基于TCK的钢丝绳弯曲疲劳检测系统的设计
贾小凡，张德坤，王大刚
(1．中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州221116；2．中国矿业大学材料工程学院，江苏徐州221116)
摘要：为了检测钢丝绳弯曲疲劳对钢丝绳使用寿命的影响，自制了钢丝绳弯曲疲劳试验机，基于TCK钢丝绳损伤定量检测仪设计了钢丝绳弯曲疲劳损伤检测系统，对钢丝绳弯曲疲劳段进行损伤检测，实现了疲劳损伤参数的采集及分析。
关键词：钢丝绳；弯曲疲劳；疲劳寿命；检测系统
中图分类号：TD534文献标志码：A文章编号：1003—0794(2011)01—0159—04
Design of Wire Rope Bending Fatigue Damage Detection System Based on TCK
JIA Xiao—fan，ZHANG De-kun2，WANGDa-gang1
(1．School of Mechanical and Electrinical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China；2．School of Material Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China)
Abstract：To analyze the influence of the bending on the fatigue life of the wire rope，a wire rope
Bending fatigue damage detection system was designed based on the self-made wire rope bending fitigue apparatus combines with TCK wire rope quantitative detection Instrument．Sections of the wire rope bending fatigue damage was detected to achieve a fatigue damage parameter collection and analysis．
Keywords：wire rope；bending fatigue；fatigue life；detection system
0 前言
钢丝绳弯曲疲劳试验机是评定钢丝绳弯曲疲劳的重要手段，国内外学者运用多种弯曲疲劳试验机进行了疲劳试验。国内通用的钢丝绳弯曲疲劳试验机有A,B,C,D,E五种型号。国外有旋转疲劳试验机、行星式疲劳试验机、回转弯曲疲劳试验机等。此外，张钫等通过对弯曲疲劳机的选择、弯曲滑轮、试样弯曲频率、包角、张力等的研究，得出影响钢丝绳弯曲疲劳试验的因素。黎新皋设计了钢丝绳的旋转弯曲疲劳试验机，研究钢丝绳加速疲劳试验。朱永刚等设计了WP—I型钢丝绳弯曲疲劳试验机，对不同材质、不同工艺、不同结构、规格、强度及韧性的钢丝绳进行了弯曲疲劳试验。廖红卫等设计了滑轮一钢丝绳短行程疲劳试验机，研究不同绳槽硬度对钢丝绳疲劳寿命的影响。钢丝绳探伤仪
本文自制的钢丝绳弯曲疲劳试验机，操作简单，适用范围广，可以满足9～13mm钢丝绳的双向弯曲疲劳试验。结合TCK钢丝绳损伤定量检测仪，能够实时采集钢丝绳的损伤情况随钢丝绳弯曲疲劳次数的增加而变化情况，对研究钢丝绳的使用寿命有着重要的工程意义。钢丝绳探伤仪
1 试验相关参数
本试验选用6xl9+IWS直径为12mm钢丝绳．其抗拉强度δ=1670Pa，破断拉力P=74．61kN。钢丝绳单向工作行程为3500mm，钢丝绳往复频率为5.35次/min，滑轮与钢丝绳直径之比为25。钢丝绳探伤仪
实验中单向行程为3500mm，一个单向工作行程中，A、B、C(见图1)三段钢丝绳分别经历了双向6次、双向4次和双向2次弯曲。A处750mm的钢丝绳段绕经3个弯曲滑轮弯曲，B处750mm的钢丝绳段绕经2个弯曲滑轮弯曲，C处750mm的钢丝绳段绕经1个弯曲滑轮弯曲。故试验机的1个往复过程中，其累计工作寿命中分别记为6次、4次和2次。
2 弯曲疲劳试验机工作原理及其结构
2.1工作原理
试验机工作原理如图1所示，钢丝绳在承受拉伸预载力的情况下，同时承受双向弯曲。试验装置中，电感式接近开关3、6为变频器的外控端子,控制电机8带动主动轮1双向转动，继而带动钢丝绳试样在有效长度内反复弯曲运动。弯曲滑轮2为加载动滑轮，可实现水平方向的滑动；弯曲滑轮4、5为静滑轮。在弯曲动滑轮固定的移动滑块上施加预紧力S,使整段钢丝绳承受拉伸应力。利用TCK钢丝绳损伤定量检测设备可实时监测随着弯曲次数增加钢丝绳内部的损伤状况的变化，从而得到钢丝绳的疲劳失效寿命。钢丝绳探伤仪
2．2试验机结构
结构如图2所示，由驱动单元、弯曲单元、力加载单元组成。
该试验机有2个特点：
(1) 驱动单元和弯曲单元各有独立的底架，2部分是通过螺栓用杆件连接起来，调节其长度可以改变试验钢丝绳的疲劳试验行程；
(2)可以调换不同规格的主动轮和弯曲滑轮，实现不同直径钢丝绳的疲劳试验。钢丝绳探伤仪
①驱动单元
直流电机 直流电机是定义输出或输人为直流电能的旋转电机．它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。其结构原理简单，调速方便，体积小。本试验采用功率为6kW的正反运行无刷直流电机；钢丝绳探伤仪
变频器 变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。本控制系统中，选用功率为7.5kW，正弦电气SINE300系列矢量控制变频器。通过改变变频器的参数设置来改变钢丝绳的运行速度；
接近开关和计数器 选用型号为LJ12A3—4(2)一Z(J)／BX.BY的NPN常开型接近开关．其检测距离为4mm：在试验机两侧的钢丝绳上各布置一个接近开关．2个接近开关轮流工作，每次动作，输出一个信号给变频器，控制电机的正反转。继而带动主动轮的双向旋转。其中的一个接近开关同时连接计数器，动作一次．计数器计数一次，即为一个周期；钢丝绳探伤仪
主动轮 在试验机上，可左右转动一定弧度．带动试样在有效长度内反复弯曲运动的滑轮。本试验选用Φ710mm的滑轮作为主动轮。
②弯曲单元
滑轮用来卷绕钢丝绳，传递动力，将旋转运动转换为直线运动。本试验中选用3个Φ280mm的弯曲滑轮．实现钢丝绳的双向弯曲。3个小滑轮水平方向上对称分布．其载荷方向为动滑轮和主动轮的连心线方向，亦为水平方向，有利于试验机的稳定性。
⑧力加载与检测单元
试验装置中，传感器一端连接燕尾槽滑块,另一端连接加载螺柱，为防止传感器与连接件面接触,在螺柱与传感器接触面之间加一个垫片。待加到所需载荷后．在加载螺柱两侧装入两螺柱顶住滑块，使其位置固定，保持压力的稳定。钢丝绳探伤仪
选用TJF一1S型拉力传感器，其压力量程为0～5t．灵敏度为2.0mV/V，工作温度在一20～65℃。配套选用TJF—V型普通变送器，量程为5t，输入电压24V．输出电压为0～±5V，电源24V，供电电压为输出电压24VDC。钢丝绳探伤仪
3 基于TCK的数据采集
选用型号为TCK—BX30的TCK便携型钢丝绳损伤定量检测设备，其主要组成部分为TCK—RC系列弱磁加载仪、TCK—SC系列手持显示仪、TCK—BC系列钢丝绳探伤仪。其工作原理：在拉、弯、扭等机械负荷及其他次生负荷的反复作用下，钢丝绳某些体积元的材料组织出现变异、退化、损失或者应力集中。利用弱磁加载仪给被检测钢丝绳充磁，磁力线在钢丝绳内部这些退变的体积元中只能沿不规则的低能耗路径排布．磁通密度随之变化，磁能积分布不均匀，使各体积元产生磁能势差异利用探伤仪，对比标定的未损伤钢丝绳的磁能势，采集磁能势差异，从显示仪可以得到钢丝绳的损伤情况。
（1）弱磁加载 停机后，采用异步检测方式，即：弱磁加载仪与探伤仪分别在线安装实施，先安装弱磁加载仪完成弱磁加载工作，加载仪离线；再安装探伤仪完成检测工作。钢丝绳探伤仪
手持TCK—RC系列弱磁加载仪从钢丝绳上确定的起点连续加载到确定的终点，加载过程中确保弱磁加载仪可靠闭合锁紧，中途不得取下。
（2）编辑建档和标定 连接好探伤仪与手持显示仪，对被检测钢丝绳进行编辑，包括建编绳号、检测次数、钢丝绳规格、损伤上线、捻距及磁化日。编辑好后。检查并确认输入值，进入标定。
选定已加载弱磁完毕的相对完好的一段钢丝绳，分别选取3个非重复的标定位置，一次正确完成标操作。在记录的3个有效的相差不超过6的成功标定值中选取中值作为标定值。
（3）检测TCK—RC系列弱磁探伤仪对整段完成弱磁加载的钢丝绳段进行检测。检测时，保证被测钢丝绳经过探伤仪的相对运动方向顺序，与经过加载仪时的一致观察电脑液晶屏实时测程和测速示值，测试结束后，保存测试数值。
4 试验结果及分析
试验分为2部分，第1部分为预紧力S=2.5kN，即钢丝绳承受预载拉伸力12435N(安全系数选6)，主要探索弯曲疲劳次数对钢丝绳内部疲劳损伤类型的影响；第2部分为试验载荷S=1.5kN，即钢丝绳承受预载拉伸力7500N(安全系数选10)，主要探索试验周期对钢丝绳疲劳损伤量值的影响通过比较，可以得到不同拉伸预载力作用下，钢丝绳弯曲疲劳对疲劳寿命的影响。钢丝绳探伤仪
(1)试验载荷S—2.5kN
由图3可知，在试验初期，钢丝绳内部损伤主要以压伤、锈蚀为主，随着试验周期的增长，钢丝绳内部的疲劳损伤逐渐增多，主要以混合损伤形式存在，最后造成断丝。三次弯曲处的损伤量值及损伤点的个数明显超过二次弯曲处。可见，弯曲疲劳及对钢丝绳的疲劳寿命影响较大。
图3中的1～6曲线的疲劳周期次数依次为：8500，14000，20000，23000，26500，30500。
(2)试验载荷s=1.5t
图4为试验载荷S=1.5kN时．损伤量值在不同损伤位置随着试验周期增长的变化曲线可以看出．随着试验周期的增长。钢丝绳内部的损伤量值逐渐增高。
图中的曲线1～8的疲劳周期次数依次为：8500，12000，17000，23000，30000，39000，47000，55000。
5 结语
通过弯曲疲劳试验机对钢丝绳进行弯曲疲劳实验．结合TCK系统检测钢丝绳的损伤状况，实现了疲劳损伤参数的实时、动态地采集，对钢丝绳的疲劳寿命预测有一定工程意义。现场试验证实该系统工作稳定，可靠性高对钢丝绳进行弯曲疲劳试验，结果表明，三次弯曲处的损伤量值及损伤点的个数明显超过二次弯曲处，可见弯曲疲劳对钢丝绳的疲劳寿命影响较大。钢丝绳探伤仪
参考文献：
[1]张钫，张平萍．影响钢丝绳弯曲疲劳试验因素的分析EJ]．金属制
[2]张钫，张平萍．影响钢丝绳弯曲疲劳试验因素的分析[J]．金属制品．2006．32(3)：46—47．
[3]黎新皋．钢丝绳的旋转弯曲试验[J]．冶金丛刊，1993(5)：62—63．
[4]朱永刚，刘桂森．钢丝绳弯曲疲劳试验剖析[JJ．金属制品，1993，19(5)：27—32．
[5]廖红卫．钢丝绳的疲劳行为特征与损伤机理研究[D]．武汉：武汉理T大学．2006．钢丝绳探伤仪
作者简介：
贾小凡(1987一)，女，江苏徐州人，硕士，目前主要从事摩擦学方面的研究．责任编辑：侯淑华收稿日期：2010—07—19
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