一种悬索桥主缆钢丝弯曲摩擦腐蚀疲劳试验装置及方法

本发明涉及钢丝疲劳试验，特别是涉及一种悬索桥主缆钢丝弯曲摩擦腐蚀疲劳试验装置及方法。

背景技术：

1、我国桥梁建设已进入跨江跨海时代，多塔多跨悬索桥在传统双塔悬索桥的基础上，通过增加中间索塔，实现超长跨径承载力，具有降低主索张力、锚固规模、主跨跨度长度和综合成本的优点。悬索桥(主要包括主缆、索塔、锚碇、吊索和加劲梁)是一种利用主缆和吊索作为加劲梁的悬吊体系，将荷载作用传递到索塔和锚碇的桥梁。主缆是悬索桥的关键承重结构，在索塔位置主缆截面轮廓呈现六边形，每根主缆由多根平行索股组成，每根索股又由多根平行的高强度镀锌钢丝组成。因此，主缆服役状态直接影响悬索桥承载安全可靠性。

2、跨越江海的大跨度多塔悬索桥主缆因风荷载、恒载(桥面系、加劲梁、主缆、吊索等载荷)和汽车活载等作用导致悬索桥索鞍两侧主缆时变动载荷特性。当主缆弯曲绕经索鞍鞍槽时，索鞍两侧主缆时变动载荷导致主缆内部钢丝的弯曲疲劳应力，弯曲钢丝之间、弯曲钢丝与鞍槽间的动态接触载荷和相对滑移，即主缆钢丝弯曲摩擦疲劳。同时，江海大气环境具有湿度大、含盐雾(nacl、mgcl2等)较多易形成酸雨等特点，易形成不同含盐浓度和ph值的电解质腐蚀溶液。电解质腐蚀溶液在主缆架设期间(1年以上)可侵入并滞留于主缆内，在桥梁服役期间因主索鞍处主缆无缠丝防护、索股进出口密封不严和风雨等原因，腐蚀溶液侵入并聚集在主缆空隙处，故跨越江海的大跨度多塔悬索桥主缆将长期处于电解质腐蚀溶液中。因此，主缆钢丝弯曲摩擦疲劳和电解质腐蚀溶液的耦合作用易造成主缆钢丝弯曲摩擦腐蚀疲劳损伤，进而引起不同摩擦配副时钢丝的摩擦磨损、电化学腐蚀、疲劳裂纹萌生和扩展及断裂特性，从而降低主缆的有效截面积和承载能力，进而影响主缆承载安全性。为此，亟需一种悬索桥主缆钢丝弯曲摩擦腐蚀疲劳试验装置及方法，用以揭示弯曲摩擦腐蚀疲劳过程中主缆钢丝的损伤失效机制，对延长主缆钢丝使用寿命、提高主缆承载安全可靠性、保障悬索桥服役安全性具有重要的意义。

3、钢丝摩擦疲劳相关的试验装置包括：中国专利cn111855163a公开了一种钢丝绳往复拉伸摩擦磨损的试验装置及方法，通过卷扬机和滑轮组使得钢丝绳往复运动，运用砝码配重对钢丝绳施加轴向疲劳应力，该装置不能实现弯曲疲劳过程中摩擦力测量和电化学腐蚀作用；中国专利cn107290234b公开了一种测定腐蚀钢丝疲劳寿命的试验系统及方法，该装置通过千斤顶往复运动对钢丝施加轴向疲劳载荷，在试验前先采用腐蚀溶液对实验钢丝进行一段时间预腐蚀作用，该装置无法实现钢丝弯曲疲劳以及弯曲疲劳和电化学腐蚀的耦合同时作用效果；中国专利cn104297046b公开了一种监测钢丝微动摩擦疲劳状态的装置及方法，能够实现拉-拉疲劳、扭转和变交叉角摆动等复合运动模式下钢丝的多轴微动疲劳实验，但无法实现钢丝弯曲疲劳和电化学腐蚀环境施加；中国专利cn101598647b公开了一种钢丝微动疲劳试验机及方法，能实现微动磨损和轴向疲劳应力耦合作用下钢丝微动疲劳试验，但无法实现钢丝弯曲疲劳和电化学腐蚀环境施加。

技术实现思路

1、为解决上述问题，尤其是针对现有技术所存在的不足，本发明提供了一种悬索桥主缆钢丝弯曲摩擦腐蚀疲劳试验装置及方法能够全面解决上述问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

3、一种悬索桥主缆钢丝弯曲摩擦腐蚀疲劳试验装置，由基架、恒定压力加载系统、动态拉力加载监测系统、动态扭矩测量系统构成；

4、所述的基架包括中台面，所述中台面钢板的四角分别连接有支撑立柱，所述支撑立柱偏下部位连接有支撑横架，所述支撑横架的顶部连接有下台面，所述中台面的顶部通过支撑板连接有上台面，所述上台面上连接有导轨安装板；

5、所述的恒定压力加载系统包括双钢丝夹具、与双钢丝夹具连接的压力传感器转接板、与压力传感器转接板连接的平板式压力传感器、与平板式压力传感器连接的加载托盘、与加载托盘连接的滚珠滑块、与导轨安装板连接的导轨，所述导轨安装板前后两侧分别连接有绳轮架一、绳轮架三，所述导轨安装板的顶部连接有绳轮架二；

6、所述的动态拉力加载监测系统包括可动端和固定端，所述可动端包括固定在中台面顶部的大转向轮支架板一、与大转向轮支架板一连接的大转向轮一、固定在下平台顶部的伺服电动缸、与伺服电动缸连接的联轴器、与联轴器连接的s型拉力传感器一、与s型拉力传感器一连接的单丝夹具一；所述固定端包括固定在中台面顶部的大转向轮支架板二、与大转向轮支架板二连接的s型拉力传感器安装板和大转向轮二、与s型拉力传感器安装板连接的s型拉力传感器二、与s型拉力传感器二连接的单丝夹具二；

7、所述的动态扭矩测量系统包括鞍槽板、与鞍槽板连接的鞍槽安装板、与鞍槽安装板后端连接的法兰盘一、与法兰盘一连接的转动轴一、与转动轴一另一端连接着的深沟球轴承一、与深沟球轴承一连接的转动轴支撑板一、与法兰盘一、转动轴一、深沟球轴承一、转动轴支撑板一关于鞍槽安装板前后对称安装的法兰盘二、转动轴二、深沟球轴承二和转动轴支撑板二、与转动轴二另一端连接的法兰盘三、与法兰盘三的法兰盘四、与法兰盘四连接的粗轴一、与粗轴一另一端连接的法兰盘五、与法兰盘五连接的扭矩传感器、与扭矩传感器另一端连接的法兰盘六、与法兰盘六连接的粗轴二、与粗轴二另一端连接的法兰盘七、与法兰盘七连接的固定架，所述转动轴支撑板一、转动轴支撑板二、固定架均与上台面连接。

8、本发明进一步的优选方案：所述导轨安装板包括导轨安装固定板和导轨安装竖板，所述导轨安装竖板与导轨安装固定板垂直连接，所述导轨安装固定板通过加强筋三与导轨安装竖板紧固连接，所述加强筋三为三角板状。

9、本发明进一步的优选方案：所述双钢丝夹具包括可动块、固定块，所述可动块通过紧固螺栓与固定块连接，所述可动块和固定块均开设有与钢丝弯曲弧度和钢丝直径匹配的弧形槽，所述弧形槽半径略小于钢丝半径。

10、本发明进一步的优选方案：所述加载托盘为l型，所述加载托盘顶部四个拐角处分别开设有螺纹孔，所述螺纹孔连接有吊环螺母。

11、本发明进一步的优选方案：所述绳轮架一包括与导轨安装板连接的滑轮安装底板一，所述滑轮安装底板一通过滑轮支撑架一连接有滑轮安装块一，所述滑轮安装块一转动连接有滑轮一；

12、所述绳轮架二包括与导轨安装板连接的滑轮安装底板二，所述滑轮安装底板二通过滑轮支撑架二连接有滑轮安装块二，所述滑轮安装块二转动连接有滑轮二；

13、所述绳轮架三包括与导轨安装板连接的滑轮安装底板三，所述滑轮安装底板三通过滑轮支撑架三连接有滑轮安装块三，所述滑轮安装块三转动连接有滑轮三。

14、本发明进一步的优选方案：所述大转向轮一与大转向轮二在空间上关于鞍槽垂直中心线对称安装且处于同一水平面上；所述大转向轮支架板二、大转向轮支架板一均通过三角形加强筋一与中台面连接。

15、本发明进一步的优选方案：所述单丝夹具一与单丝夹具二的结构相同，所述单丝夹具一包括固定块与固定块连接的可动块，所述固定块底端通过外螺纹与s型拉力传感器进行连接。

16、本发明进一步的优选方案：所述鞍槽板上半部分为弧状板，所述鞍槽板包角与悬索桥索塔索鞍的包角相同。

17、本发明进一步的优选方案：所述转动轴一、转动轴二、粗轴一、粗轴二、深沟球轴承一、深沟球轴承二、法兰盘一、法兰盘二、法兰盘三、法兰盘四、法兰盘五、法兰盘六、法兰盘七的轴心均与鞍槽板上圆弧、包角对应的圆心位置在同一条水平线上。

18、一种悬索桥主缆钢丝弯曲摩擦腐蚀疲劳试验方法，具体方法如下：

19、a.用支撑杆撑在压力传感器转接板底部将恒定压力加载系统撑起，将两段长度稍大于双丝夹具弧段长度的钢丝依次放于双丝夹具的弧槽内，拧紧双丝夹具的紧固螺丝，用尖头钳将双丝夹具两端多余的钢丝向上掰弯；

20、b.接通伺服电动缸、变频器电源，通过伺服控制器连接变频器实现对伺服电动缸的控制，用伺服控制器调整脉冲数，使电动缸伸缩杆向上产生一段位移，停止电动缸的位移动作；

21、c.将疲劳钢丝一端固定在单丝夹具二上，将疲劳钢丝另一端依次穿过大转向轮二、鞍槽板上的鞍槽、大转向轮一，并固定在单丝夹具一上；用伺服控制器调整脉冲数，使伺服电动缸伸缩杆向下产生一段位移，使疲劳钢丝呈张紧状态为止，停止电动缸的位移动作；

22、d.将腐蚀槽安装在鞍槽板上，用防水胶将腐蚀槽与鞍槽板、疲劳钢丝之间的缝隙填充上，待防水胶凝固起到防水作用，向腐蚀槽内添加腐蚀溶液；

23、e.移除支撑在压力传感器转接板底部的支撑杆，移除过程中用手托住恒定压力加载系统，缓慢地将恒定压力加载系统下放，将鞍槽弧段的疲劳钢丝置于上端双丝夹具夹持的两段弯曲平行钢丝中间位置处的正下方；

24、f.接通平板式压力传感器、扭矩传感器、s型拉力传感器一、s型拉力传感器二的电源，将各个传感器与采集卡、上位机软件进行连接并将传感器的初始读数清零；

25、g.考虑恒定压力加载装置的自重，若恒定压力加载装置自重大于所需恒定压力，则用钢丝绳依次连接加载托盘四角的吊环螺母，并将钢丝绳穿过绳轮架一、二、三，在钢丝绳末端悬挂配重抵消恒定压力加载系统自重；若恒定压力加载系统自重小于所需恒定压力，则可在加载托盘上放置适当重量的砝码，通过上述操作，可得到所需的恒定压力；

26、h.改变伺服电机的频率和正反转，实现对电动缸伸缩杆速度、位置和方向的控制，恒定加载压力可由平板式压力传感器测量，疲劳钢丝与鞍槽之间摩擦力产生扭矩可由扭矩传感器测量，疲劳钢丝的可动端和固定端拉力可由s型拉力传感器一、s型拉力传感器二测量；通过两个s型拉力传感器的拉力差，可得到疲劳钢丝与弯曲平行加载钢丝和疲劳钢丝与鞍槽之间的摩擦力总和，后续对s型拉力传感器拉力差值和扭矩传感器的扭矩值进行数据处理，可以得到疲劳钢丝与加载钢丝之间、疲劳钢丝与鞍槽之间的摩擦力；改变恒定加载压力可以研究不同接触载荷下钢丝弯曲摩擦腐蚀疲劳行为，实时记录各传感器力的数据，直至疲劳钢丝产生可观测磨损为止。

27、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

28、本发明采用滚珠滑块导轨导向、加载托盘放置砝码和绳架轮上悬挂定载的加载方式，能够施加恒定的钢丝间接触载荷，重力作用下加载钢丝与疲劳钢丝之间始终保持接触，避免实验过程中钢丝微动区磨损造成的接触载荷骤降；能够模拟索鞍处主缆内部高强度镀锌钢丝的弯曲接触状态和腐蚀环境，实现弯曲疲劳、摩擦磨损、腐蚀环境复杂耦合工况，能够动态检测弯曲摩擦腐蚀疲劳过程中钢丝与鞍槽配副直接的摩擦力及疲劳载荷，能定量评估弯曲钢丝摩擦磨损演化、疲劳断裂特性以及弯曲摩擦腐蚀疲劳寿命；该装置操作简便、功能齐全，对研究索鞍处主缆钢丝弯曲腐蚀疲劳行为具有较强的实用性。