钢丝绳摩擦学性能测试实验平台研制与教学应用

为满足“工程摩擦学”实验课程高阶性、创新性和挑战性的需求,该文研制了钢丝绳摩擦学性能测试实验教学平台,该平台可实现摩擦学性能测试、微动状态分析,并支持开展多种接触参数和环境工况下微动疲劳特性分析。实验平台的研制过程为:首先,设计了多丝螺旋捻制结构、绳芯钢丝微动结构、横向加载结构和外层钢丝气动加载结构;然后,完成了传感器布置方案设计和电路硬件选型;最后,基于LabVIEW设计的采集程序和基于触控屏的控制系统组成了测控软件。该实验平台可开展多工况下钢丝绳摩擦学性能测试实验教学,有助于提升学生工程实践创新能力。

矿用钢丝绳捻向攀爬轮式巡检机器人设计

针对矿用钢丝绳无人巡检需求,设计研制了一种沿钢丝绳捻向攀爬的巡检机器人。该机器人所需的驱动力约为传统沿轴向攀爬机器人的0.915倍,携带负载3 kg时,其越障高度比轴向攀爬机器人的越障高度大0.6 mm,障碍物高度为3 mm时,它携带的最大负载比轴向攀爬机器人大0.4 kg。模拟深井环境开展了钢丝绳振动工况下的巡检机器人攀爬实验。研究结果表明:在钢丝绳静止状态下,攀爬机器人展现出稳定的攀爬性能,最大攀爬速度达到8.25 m/min,可连续攀爬500 m;在低频大幅振动工况下,机器人攀爬速度高于静止时的速度;在高频小幅振动工况下,钢丝绳振动会导致攀爬速度小幅度波动。

卫星运输T型钢丝绳隔振器刚度及阻尼研究

钢丝绳隔振器可以缓解卫星运输过程中振动产生的危害,但其缺少试验基础研究,无法提供仿真输入,难以准确实现卫星损伤仿真。针对此问题,对T型钢丝绳隔振器刚度及阻尼特性进行了理论分析和试验研究。首先,对钢丝绳隔振器系统的力学特性进行了理论分析,建立了理想的迟滞回环曲线;其次,建立了钢丝绳隔振器静刚度和动刚度力学测试系统;最后,通过准静态加载以构建静刚度条件下压缩、横滚、剪切状态力和位移的关系。在预承载力为5 kN、振幅为1 mm条件下,分别测试了激振频率5~8 Hz条件下的动刚度性能。结果表明:准静态加载条件下,钢丝绳隔振器的力和位移关系较为稳定;动刚度条件下,在5~8 Hz频率之间,动刚度变化较为稳定;等效阻尼随着激振频率的增加而增加。

球型钢丝绳隔振器非对称迟滞模型

针对球型钢丝绳隔振器的非线性刚度和阻尼特性导致迟滞模型表征困难的问题,提出了非线性弹性因子和修正因子改进的归一化Bouc-Wen迟滞模型,结合Simulink仿真完善改进的迟滞模型,采用最小二乘法和遗传算法相结合的方法对改进模型进行参数识别。通过数值仿真绘制GGQ25-62L型球型钢丝绳隔振器在不同工况的迟滞环,并和实验数据进行对比。结果表明,参数识别方法准确可靠,实验数据和理论计算曲线具有较强的一致性,该模型能够有效地描述隔振器的动态特性。

基于整体与局部纹理特征加权融合的港机装备钢丝绳断丝缺陷检测研究

钢丝绳是港机装备的重要部件,由于作业工况环境恶劣,钢丝绳表面极易引起断丝等缺陷,影响港机装备作业安全。针对港机装备钢丝绳表面油泥严重、光照亮度不均,以及港机装备钢丝绳断丝缺陷能够在钢丝绳股顶钢丝椭圆形区域内有效体现的特点,提出了一种基于钢丝绳整体纹理特征与股顶钢丝椭圆形区域边缘轮廓纹理特征加权融合的钢丝绳断丝缺陷检测方法。首先采用图像降噪、增强、校正技术对钢丝绳原始图像进行预处理。然后采用图像平滑、阈值分割及边缘特征提取技术对股顶钢丝椭圆形区域边缘轮廓进行提取。接着采用局部二值模式(LBP)算子分别提取钢丝绳整体纹理特征与股顶钢丝椭圆形区域边缘轮廓纹理特征,并对钢丝绳整体纹理及边缘轮廓纹理特征进行特征加权融合。最后对加权融合后的特征向量进行主成分分析(PCA)法降维,并应用支持向量机(SVM)技术对钢丝绳断丝缺陷进行检测。研究结果表明:本文提出的方法对实际工况下重油泥、光照不均等钢丝绳断丝缺陷具有较好的检测效果,具有一定的工程应用价值。

基于磁场模型的矿用钢丝绳检测信号特性试验研究

电磁检测是矿用钢丝绳缺陷可靠的检测手段之一。基于电磁法的矿用钢丝绳缺陷检测,目前存在缺陷与信号特性表征规律不明确的问题,定量识别时存在无关信号特性,影响识别准确性。采用三维磁偶极子理论计算、Maxwell模拟仿真与试验相互验证的方法,总结漏磁信号特性与缺陷变化之间的表征关系。首先建立磁场环境下的钢丝绳三维磁偶极子理论模型,应用模型对标准缺陷处进行磁场理论计算并进行Maxwell模拟仿真;分别提取理论值与仿真值的峰/谷绝对值、波宽、峰谷差值、峰谷值宽度四项信号特性,进行缺陷与信号的表征分析;最后设计缺陷进行试验验证,得到试验数值的斯皮尔曼相关系数。试验结果表明:缺陷的宽度、深度与峰/谷绝对值、波宽、峰谷差值3个信号特征值呈正相关,与峰谷值宽度无明显相关性;缺陷长度与峰/谷绝对值呈先上升后下降的趋势,与波宽、峰谷差值、峰谷值宽度呈正相关。并且发现宽度缺陷信号幅值最强,长度缺陷信号幅值最弱,深度信号幅值居中,峰谷差值和峰谷绝对值与缺陷相关性最高。该研究具有一定的工程指导价值。

一种基于单轴向充磁永磁环励磁的钢丝绳无损检测方法

为提高钢丝绳缺陷检测能力,简化励磁结构,提出一种基于单个轴向充磁永磁环励磁的钢丝绳无损检测方法。通过分析钢丝绳缺陷在单个轴向充磁永磁环励磁方法下产生的漏磁场,得到该方法能通过漏磁场感知缺陷运动方向的结论。在此基础上,利用COMSOL软件对该励磁方式进行有限元建模,通过仿真计算缺陷处漏磁的分布,验证了结论的正确性,分析了影响漏磁场的因素,并结合霍尔元件性能参数,给出了传感器的最佳布置位置。最后,通过设计信号调理电路,结合3D打印实现传感器结构,完成了实验平台搭建。仿真结果表明,对于同一缺陷,基于该励磁方式产生的最大漏磁场明显大于传统方式。实验结果表明,对于10 mm粗的钢丝绳,当霍尔元件布置的提离值为3 mm和8 mm时,均能够通过缺陷处漏磁信号感知钢丝绳运动方向。

6×19S钢丝绳的断裂有限元模拟

应用微分几何方法建立了钢丝绳一阶和二阶空间螺旋线的方程表达式,构建了6×19S钢丝绳的几何参数模型。对参与捻制的各规格钢丝进行了力学拉伸测试,构建了钢丝绳的弹塑性本构模型,通过缺口拉伸试验结合有限元方法拟合了Johnson-Cook断裂准则的相关参数,获得了拟合参数值,利用ABAQUS模拟了钢丝绳承受轴向载荷后弹性-塑性-断裂的完整过程,探讨了钢丝绳过度加载时的断丝规律以及温升变化规律,结果表明,各股外层丝受到挤压和磨损,承受了更大的接触法向力,最先发生断裂,其次是主股外层细丝难以承受较大拉力开始大规模断裂,最终导致主股粗丝与芯股迅速发生断裂,钢丝绳的接触磨损与过载断裂会带来明显的温度变化,大部分区域的温升在15~30℃。

基于SolidWorks的钢丝绳参数化建模系统

针对空间结构复杂的钢丝绳,设计和建模过程较繁琐的问题,对SolidWorks进行二次开发,实现钢丝绳快速参数化建模。该方法首先对特定型号钢丝绳参数方程和扫掠所需法平面圆进行计算,对计算结果进行编程化处理,基于Visual Studio编程平台,利用VB.net语言和对应API函数,实现钢丝绳快速参数化建模。以弯曲状6×7+IWS钢丝绳为例,对钢丝法平面圆的参数方程推导过程进行了详细介绍,一键绘制了弯曲状6×7+IWS钢丝绳模型,对所建模型进行有限元分析,验证所得此建模方法所建模型精确可靠,可提高钢丝绳建模效率,具有一定实用性。

基于磁平衡的钢丝绳探伤数字传感器研究

针对钢丝绳在长期运行过程中会出现断丝、截面磨损、锈蚀等损伤而形成安全隐患的问题,指出应进行钢丝绳健康状态定期安全检测和评估。针对常用的强磁检测法的不完善之处,提出基于空间磁场平衡机制检测的新型钢丝绳损伤判别方法。首先研究采用PRO/E进行三维实体建模,进行了磁路设计;其次采用有限元分析,比较X轴、Y轴磁化方向的优劣,依据磁力线密度、中间直线磁场变化强度得出Y轴磁化方向优于X轴磁化方向;最后通过运用三维磁场数值分析软件,设计计算出合适的传感器聚磁环结构和感知单元。实验研究结果表明,基于空间磁场平衡机制的新型钢丝绳探伤传感器的检测效果较传统强磁探伤传感器的检测效果有明显改善。

钢丝绳芯传送带损伤的漏磁检测

钢丝绳芯传送带是用于输送物料的高强度传送带,广泛应用于采矿、建筑、冶金等领域,其在长时间运行后,内部钢丝绳会出现断丝、磨损等缺陷,影响生产安全。基于漏磁检测技术开展了钢丝绳芯传送带的损伤检测,首先建立了含有不同类型和不同截面积损伤的传送带漏磁检测有限元模型,分析了缺陷漏磁场空间分布特性和变化规律,然后在实验室条件下开展传送带漏磁检测试验,采用滑动平均降噪与小波降噪相结合的方法对检测信号进行降噪处理,降噪后的信号能够清晰地显示出缺陷损伤严重程度。仿真和试验结果表明,漏磁检测技术能够检测出钢丝绳芯传送带中不同类型和不同截面积的损伤,能够为传送带使用和维护提供决策依据。

改进锚固的钢丝绳-聚合物砂浆交叉条带加固砌体墙拟静力试验研究

本文基于新的钢丝绳锚固方式和墙体构造措施,进行了5片砌体墙的抗震拟静力试验,其中4片采用钢丝绳-聚合物砂浆交叉条带法加固,1片未加固墙作为对照组。综合前期已有试验数据,推导钢丝绳-聚合物砂浆交叉条带法加固砌体墙的抗剪承载力公式。试验表明:改进锚固方式后的交叉条带法在构造上更为可靠,能有效提高砌体墙抗剪承载力,组合墙体承载力较未加固墙提高65%以上,较旧锚固法承载力平均可提高30%;交叉条带对墙体裂缝的出现和发展有一定限制作用,使得墙体的延性有所提高;受力时条带拉压杆体系与原有墙体之间的协同效应能有效提高承载力。最后根据8片墙拟合出的加固墙体抗剪承载力计算公式与试验数据吻合较好,可在相关研究分析中参考使用。

多绳摩擦提升系统钢丝绳张力时程研究

多绳摩擦提升机是连接矿下与地上的唯一枢纽,保证其安全性至关重要,但针对多绳摩擦钢丝绳张力的相关研究较少。以提升系统中的钢丝绳为研究对象,对已有文献中的钢丝绳张力公式进行改进;通过现场实测得到钢丝绳张力的试验值,对改进后的公式进行数值模拟并与试验值以及改进前的公式对比分析;最后当容器满载时对井架结构进行动力响应分析。结果表明:改进后钢丝绳张力公式计算的理论值和试验值的最大张力差为7.6376%,和改进前公式的最大张力差为0.0703%,吻合较好。提升系统运行瞬间加载点在水平X、竖直Y方向的振幅迅速增大至峰值后急剧下降,而后慢慢趋于平缓。

预应力钢丝绳加固空心混凝土桥墩试验研究

为加固桥墩竖向裂缝、抑制裂缝的发展和新裂缝的产生,开展了4组环形预应力钢丝绳加固空心混凝土桥墩试验,研究了钢丝绳拉力、混凝土径向压力、混凝土表面环向压应变的分布规律。试验结果表明:由于钢丝绳与混凝土桥墩表面摩阻力产生的预应力损失,钢丝绳拉力与对应的混凝土径向压力在张拉端最大,随着远离张拉端逐渐减小;混凝土表面环向压应变沿圆周随着远离张拉端逐渐减小,沿竖向随着远离钢丝绳逐渐减小。根据试验结果计算出摩擦系数为0.18,对应的最大预应力损失为43%。建立了相应的有限元模型,有限元计算结果与试验结果吻合良好。设定当混凝土表面环向压应变大于50×10^(-6)时为有效加固区域,结果表明在多根钢丝绳组合布置下,可建立范围较大的有效加固区域,验证了预应力钢丝绳的加固效果。

矿井提升机钢丝绳提升振动抑制技术

针对矿井环境复杂多变导致的钢丝绳提升振动幅度较大问题,研究了矿井提升机钢丝绳振动抑制技术。首先通过分析矿井提升机的运行过程,计算钢丝绳的动能方程和势能方程,从而深入分析了钢丝绳的动力学特性。随后结合矿井的实际特点,设定相应的边界条件,进而推导出钢丝绳的振动控制方程。通过求解该方程,并结合调整抑制参数的方法,实现了对钢丝绳振动控制方程的实时更新,最终达到了抑制钢丝绳振动的目的。实验结果表明,该技术在矿井提升机钢丝绳的纵向振动抑制方面表现较好,其应用后振动幅度降低率普遍超过93%,最高可达98.77%,能够适用于复杂多变的矿井环境。

升船机钢丝绳-缓冲油缸防撞装置设计方法

钢丝绳-缓冲油缸防撞装置主要应用于过船规模较大的升船机工程中,目前关于该形式防撞装置设计方法的研究甚少,且存在一定局限性,直接影响防撞装置的布置和设计。基于船舶与防撞装置撞击过程中能量转换以及空间几何关系的分析,提出钢丝绳-缓冲油缸防撞装置设计计算方法,包括钢丝绳张力、船舶水平行进距离和油缸缓冲行程等重要参数的设计计算和控制条件的确定。通过设计计算结果与向家坝升船机钢丝绳-缓冲油缸防撞装置实船试验结果的比较,验证了本设计方法的安全性和合理性。提出的设计方法可为升船机钢丝绳-缓冲油缸防撞装置的设计和改造提供参考。

一种新型塔式起重机钢丝绳自动计数缠绳截取装置的设计

为方便塔式起重机钢丝绳的更换,设计了一种新型钢丝绳自动计数缠绳截取装置。首先,介绍了钢丝绳的传统换绳方法和旧钢丝绳截取装置,分析了传统方法和旧截绳装置存在的缺陷和需要解决的问题;然后,针对传统方法和老旧钢丝绳截取装置的缺陷,在现有钢丝绳截取方法的基础上,结合施工现场需求,设计了一种新的钢丝绳截取装置;最后,经实践验证,该新型钢丝绳截取装置能提高钢丝绳截取效率,计数准确,减少钢丝绳的折弯损坏量,能满足钢丝绳大批量截取更换的要求,与原装置相比,其性能更优越。

钢丝绳在线监测装置在石油钻机中的运用与测试

钢丝绳作为石油钻机提升系统中的关键部分,在整个系统中起着至关重要的作用,被视为石油钻采领域的“生命线”。钻井钢丝绳与普通钢丝绳相比,使用载荷更大,绳速更高(快绳可达18m/s),冲击载荷大,因此更容易损坏。传统的停钻检修钢丝绳不仅实效慢,而且内部损伤没有专业仪器无法检测,这成为油田钻井的重大安全隐患。因此,本文介绍了一种可行的钢丝绳无损、在线监测方式,阐述了石油钻机钢丝绳在线监测系统的构成及工作原理。以ZJ70DB钻机钻井钢丝绳进行试验测试,试验结果表明,该系统能够精确地检测出石油钻机钢丝绳的内、外断丝及损伤状况,同时现场应用情况表明系统装置检测效率高,有效节约了现场用绳成本,降低了检测能耗,能为油田钻机安全作业提供有效保障。

多通道钢丝绳的漏磁检测信号融合方法

分析了现有钢丝绳漏磁检测系统中存在的损伤信号幅值较小、前端多个磁敏元件处理方式较为简单等问题,提出了一种钢丝绳漏磁检测系统中的多通道信号融合方法。首先从磁敏元件阵列的角度出发,提出了多种磁敏元件阵列方式;其次从信号处理模拟电路的角度出发,设计了多通道信号融合硬件电路;最后,针对钢丝绳进行了实际测试,验证了此方法的可行性。

矿物粉尘环境下矿井缠绕提升钢丝绳振动磨损特性研究

针对矿物粉尘易黏附于具有润滑保护的矿井缠绕提升钢丝绳表面而影响其接触磨损过程问题,利用自制缠绕提升钢丝绳振动磨损测试平台,分析矿井中常见矿物粉尘(煤炭颗粒和矿石颗粒)对缠绕接触钢丝绳间的摩擦学参数演化规律,并揭示其对钢丝绳磨损过程的干扰机制,以期为矿井提升系统的运维及延长钢丝绳使用寿命提供基础数据支撑.结果表明:随着煤炭颗粒体积分数从10%增至40%,钢丝绳在相对稳定阶段的平均摩擦系数从0.158增至0.173,而颗粒尺寸的增大则使其呈现出相反的变化趋势;此外,随着煤炭颗粒体积分数不断增加,钢丝绳磨损表面C元素含量越来越多,黏附效应越来越严重,且剥层现象也越来越明显;随着矿石颗粒体积分数增至40%,钢丝绳摩擦系数增至0.157,磨损深度增至120.4μm,且相比于煤炭颗粒,钢丝绳摩擦系数曲线更加平稳,而颗粒尺寸则与摩擦系数和磨损深度负相关;矿石颗粒浓度的增加及尺寸的减小均导致钢丝绳接触表面磨粒磨损程度更加严重.