一种高模量聚乙烯绳索恒定载荷蠕变测试装置的制作方法

1.本发明属于高分子纤维绳索性能检测领域，具体涉及一种高模量聚乙烯绳索的恒定载荷蠕变测试装置。


背景技术：

2.高模量聚乙烯纤维是继碳纤维和芳纶之后出现的第三代高性能纤维，用其制造的绳索的断裂强度是最高的，为钢丝绳的8倍；在断裂强力相同时其直径最细，为聚丙烯绳的50％；在相同直径时其断裂强力最大，为聚丙烯绳的3.8倍；疲劳强度极高，在加速疲劳后测试的强力保持率＞100％。
3.高模量聚乙烯绳索的高性能决定了其在海洋平台锚缆定位系统中系泊缆的应用日益拓展，高模量聚乙烯系泊缆发展为海洋油气资源开发的关键配套的高端装备之一。
4.蠕变是指在某温度和恒定应力下所发生的随时间缓慢而连续增大的塑性变形现象。
5.高模量聚乙烯纤维由于分子链长、分子间作用力小，在恒定载荷长期作用下会产生分子链滑移现象，即不可逆转的变形—蠕变，这种现象强烈取决于负载、时间和温度。高模量聚乙烯系泊缆在恒定载荷下长期工作，其蠕变性能关系到海洋平台的安全。因此，高模量聚乙烯绳索用作于海洋平台的系泊缆时，必须建立一个对应的蠕变性能文档模型。
6.目前，现有的蠕变持久试验机是依据gb/t2039《金属材料单轴拉伸蠕变试验方法》、jjg276《高温蠕变、持久强度试验机》等标准的相关规定，主要用于金属材料在高温环境下进行蠕变伸长、蠕变断裂时间的测定。由于现有的蠕变持久试验机的试样环境温度为高温且其试样长度值小，而gb/t 8834《绳索有关物理和机械性能的测定》标准要求的试样环境温度为环境大气或标准大气的常温、试样有效长度最少为1800mm，因此不适用于高模量聚乙烯绳索蠕变性能的测定。
7.授权公告号为cn 100468039c，授权公告日为2009年3月11日的中国发明专利，公开了一种自动采集拉伸蠕变测试装置和方法，该发明适用于金属材料在不同温度和拉伸载荷下高温蠕变性能的测定。包括用于对蠕变试样进行固定及加载载荷的加载系统；对蠕变试样周围环境温度进行加热及控制的环境加热及温度控制系统；及用于采集蠕变试样的蠕变信号数据及对蛁变信号数据进行处理的数据自动采集系统。明显地，该方法是将位移控制器固定于蠕变试样的下方空间，以对蠕变试样下端面的蠕变位移进行测量，采集高温下产生的蠕变位移信号。而在gb/t 8834《绳索有关物理和机械性能的测定》标准要求的试样环境温度为常温，绳索测试伸长率需加载千牛级别的载荷，试样的轴向不存在可以测量蠕变位移的端面，因此该技术方案不适用于高模量聚乙烯绳索蠕变性能的测定。
8.授权公告号为cn 103234841 b，授权公告日为2016年2月10日的中国发明专利，公开了一种测试超高分子量聚乙烯纤维拉伸蠕变性能的方法，其采用纤维拉伸试验机在常温下以蠕变载荷、拉伸速度、蠕变时间、纤维测试长度为自变量，进行纤维蠕变伸长率的测定。在该技术方案中，将纤维试样的二端分别夹入上、下夹持器中，在设定拉伸速度下逐渐施加
载荷，从初负荷至蠕变载荷后维持一定的蠕变时间，记录的试样伸长率即为蠕变伸长率。该方法的蠕变时间最大为100min，这不符合高模量聚乙烯绳索蠕变性能的测试需要以小时为单位的蠕变时间。该技术方案在蠕变时间内试验机停止拉伸后虽然伸长率不变，但是纤维所受的拉应力随着时间的延续而递减。因此其测定的是纤维的拉伸蠕变伸长率，不是纤维的恒定载荷蠕变伸长率。
9.目前，现有的符合gb/t 8834《绳索有关物理和机械性能的测定》标准要求的绳索强力试验机，能够对绳索进行断裂强力、线密度，伸长率(载荷达到75﹪断裂强力时的伸长率)的测定，拉伸速度需使载荷旳加载速率为每分钟10﹪断裂强力。但是该类试验机存在以下旳缺陷：因拉伸速度较大而无法对绳索施加恒定载荷，在停止拉伸后绳索所受的拉应力随着时间的延续而递减；显示的位移包含绳索试样从插接眼环内滑行出部分长度而造成伸长率测试旳偏差。因此，现有的绳索拉伸试验机不符合测试高模量聚乙烯绳索恒定载荷蠕变性能的要求。
10.如何才能正确地测量高模量聚乙烯绳索的恒定载荷蠕变参数和相关性能，是实际测量工作中急待解决的关键技术问题。


技术实现要素：

11.本发明所要解决的技术问题是提供一种试样测试长度恒长、载荷恒定的高模量聚乙烯绳索蠕变性能测试装置。其采用双速机械驱动机构，提供两种载荷加载速率；在载荷恒定、试样测试长度恒长的测试条件下，进行高模量聚乙烯绳索蠕变性能的测定，可由计算机输出实时或测试终止的蠕变伸长率、蠕变速率及其蠕变曲线，有助于建立断裂强力不同的、各种线密度的高模量聚乙烯绳索的蠕变性能模型。
12.本发明的技术方案是：提供一种高模量聚乙烯绳索恒定载荷蠕变测试装置，其特征是：
13.由用于对蠕变试样施加恒定载荷的加载系统和用于对蠕变试样两端位移进行测量的蠕变测定系统组成；
14.所述的用于对蠕变试样施加恒定载荷的加载系统，由具有常速和低速两种拉伸速度的双速机械驱动机构、对蠕变试样施加载荷的加载机构、载荷控制系统和安装承载各机构的卧式机架组成，用以实现施加于蠕变试样的载荷为恒定，实现在恒定载荷条件下进行待测绳索蠕变性能的测试功能；
15.其中，双速机械驱动机构由调速电机、多级速比的齿轮减速箱、大传动齿轮、小传动齿轮、驱动螺母构成，以常速和低速两种拉伸速度驱动螺杆作往复运动，使得对于蠕变试样施加的载荷具有常速和低速两种加载速率；
16.对蠕变试样施加载荷的加载机构由螺杆、固定蠕变试样眼环的销柱、张力传感器及其连接件构成，用以固定和拉伸蠕变试样、对蠕变试样施加载荷和测量载荷值；
17.载荷控制系统由载荷偏差处理器、电机驱动控制器构成，用以控制电机的运转或停止
→
螺杆的低速或停止运动
→
加载的低速或停止，使得施加于蠕变试样的载荷在设定值的允许偏差范围内波动，蠕变试样能够在恒定载荷下进行绳索蠕变性能测试；
18.所述的蠕变测定系统，由图像采集和处理系统、嵌入式控制系统、触摸显示屏组成，用以测定蠕变试样的蠕变伸长率、蠕变速率；
19.其中，图像采集和处理系统有两套，各由安装在一个滑台上的摄像头、图像处理模块以及视频信号采集卡构成，2个摄像头分别跟踪绳索蠕变试样中部两端的2个标记而驱动滑台位移、可以测量试样两端的位移值，将其值输出至嵌入式控制系统；
20.嵌入式控制系统由电源、电机驱动系统、位移测量系统构成，可以控制滑台驱动电机带动滑台左右移动，将测量的蠕变试样两端位移经计算得到的伸长率输出至触摸显示屏；
21.所述的蠕变测定系统与计算机相连，用以实时或事后输出蠕变试样的蠕变伸长率、蠕变速率及其蠕变曲线。
22.具体的，在所述绳索蠕变试样中部两端，分别对应设置一个标记，每一套图像采集和处理系统中的摄像头分别对应跟踪设置在绳索蠕变试样中部一端或另一端的标记，进而驱动摄像头所在滑台进行相应的位移。
23.进一步的，所述图像采集和处理系统的2个摄像头所分别跟踪绳索蠕变试样中部的2个标记之间的初始间距，定为试样测试长度。
24.优选地，所述机械驱动机构中的电机采用直流调速电机。
25.具体的，所述的常速拉伸速度，包括通过所述电机的调速和齿轮减速箱速比的选定，以100～200mm/min的“常速”拉伸速度，驱动螺杆作往复运动，对于蠕变试样施加每分钟增加10﹪断裂强力的“常速”加载速率；所述的低速拉伸速度，包括通过所述电机的调速和齿轮减速箱速比的选定，以10mm/min的“低速”拉伸速度，驱动螺杆作往复运动，对于蠕变试样施加每分钟增加0.1～1﹪断裂强力的“低速”加载速率。
26.进一步的，在蠕变试样的载荷未达到设定值或螺杆归零复位时，对于蠕变试样采用“常速”加载速率；在蠕变试样的载荷达到设定值时，对于蠕变试样采用“低速”加载速率。
27.具体的，所述载荷设定值的允许偏差范围，为设定值的0.1～1﹪。
28.本发明技术方案所述的高模量聚乙烯绳索恒定载荷蠕变测试装置，采用双速机械驱动机构，提供两种载荷加载速率，在载荷恒定、试样测试长度恒长的测试条件下，进行高模量聚乙烯绳索蠕变性能的测定，可由计算机输出实时或测试终止的蠕变伸长率、蠕变速率及其蠕变曲线，有助于建立断裂强力不同的、各种线密度的高模量聚乙烯绳索的蠕变性能模型。
29.与现有技术比较，本发明的优点是：
30.本发明的技术方案，克服了现有技术存在因拉伸速度较大而无法对绳索施加恒定载荷、显示的位移包含绳索试样从插接眼环内滑行出部分长度而造成伸长率测试偏差的缺陷；其在载荷恒定、试样测试长度恒长的测试条件下，进行高模量聚乙烯绳索蠕变性能的测定，可由计算机输出实时或测试终止的蠕变伸长率、蠕变速率及其蠕变曲线，可以建立断裂强力不同的、各种线密度的高模量聚乙烯绳索的蠕变性能模型。
附图说明
31.图1是本发明高模量聚乙烯绳索恒定载荷蠕变测试装置的结构示意图；
32.图2是本发明蠕变测定系统的模块构成示意图。
33.图中1为控制电机，2为齿轮减速箱，3为小传动齿轮、4为大传动齿轮，5为驱动螺母，6为卧式机架，7为螺杆，8为张力传感器，9为连接件，10为销柱，11为蠕变试样，12为高精
度滑台，13为高清工业摄像头，14为蠕变试样标记。
具体实施方式
34.下面结合附图对本发明做进一步说明。
35.本发明技术方案中的高模量聚乙烯绳索恒定载荷蠕变测试装置，主要由恒定载荷的加载系统和对待测绳索蠕变试样(简称蠕变试样或试样)两端位移进行测量的蠕变测定系统构成，图1为该高模量聚乙烯绳索恒定载荷蠕变测试装置的结构示意图。
36.其中，所述加载系统由具有常速和低速两种拉伸速度的机械驱动机构、对蠕变试样施加载荷的加载机构、载荷控制系统和安装各机构的卧式机架6构成。
37.所述的机械驱动机构由电机1(优选直流调速电机)、多级速比的齿轮减速箱2、小传动齿轮3、大传动齿轮4、驱动螺母5构成，通过电机1的调速和齿轮减速箱2速比的选定，能够以100～200mm/min的“常速”和10mm/min的“低速”两种拉伸速度，驱动螺杆7往复运动，对于蠕变试样11施加每分钟增加10﹪断裂强力的常速加载速率和每分钟增加0.1～1﹪断裂强力的低速加载速率。
38.在蠕变试样11的载荷未达到设定值或螺杆7复位时采用常速加载速率；在载荷达到设定值时采用低速加载速率，使得载荷能够恒定。
39.所述的加载机构由螺杆7、固定蠕变试样11眼环的销柱10、张力传感器8及其连接件9构成，用以固定和拉伸蠕变试样、对蠕变试样施加载荷，将张力传感器8测量到的载荷值输出至载荷控制系统的载荷偏差处理器。
40.所述的载荷控制系统由载荷偏差处理器、电机驱动控制器构成，用以控制电机1的运转或停止
→
螺杆7的低速或停止运动
→
载荷的低速或停止加载。
41.当载荷偏差处理器发现载荷达到设定值或低于设定值0.1～1％(亦可理解为载荷为设定值的99.9﹪至99﹪)时，发出信号至电机驱动控制器使电机1停止或启动运转。这样使得施加于蠕变试样11的载荷在设定值的很小偏差范围(不大于设定值的1％)内波动，蠕变试样11可以在恒定载荷下进行绳索蠕变性能测试。
42.所述的蠕变测定系统由图像采集和处理系统、嵌入式控制系统、触摸显示屏构成，图2为蠕变测定系统的模块构成示意图。
43.结合图1和图2中所示可知，所述图像采集和处理系统有2套，各由安装在一个高精度滑台12上的高清工业摄像头13、高速图像处理模块、视频信号采集卡构成，2个高清工业摄像头13分别跟踪待测绳索蠕变试样标记14而驱动摄像头所在滑台的位移，通过自动测量两个高精度滑台之间对应点之间的距离，或者是两个高精度滑台之间的相对距离，即可测量出试样两端蠕变试样标记的位移值，将其测量值输出至嵌入式控制系统。
44.所述的高精度滑台至少包含一根滑轨，在滑轨上可移动地设置有两个高精度滑块，构成一套一维的可控式双向移动模块。
45.由于在一根滑轨上设置至少一个高精度滑块，所述的高精度滑块在位置检测装置(例如光栅式位置检测/监测器)的监控下，采用步进电机与单片机(或plc控制器)相结合，实现高精度滑块的可控制式双向移动，属于现有技术，也有各类市售产品可供选择，故关于高精度滑台、高清工业摄像头、高速图像处理模块以及视频信号采集卡的具体结构和相互之间的连接关系，在此不再叙述。
46.所述图像采集和处理系统的2个摄像头13分别跟踪2个蠕变试样标记14的初始间距为试样测试长度，将其值输出至嵌入式控制系统。
47.所述嵌入式控制系统由电源、电机驱动系统、位移测量系统构成，可以控制电机使滑台左右移动(其精度为
±
0.02mm)，将测量的蠕变试样两端位移经计算得到的伸长率输出至高清触摸显示屏。
48.所述蠕变测定系统与计算机相连，用以实时或事后输出蠕变伸长率、蠕变速率及其蠕变曲线。
49.本发明的技术方案，通过双速机械驱动机构提供两种载荷加载速率(常速或低速)，实现在恒定载荷条件下进行绳索蠕变性能的测试功能；通过加载机构固定和拉伸蠕变试样、对蠕变试样施加载荷，将张力传感器测量到的载荷值输出至载荷控制系统；采用图像采集和处理系统跟踪待测绳索蠕变试样两端的蠕变试样标记，来测量试样两端的位移值；其在载荷恒定、试样测试长度恒长的测试条件下，进行高模量聚乙烯绳索蠕变性能的测定，可由计算机输出实时或测试终止的蠕变伸长率、蠕变速率及其蠕变曲线，可以建立断裂强力不同的、各种线密度的高模量聚乙烯绳索的蠕变性能模型。
50.本发明可广泛用于高模量聚乙烯绳索的蠕变性能测试领域。