立井提升主轴装置的承载性能检测装置及方法与流程

本发明涉及一种承载性能检测装置及方法，尤其是一种适用于立井提升机的主轴装置的承载性能校核装置及方法

背景技术：

立井提升机作为主要的矿井提升装备，担负着提升煤炭矸石、下放材料、升降人员和设备的重要任务，是煤矿井下与地面的连接枢纽。主轴装置主要由卷筒、主轴和轴承座构成，作为提升机承受载荷和传递动力的重要构件，用于承受卷筒两侧的钢丝绳张力和传递电动机转矩。在提升容器升降过程中，主轴装置在围包角范围内不断受到强烈周期交变压力的作用。作为一次性投入的大型基础设备，主轴装置需要承受提升机正常和极端工况下的载荷变化，保证在服役期内不会发生变形、裂缝等严重事故，因而对其承载性能要求极为苛刻。同时，一旦发生变形、裂缝等承载性能下降工况，返修将会造成煤矿长时间中断提升运输，造成严重的经济损失。因此，在主轴装置服役前，需要对主轴装置进行严格的承载性能检测。

目前，提升机主轴装置生产厂商众多，采用的制造工艺和生产标准不尽相同，而主轴装置的承载性能检测缺乏一个统一的装置和标准。由于煤矿的地质条件多样，对提升载荷、提升速度也产生了不同需求，由此产生了不同卷筒直径、不同围包角的立井摩擦提升机，导致对主轴装置的承载性能检测难以采用统一的装置，而针对不同规格的摩擦提升机分别搭建检测装置，将产生较高的建造和运营成本。当前，主轴装置的出厂检测，主要进行空转测试，不对主轴装置施加负载。评判主轴装置的承载性能，主要基于卷筒厚度、辐板厚度、支环数量、支环位置、人形孔数量、人形孔大小等因素依靠经验判断，不能够真实有效地反映主轴卷筒的承载性能。

目前，对主轴装置的检测研究主要集中在对现役矿井进行检测，专利号为zl201410028896.4公开的基于转角测量的提升机主轴扭矩监测装置可以实现转轴静止等不同转速下的扭矩测量，专利号为zl201410028404.1公开的轴向差动式矿井提升机主轴扭矩检测装置可以实现对主轴扭矩的实时检测，专利号为zl201410130423.5公开的基于psd激光三角法的提升机主轴振动检测方法监测主轴在水平方向和垂直方向的振动位移。也有学者搭建试验台对主轴装置的受力和振动特性进行理论研究，如专利号为zl201610091250.x公开的千米深井提升机主轴弯扭复合疲劳损伤监测装置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。上述专利主要存在以下问题：第一，主要对现役主轴装置进行状态监测，而缺乏对主轴装置在安装前的承载性能测试，而后者是主轴装置不发生结构性故障的根本保障；第二，主要针对单一型号的主轴装置进行检测，不能够有效适应不同卷筒直径和围包角的主轴装置；第三，在安装前缺乏对主轴装置进行加载检测，无法有效评估主轴装置承载性能；第四，对在役矿井进行检测，不能够有效利用主轴装置在无负载和重载下的特征参数变化，而这是诊断主轴装置异常变形、裂纹等缺陷的重要特征，同时也不能模拟卡罐、二次装载等恶性工况，而后者是评判主轴装置承载性能能否承受极端工况的重要参考。因而，有必要研究一种主轴装置承载性能检测装置，可以对不同卷筒直径和围包角的主轴装置承载性能进行检测，模拟空载、重载等正常工况，以及卡罐、二次装载等极端工况，诊断主轴装置中是否有变形和裂纹，同时评估主轴装置能够承受正常和极端工况，从而准确检测主轴装置的承载性能，对于确保立井提升安全性具有重要意义。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种结构简单、检测准确、可靠性高、方便快捷、性能可靠的立井提升主轴装置承载性能检测装置及方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种立井提升主轴装置的承载性能检测装置，包括竖直基板、液压加载装置、加载定位平台和水平基座；所述的水平基座为中间带有矩形凹槽的支撑平台，支撑平台上设置被测主轴装置，被测主轴装置由卷筒、主轴和轴承座同轴安装构成，水平基座沿水平纵向布置，所述的竖直基板上开有圆弧形豁口，圆弧形豁口沿水平横向骑跨在水平基座的中轴线上，所述加载定位平台沿圆弧形豁口布置在竖直基板上，竖直基板的圆弧形豁口、被测主轴装置和加载定位平台的轴线共线，所述加载定位平台上设有若干排按圆周排列的加载定位孔，所述液压加载装置的数量为n个，经加载定位孔通过液压缸支座沿圆周方向布置在加载定位平台和竖直基板上。

所述的液压加载装置包括液压缸缸套，液压缸支座，液压缸活塞杆，绳距定位板，绳距定位孔，定位销轴，定位夹具，加载滚轮和加载衬垫；所述液压缸支座设置在液压缸缸套两端，所述液压缸活塞杆的前端设置有绳距定位板，所述绳距定位板设有多排绳距定位孔，多排绳距定位孔内间隔设有多个定位夹具，多个定位夹具通过定位销轴等间距布置在绳距定位板上，定位夹具的一端为夹板，夹在绳距定位板上，定位夹具的另一端为滚轮夹板，设有加载滚轮，加载滚轮的轮缘上设有圆环形加载衬垫。

所述的液压加载装置的数量n个取决于不同直径和围包角被测主轴装置的检测精度。

所述的加载定位孔沿圆周方向的孔密度满足若干个液压加载装置围成的圆弧适应不同直径和围包角被测主轴装置的检测需求。

所述的液压缸活塞杆的长度l＞(dmax-dmin)/2，其中dmax为最大型号卷筒的直径，dmin为最小型号卷筒的直径。

所述的绳距定位板沿垂直方向分200mm、250mm、300mm和350mm四种间距设置有四列绳距定位孔，并沿水平方向设置同样间距的另一组绳距定位孔，用于设置定位夹具。

所述的定位夹具的数量为四个或六个，取决于被测主轴装置的规格。

使用上述立井提升主轴装置的承载性能检测装置的检测方法，包括如下步骤：

(a)将加载衬垫安装到加载滚轮的轮缘内，加载滚轮安装到定位夹具的滚轮夹板之间，依据被测主轴装置的钢丝绳根数和钢丝绳间距，组装与钢丝绳根数相同数量的定位夹具，选择相同间距的绳距定位孔，通过定位销轴将定位夹具固定在绳距定位板上，绳距定位板固定在液压缸活塞杆前端，依据被测主轴装置的卷筒直径d和围包角α，考虑模拟围包角α范围内的加载精度，组成n个液压加载装置；

(b)沿水平纵向安装水平基座，沿水平横向骑跨在水平基座的中线安装竖直基板，将加载定位平台安装在竖直基板的圆弧形豁口上，并使竖直基板的圆弧形豁口和加载定位平台的轴线共线，依据围包角α范围内的加载精度，选择合适位置的加载定位孔，将n个液压加载装置经加载定位孔通过液压缸支座沿圆周方向安装在加载定位平台和竖直基板上；

(c)在水平基座的支撑平台上安装由轴承座、卷筒和主轴同轴安装构成的被测主轴装置，使被测主轴装置和加载定位平台的轴线共线，并沿被测主轴装置的轴线安装电动机，使电动机能够拖动被测主轴装置旋转；

(d)依据摩擦提升机直径尺寸d和围包角α，模拟实际卷筒两侧的负载fl1和fl2，得出钢丝绳在围包角α范围内的径向压力fx分布：

式中：b为实际提升机摩擦衬垫的宽度，μ为实际摩擦衬垫的摩擦系数，为fl1,fl2作用下围包弧内的蠕动弧角度；

从而得出卷筒在n个液压加载装置的加载滚轮处的模拟径向压力f1,f2,f3,…,fn，进而据此调整各液压加载装置的出油口油压，从而模拟主轴装置在各种负载fl1和fl2下卷筒的受力状态。

当检测被测主轴装置是否有裂纹时，将声发射传感器安装在卷筒的筒壳、支环、加强筋、辐板以及主轴的铆接处易于产生裂纹的位置，模拟被测主轴装置在空载和重载下卷筒的受力状态，调整各液压加载装置的出油口油压，启动液压加载装置，利用液压加载装置对卷筒在围包角α范围内进行局部和整体的加载，对比分析加载前后检测点的弹性应力波是否剧变，判断被测主轴装置相应位置是否存在裂纹，并可以利用多次局部加载的方法，分析获得裂纹存在的具体位置；

当检测被测主轴装置强度是否满足要求时，将声发射传感器安装在卷筒的筒壳、辐板以及主轴两端等易于产生弹性变形的位置，模拟被测主轴装置在卡罐、二次装载的极端工况下卷筒的受力状态，调整各液压加载装置的出油口油压，启动液压加载装置，利用液压加载装置对卷筒进行加载，对比分析加载前后检测点的弹性应力波变化是否超出允许阈值，判断被测主轴装置相应位置弹性变形是否超标，从而判断被测主轴装置的强度是否合格；

当需要检测被测主轴装置在加载下能否正常运转时，将振动传感器分垂直和水平方向安装在卷筒两端的轴承座的上表面和侧面，模拟被测主轴装载在提升容器空载、重载下卷筒的受力状态，调整各液压加载装置的出油口油压，启动液压加载装置，利用液压加载装置对卷筒进行加载，启动电动机，电动机拖动被测主轴装置旋转，分析振动加速度在1×、2×等倍频上的幅值以及垂直和水平两方向的相位变化规律，判断被测主轴装置是否存在主轴弯曲、主轴失衡和组件松动缺陷。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明在主轴装置矿区安装前进行测试，基于多点液压缸加载的方式模拟被测主轴装置沿卷筒周向所受正压力，采用圆周分布的液压缸活塞杆伸缩的方式适应不同卷筒半径和围包角的主轴装置，采用等间距布置多列绳距定位孔可以适应不同的钢丝绳根数和钢丝绳间距，能够对被测主轴装置在围包角范围内进行局部和整体的加载，模拟无负载、空载、重载、卡罐、二次装载等正常和极端工况，并对被测主轴装置进行裂纹检测和强度校核，同时能够诊断主轴弯曲、主轴失衡、组件松动等缺陷，能在服役前对不同卷筒直径、不同围包角、不同钢丝绳根数、不同钢丝绳间距的主轴装置进行统一的承载性能检测，对于保障主轴装置安全性具有重要意义。其结构简单，操作方便，性能可靠，效果好，经济效益显著，具有广泛的实用性。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图2是本发明的液压加载装置示意图；

图3是本发明装置的主轴装置承载性能检测示意图。

图中：1—竖直基板，2—液压加载装置，2-a—液压缸缸套，2-b—液压缸支座，2-c—液压缸活塞杆，2-d—绳距定位板，2-e—绳距定位孔，2-f—定位销轴，2-g—定位夹具，2-h—加载滚轮，2-i—加载衬垫，3—加载定位平台，3-a—加载定位孔，4—卷筒，5—主轴，6—轴承座，7—电动机，8—水平基座。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：

如图1所示，本发明的一种立井提升主轴装置承载性能检测装置，主要由竖直基板1、液压加载装置2、加载定位平台3、水平基座8构成，所述的水平基座8为中间带有矩形凹槽的支撑平台，能支撑安装轴承座6，支撑平台上设置被测主轴装置，被测主轴装置由卷筒4、主轴5和轴承座6同轴安装构成，水平基座8沿水平纵向布置，所述的竖直基板1设有圆弧形豁口，沿水平横向骑跨在水平基座8的中线上，所述加载定位平台3沿圆弧形豁口布置在竖直基板1上，主轴装置由卷筒4、主轴5和轴承座6同轴安装构成，所述竖直基板1的圆弧形豁口、被测主轴装置和加载定位平台3的轴线共线，所述加载定位平台3上设有若干排按圆周排列的加载定位孔3-a，所述液压加载装置2的数量为n个，经加载定位孔3-a通过液压缸支座2-b沿圆周方向布置在加载定位平台3和竖直基板1上。

如图2所示，所述的液压加载装置2由液压缸缸套2-a，液压缸支座2-b，液压缸活塞杆2-c、绳距定位板2-d、绳距定位孔2-e、定位销轴2-f、定位夹具2-g、加载滚轮2-h和加载衬垫2-i构成，其中，液压缸缸套2-a和液压缸活塞杆2-c构成液压缸，所述液压缸支座2-b设置在液压缸缸套2-a两端，所述液压缸活塞杆2-c的前端设置有绳距定位板2-d，所述绳距定位板2-d设有多排绳距定位孔2-e，多排绳距定位孔2-e内间隔设有多个定位夹具2-g，多个定位夹具2-g通过定位销轴2-f等间距布置在绳距定位板2-d上，所述定位夹具2-g的一端为夹板，夹在绳距定位板2-d上，定位夹具2-g的另一端为滚轮夹板，设有加载滚轮2-h，加载滚轮2-h的轮缘上设有圆环形加载衬垫2-i。

所述的液压缸活塞杆2-c的长度l＞(dmax-dmin)/2，其中dmax为最大型号卷筒4的直径，dmin为最小型号卷筒4的直径；所述的液压加载装置2的数量取决于不同直径和围包角主轴装置的检测精度；所述的加载定位孔3-a沿圆周方向的孔密度满足多个液压加载装置2围成的圆弧适应不同直径和围包角主轴装置的检测需求；所述的绳距定位板2-d沿垂直方向分200mm、250mm、300mm和350mm四种间距设置，有四列绳距定位孔2-e，并沿水平方向设置同样间距的另一组绳距定位孔2-e，用于设置定位夹具2-g；根据实际需要，所述的定位夹具2-g的数量为四个或六个，取决于被测主轴装置的规格。

本发明的立井提升主轴装置的承载性能检测方法，具体步骤如下：

(a)将加载衬垫2-i安装到加载滚轮2-h的轮缘内，加载滚轮2-h安装到定位夹具2-g的滚轮夹板之间，依据被测主轴装置的钢丝绳根数和钢丝绳间距，组装与钢丝绳根数相同数量的定位夹具2-g，选择相同间距的绳距定位孔2-e，通过定位销轴2-f将定位夹具2-g固定在绳距定位板2-d上，绳距定位板2-d固定在液压缸活塞杆2-c前端，依据被测主轴装置的卷筒直径d和围包角α，考虑模拟围包角α范围内的加载精度，组成n个液压加载装置2；n个液压加载装置2的确定根据被测主轴装置的需要，附图1的实例中n为11个，其中10个设置在半圆弧段，一个设置在围包角下出绳点的位置。

(b)沿水平纵向安装水平基座8，沿水平横向骑跨在水平基座8的中线安装竖直基板1，将加载定位平台3安装在竖直基板1的圆弧形豁口上，并使竖直基板1的圆弧形豁口和加载定位平台3的轴线共线，依据围包角α范围内的加载精度，选择合适位置的加载定位孔3-a，将n个液压加载装置2经加载定位孔3-a通过液压缸支座2-b沿圆周方向安装在加载定位平台3和竖直基板1上；

(c)在水平基座8的支撑平台上安装被测的主轴装置，即为轴承座6、卷筒4和主轴5同轴安装，使主轴装置和加载定位平台3的轴线共线，并沿主轴装置的轴线安装电动机7，使电动机7能够拖动主轴装置旋转；

(d)依据摩擦提升机直径尺寸d和围包角α，模拟实际卷筒两侧的负载fl1和fl2，得出钢丝绳(3)在围包角α范围内的径向压力分布

式中：b为实际提升机摩擦衬垫的宽度，μ为实际摩擦衬垫的摩擦系数，为fl1,fl2作用下围包弧内的蠕动弧角度，从而得出卷筒4在n个液压加载装置2的加载滚轮(2-h)处的模拟径向压力f1,f2,f3,…,fn，进而据此调整各液压加载装置2的出油口油压，从而模拟主轴装置在各种负载fl1和fl2下卷筒的受力状态；

当检测主轴装置是否有裂纹时，将声发射传感器安装在卷筒4的筒壳、支环、加强筋、辐板以及主轴5的铆接处等易于产生裂纹的位置，模拟被测主轴装置在空载和重载下卷筒4的受力状态，调整各液压加载装置2的出油口油压，启动液压加载装置2，利用液压加载装置2对卷筒4在围包角α范围内进行局部和整体的加载，对比分析加载前后检测点的弹性应力波是否剧变，判断主轴装置相应位置是否存在裂纹，并利用多次局部加载的方法，分析获得裂纹存在的具体位置；

当检测主轴装置强度是否满足要求时，将声发射传感器安装在卷筒4的筒壳、辐板以及主轴5两端等易于产生弹性变形的位置，模拟主轴装置在卡罐、二次装载等极端工况下卷筒4的受力状态，调整各液压加载装置2的出油口油压，启动液压加载装置2，利用液压加载装置2对卷筒4进行加载，对比分析加载前后检测点的弹性应力波变化是否超出允许阈值，判断主轴装置相应位置弹性变形是否超标，从而判断主轴装置的强度是否合格；

当需要检测主轴装置在加载下能否正常运转时，将振动传感器分垂直和水平方向安装在卷筒4两端的轴承座6的上表面和侧面，模拟主轴装载在提升容器空载、重载下卷筒4的受力状态，调整各液压加载装置2的出油口油压，启动液压加载装置2，利用液压加载装置2对卷筒4进行加载，启动电动机7，电动机7拖动主轴装置旋转，分析振动加速度在1×、2×等倍频上的幅值以及垂直和水平两方向的相位变化规律，判断主轴装置是否存在主轴弯曲、主轴失衡、组件松动等缺陷。