擦腐蚀疲劳损伤监测装置，能够实现不同温度、不同腐蚀溶液、动态拉伸载荷和动态接触载荷参数下超深立井缠绕式提升机相邻缠绕层钢丝绳摩擦腐蚀疲劳损伤，能够模拟矿井淋水、恒定高低温和煤层中的有害离子引起电化学腐蚀环境，可以同时动态监测钢丝绳摩擦腐蚀疲劳过程中钢丝绳交变的拉力、摩擦力和钢丝绳间接触载荷等参数演化规律，能够探索不同工况下超深立井缠绕式提升相邻缠绕层钢丝绳摩擦腐蚀疲劳损伤行为及其受腐蚀溶液、温度的影响规律，进而预测超深立井缠绕式提升钢丝绳在超深井环境的服役寿命，对超深矿井环境提升运行安全具有重要指导意义。

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为图中1中Ⅰ处局部放大图；

图4为图中1中Ⅱ处局部放大图；

图5为图中1中Ⅲ处局部放大图；

图6为本发明专利加载钢丝绳夹具；

图7为本发明专利龙门架结构；

图中：1、U型件；2、钢丝绳U型锁具A；3、冷却水管；4、加热元件；5、耐腐蚀箱盖；6、二维力传感器；7、电动伺服缸B；8、连接件B；9、龙门支架；10、钢丝绳U型锁具B；11、电化学工作站；12、电化学工作站支撑架；13、伺服缸电动A；14底板；15、伺服缸电动A支架；16、连接件A；17、拉力传感器；18、鸡心环B；19、耐腐蚀箱；20、摩擦衬垫支架；21、摩擦衬垫；22、疲劳钢丝绳；23、鸡心环A；24、U型件支座；25、钢丝绳固定块；26、钢丝绳压紧片；27、加载钢丝绳；28、密封圈外端盖A；29、密封圈内端盖A；30、唇形密封圈A；31、密封圈定位环A；32、密封圈内端盖B；33、密封圈外端盖B；34、密封圈定位环B；35、唇形密封圈B。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

超深立井缠绕式提升钢丝绳摩擦腐蚀疲劳损伤监测装置包括支撑系统、拉-拉疲劳系统、动态加载系统、恒温腐蚀系统、监测系统。

所述支撑系统包括底板14、龙门支架9、电化学工作站支架12、伺服电动缸A支架15、摩擦衬垫支架20，龙门支架9通过螺钉固定在底板14上，电化学工作站支架12通过焊接固定在底板14上，伺服电动缸A支架15通过螺钉紧固在底板14上，摩擦衬垫支架20通过耐腐蚀螺钉固定在耐腐蚀箱19底板上。

所述拉-拉疲劳系统包括U型件支座24、U型件1、鸡心环A23、钢丝绳U型锁具A2、疲劳钢丝绳22、钢丝绳U型锁具B10、鸡心环B18、拉力传感器17、连接件A16、伺服电动缸A13，U型件支座24固定在底板14上，U型件1通过锁紧螺母固定在U型件支座24上，鸡心环A23环心穿过U型件1，疲劳钢丝绳22一端穿过鸡心环A23绳槽且疲劳钢丝绳22接头端通过钢丝绳U型锁具A2锁紧，伺服电动缸A13固定在伺服电动缸A支架15上，伺服电动缸A13的螺纹杆与拉力传感器17一端连接，拉力传感器17另一端穿过鸡心环B18环心，疲劳钢丝绳22另一端穿过鸡心环B18绳槽且疲劳钢丝绳22接头端通过钢丝绳U型锁具B10锁紧；

所述动态加载系统包括伺服电动缸B7、连接件B8、二维力传感器6、耐腐蚀加载钢丝夹具、加载钢丝绳27、摩擦衬垫21，伺服电动缸B7固定在龙门支架9上，伺服电动缸B7的螺纹杆与连接件B8螺纹孔连接，连接件B8法兰端与二维力传感器6一端连接，二维力传感器6另一端与耐腐蚀加载钢丝绳夹具连接，加载钢丝绳27通过耐腐蚀加载钢丝绳夹具固定，耐腐蚀加载钢丝绳夹具包括钢丝绳固定块25和钢丝绳压紧片26，摩擦衬垫21通过耐腐蚀螺钉固定在摩擦衬垫支架20上；

所述恒温腐蚀系统包括耐腐蚀箱19、耐腐蚀箱盖5、密封圈外端盖A28、密封圈内端盖A29、唇形密封圈A30、密封圈定位环A31、密封圈外端盖B33、密封圈内端盖B32、唇形密封圈B35、密封圈定位环B34、恒温控制系统、电化学工作站11，耐腐蚀箱19一侧壁孔内依次安装密封圈外端盖A28、唇形密封圈A30、密封圈定位环A31、密封圈内端盖A29，耐腐蚀箱另一侧壁孔内依次安装密封圈外端盖B33、唇形密封圈B35、密封圈定位环B34、密封圈内端盖B32，恒温控制系统包括加热元件4、冷却水管3、温度控制柜，通过温度控制柜控制调节耐腐蚀箱19内腐蚀溶液的温度使其保持恒定，若腐蚀溶液温度高于设定温度，冷却水管3通入冷却水可迅速降温，电化学工作站11用来监测钢丝绳摩擦腐蚀疲劳损伤过程中钢丝绳的电化学腐蚀损耗特性，耐腐蚀箱盖5盖在耐腐蚀箱19上起保持耐腐蚀箱19内腐蚀溶液温度恒定、支撑加热元件4和支撑电化学工作站11电极的作用；

所述监测系统包括二维力传感器6、拉力传感器17，拉力传感器17监测温度、腐蚀条件下疲劳钢丝绳22疲劳载荷的变化，二维力传感器6监测温度、腐蚀条件下加载钢丝绳27与疲劳钢丝绳22之间的动态接触载荷和摩擦力；

根据上述监测装置的超深立井缠绕式提升钢丝绳摩擦腐蚀疲劳损伤监测装置及方法，包括以下步骤：

(a)通过脱脂棉擦拭加载钢丝绳27和疲劳钢丝绳22接触表面以去除表面油脂，将加载钢丝绳27安装于耐腐蚀加载钢丝绳夹具上，将疲劳钢丝绳22穿过耐腐蚀箱19两侧面的唇型密封圈，将疲劳钢丝绳22两端通过鸡心环A23的钢丝绳U型锁具A2和鸡心环B18的钢丝绳U型锁具B10锁紧；

(b)通过计算机控制伺服电动缸A13水平移动使得疲劳钢丝绳22受力达到设定疲劳载荷或变形值；通过计算机控制伺服电动缸B7在竖直方向移动，直至加载钢丝绳27与疲劳钢丝绳22之间的接触载荷值达到设定值；

(c)带上耐腐蚀手套，将腐蚀溶液(煤质粉尘、硫酸镁、硫酸钙、氯化钾、硫酸钠、盐酸等化学物质)注入到耐腐蚀箱19中，直至耐腐蚀箱19中腐蚀溶液高度刚浸没加载钢丝绳27，盖上耐腐蚀箱盖5，把加热元件4和电化学工作站11电极放入腐蚀溶液中，设定温度控制柜温度，控制加热元件4工作直至腐蚀溶液温度达到设定温度值，当腐蚀溶液温度高于设定值时，冷却水管3通入冷却水使得腐蚀液温度降至设定值，待温度达到设定值时，打开电化学工作站11使其开始工作；

(d)通过计算机控制程序设定伺服电动缸A13螺纹杆、伺服电动缸B7螺纹杆的交变位移幅值，获得疲劳钢丝绳22的腐蚀疲劳载荷以及腐蚀条件下加载钢丝绳27与疲劳钢丝绳22之间的动态交变接触载荷，用拉力传感器17记录疲劳钢丝绳22腐蚀疲劳载荷的变化，用二维力传感器6获得腐蚀条件下加载钢丝绳27与疲劳钢丝绳22之间的动态接触载荷和摩擦力，用电化学工作站11实时记录摩擦腐蚀疲劳过程中钢丝绳的电化学腐蚀特性(阻抗谱，腐蚀电流等)，用温度控制柜实时记录腐蚀溶液的温度；

(e)通过改变温度、腐蚀溶液、伺服电动缸A13伸缩位移和频率、伺服电动缸B7伸缩位移和频率，可以实现不同温度、酸碱度、和动态接触载荷耦合条件下的钢丝绳摩擦疲劳实验；

(f)实验结束后，冷却水管3通入冷却水，待腐蚀溶液温度降到合适温度时，回收腐蚀溶液并检测实验后腐蚀溶液组分变化。

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。