本發(fā)明屬于礦業(yè)開采領(lǐng)域，特別是一種超深立井纏繞式提升鋼絲繩摩擦腐蝕疲勞損傷監(jiān)測。

背景技術(shù)：

近幾年，隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國對礦產(chǎn)資源的需求量大幅度增長，促使我國地下礦產(chǎn)資源的開采不斷向深層擴展。據(jù)統(tǒng)計，我國煤炭開采正在以每年8～12m的速度向深部發(fā)展，隨著煤炭資源的日益消耗，未來10年內(nèi)，我國礦井的開采深度必然達到1000～2000m，因此，超深井開采及運輸問題已經(jīng)受到很多學者的關(guān)注。多繩纏繞式提升機高度大于1500m時，在提升能力及極限提升高度方面優(yōu)于多繩摩擦式提升機，因此，超深礦井提升多采用多繩纏繞式提升系統(tǒng)。在多繩纏繞式提升系統(tǒng)中，我國《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定卷筒上纏繞的鋼絲繩層數(shù)在立井升降物料時為2層，而加拿大《Ontario Occupational Health and Safety Act》規(guī)定提升機卷筒上有螺旋繩槽時不得超過3層纏繞。在礦井提升過程中，提升鋼絲繩連接礦井提升機和提升容器共同組成了礦井提升系統(tǒng)，擔負著提升煤炭、矸石、下放材料、升降人員和設備的任務，然而，提升鋼絲繩是提升系統(tǒng)中比較薄弱的環(huán)節(jié)，一旦鋼絲繩失效斷裂將導致井毀人亡的重大事故，并且嚴重影響礦井正常生產(chǎn)和人員的生命安全。因而，探究超深立井纏繞式提升鋼絲繩失效機制，對提高超深立井提升系統(tǒng)安全可靠性、保障生命財產(chǎn)安全和國家煤炭能源供應，顯得尤為重要和緊迫。

在超深立井纏繞式提升過程中，提升鋼絲繩因循環(huán)提升和下放提升容器，提升機的加速、勻速和減速特性和時變的懸垂鋼絲繩長度等導致鋼絲繩反復地承受拉伸載荷和彎曲載荷，進而導致纏繞于卷筒上鋼絲繩的動態(tài)蠕變特性以及卷筒上不同纏繞層鋼絲繩間的動態(tài)接觸載荷；超深立井提升具有大淋水(酸堿度pH＝6～9的腐蝕溶液)、高低溫(-20℃～30℃)和煤質(zhì)粉塵等惡劣環(huán)境特點，礦井淋水、高低溫、煤層中的有害離子會引起鋼絲繩的腐蝕，因此，溫度、電解質(zhì)腐蝕溶液以及動態(tài)拉伸載荷和動態(tài)接觸載荷共同作用將導致超深立井纏繞式提升機相鄰纏繞層鋼絲繩摩擦腐蝕疲勞損傷，使鋼絲繩破壞拉力和抗沖擊的性能大幅度降低，進一步導致提升鋼絲繩的摩擦腐蝕疲勞斷裂失效，嚴重影響其使用壽命。因此，提出超深立井纏繞式提升鋼絲繩摩擦腐蝕疲勞損傷監(jiān)測裝置及方法，研究溫度和腐蝕效應下提升鋼絲繩的摩擦疲勞損傷失效機制，對探索超深立井纏繞式提升鋼絲繩服役壽命具有重要的理論指導意義。

鋼絲及鋼絲繩腐蝕疲勞相關(guān)的實驗裝置有：專利號CN201610093465.5公開了一種千米深井提升鋼絲繩多軸微動腐蝕疲勞損傷監(jiān)測裝置及方法，可實現(xiàn)不同溫度、腐蝕溶液PH值、多軸微動疲勞參數(shù)下鋼絲的多軸微動腐蝕疲勞實驗；專利號CN201510051377.4公開了腐蝕-交變載荷耦合作用下鋼絲繩彎曲疲勞損傷監(jiān)測系統(tǒng)，能實現(xiàn)腐蝕與交變載荷耦合作用下鋼絲繩的彎曲疲勞試驗，可用于揭示鋼絲繩彎曲疲勞損傷失效機理。然而，上述專利均不能實現(xiàn)不同溫度、動態(tài)拉伸載荷和動態(tài)接觸載荷參數(shù)下超深立井纏繞式提升機相鄰纏繞層鋼絲繩摩擦腐蝕疲勞損傷特性研究。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種超深立井纏繞式提升鋼絲繩摩擦腐蝕疲勞損傷監(jiān)測裝置，可以研究不同的溫度和電解質(zhì)腐蝕溶液中動態(tài)拉伸和接觸載荷下超深立井纏繞式提升機相鄰纏繞層鋼絲繩摩擦腐蝕疲勞損傷特性。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

超深立井纏繞式提升鋼絲繩摩擦腐蝕疲勞損傷監(jiān)測裝置包括支撐系統(tǒng)、拉-拉疲勞系統(tǒng)、動態(tài)加載系統(tǒng)、恒溫腐蝕系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)。

所述支撐系統(tǒng)包括底板、龍門支架、電化學工作站支架、伺服電動缸A支架、摩擦襯墊支架，龍門支架通過螺釘固定在底板上，電化學工作站支架通過焊接固定在底板上，伺服電動缸A支架通過螺釘緊固在底板上，摩擦襯墊支架通過耐腐蝕螺釘固定在耐腐蝕箱底板上。

所述拉-拉疲勞系統(tǒng)包括U型件支座、U型件、雞心環(huán)A、鋼絲繩U型鎖具A、疲勞鋼絲繩、鋼絲繩U型鎖具B、雞心環(huán)B、拉力傳感器、連接件A、伺服電動缸A，U型件支座固定在底板上，U型件通過鎖緊螺母固定在U型件支座上，雞心環(huán)A環(huán)心穿過U型件，疲勞鋼絲繩一端穿過雞心環(huán)A繩槽且疲勞鋼絲繩接頭端通過鋼絲繩U型鎖具A鎖緊，伺服電動缸A固定在伺服電動缸A支架上，伺服電動缸A的螺紋桿與拉力傳感器一端連接，拉力傳感器另一端穿過雞心環(huán)B環(huán)心，疲勞鋼絲繩另一端穿過雞心環(huán)B繩槽且疲勞鋼絲繩接頭端通過鋼絲繩U型鎖具B鎖緊；

所述動態(tài)加載系統(tǒng)包括伺服電動缸B、連接件B、二維力傳感器、耐腐蝕加載鋼絲夾具、加載鋼絲繩、摩擦襯墊，伺服電動缸B固定在龍門支架上，伺服電動缸B的螺紋桿與連接件B螺紋孔連接，連接件B法蘭端與二維力傳感器一端連接，二維力傳感器另一端與耐腐蝕加載鋼絲繩夾具連接，加載鋼絲繩通過耐腐蝕加載鋼絲繩夾具固定，耐腐蝕加載鋼絲繩夾具包括鋼絲繩固定塊和鋼絲繩壓緊片，摩擦襯墊通過耐腐蝕螺釘固定在摩擦襯墊支架上；

所述恒溫腐蝕系統(tǒng)包括耐腐蝕箱、耐腐蝕箱蓋、密封圈外端蓋A、密封圈內(nèi)端蓋A、唇形密封圈A、密封圈定位環(huán)A、密封圈外端蓋B、密封圈內(nèi)端蓋B、唇形密封圈B、密封圈定位環(huán)B、恒溫控制系統(tǒng)、電化學工作站，耐腐蝕箱一側(cè)壁孔內(nèi)依次安裝密封圈外端蓋A、唇形密封圈A、密封圈定位環(huán)A、密封圈內(nèi)端蓋A，耐腐蝕箱另一側(cè)壁孔內(nèi)依次安裝密封圈外端蓋B、唇形密封圈B、密封圈定位環(huán)B、密封圈內(nèi)端蓋B，恒溫控制系統(tǒng)包括加熱元件、冷卻水管、溫度控制柜，通過溫度控制柜控制調(diào)節(jié)耐腐蝕箱內(nèi)腐蝕溶液的溫度使其保持恒定，若腐蝕溶液溫度高于設定溫度，冷卻水管通入冷卻水可迅速降溫，電化學工作站用來監(jiān)測鋼絲繩摩擦腐蝕疲勞損傷過程中鋼絲繩的電化學腐蝕損耗特性，耐腐蝕箱蓋蓋在耐腐蝕箱上起保持耐腐蝕箱內(nèi)腐蝕溶液溫度恒定、支撐加熱元件和支撐電化學工作站電極的作用；

上述二維力傳感器和拉力傳感器形成監(jiān)測系統(tǒng)，拉力傳感器監(jiān)測溫度、腐蝕條件下疲勞鋼絲繩疲勞載荷的變化，二維力傳感器監(jiān)測溫度、腐蝕條件下加載鋼絲繩與疲勞鋼絲繩之間的動態(tài)接觸載荷和摩擦力；

根據(jù)上述監(jiān)測裝置的超深立井纏繞式提升鋼絲繩摩擦腐蝕疲勞損傷監(jiān)測裝置及方法，包括以下步驟：

(a)通過脫脂棉擦拭加載鋼絲繩和疲勞鋼絲繩接觸表面以去除表面油脂，將加載鋼絲繩安裝于耐腐蝕加載鋼絲繩夾具上，將疲勞鋼絲繩穿過耐腐蝕箱兩側(cè)面的唇型密封圈，將疲勞鋼絲繩兩端通過雞心環(huán)A的鋼絲繩U型鎖具A和雞心環(huán)B的鋼絲繩U型鎖具B鎖緊；

(b)通過計算機控制伺服電動缸A水平移動使得疲勞鋼絲繩受力達到設定疲勞載荷或變形值；通過計算機控制伺服電動缸B在豎直方向移動，直至加載鋼絲繩與疲勞鋼絲繩之間的接觸載荷值達到設定值；

(c)帶上耐腐蝕手套，將腐蝕溶液(煤質(zhì)粉塵、硫酸鎂、硫酸鈣、氯化鉀、硫酸鈉、鹽酸等化學物質(zhì))注入到耐腐蝕箱中，直至耐腐蝕箱中腐蝕溶液高度剛浸沒加載鋼絲繩，蓋上耐腐蝕箱蓋，把加熱元件和電化學工作站電極放入腐蝕溶液中，設定溫度控制柜溫度，控制加熱元件工作直至腐蝕溶液溫度達到設定溫度值，當腐蝕溶液溫度高于設定值時，冷卻水管通入冷卻水使得腐蝕液溫度降至設定值，待溫度達到設定值時，打開電化學工作站使其開始工作；

(d)通過計算機控制程序設定伺服電動缸A螺紋桿、伺服電動缸B螺紋桿的交變位移幅值，獲得疲勞鋼絲繩的腐蝕疲勞載荷以及腐蝕條件下加載鋼絲繩與疲勞鋼絲繩之間的動態(tài)交變接觸載荷，用拉力傳感器記錄疲勞鋼絲繩腐蝕疲勞載荷的變化，用二維力傳感器獲得腐蝕條件下加載鋼絲繩與疲勞鋼絲繩之間的動態(tài)接觸載荷和摩擦力，用電化學工作站實時記錄摩擦腐蝕疲勞過程中鋼絲繩的電化學腐蝕特性(阻抗譜，腐蝕電流等)，用溫度控制柜實時記錄腐蝕溶液的溫度；

(e)通過改變溫度、腐蝕溶液、伺服電動缸A伸縮位移和頻率、伺服電動缸B伸縮位移和頻率，可以實現(xiàn)不同溫度、酸堿度、和動態(tài)接觸載荷耦合條件下的鋼絲繩摩擦疲勞實驗；

(f)實驗結(jié)束后，冷卻水管通入冷卻水，待腐蝕溶液溫度降到合適溫度時，回收腐蝕溶液并檢測實驗后腐蝕溶液組分變化。

有益效果：

本發(fā)明提供的超深立井纏繞式提升鋼絲繩摩擦腐蝕疲勞損傷監(jiān)測裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)不同溫度、不同腐蝕溶液、動態(tài)拉伸載荷和動態(tài)接觸載荷參數(shù)下超深立井纏繞式提升機相鄰纏繞層鋼絲繩摩擦腐蝕疲勞損傷，能夠模擬礦井淋水、恒定高低溫和煤層中的有害離子引起電化學腐蝕環(huán)境，可以同時動態(tài)監(jiān)測鋼絲繩摩擦腐蝕疲勞過程中鋼絲繩交變的拉力、摩擦力和鋼絲繩間接觸載荷等參數(shù)演化規(guī)律，能夠探索不同工況下超深立井纏繞式提升相鄰纏繞層鋼絲繩摩擦腐蝕疲勞損傷行為及其受腐蝕溶液、溫度的影響規(guī)律，進而預測超深立井纏繞式提升鋼絲繩在超深井環(huán)境的服役壽命，對超深礦井環(huán)境提升運行安全具有重要指導意義。

附圖說明

圖1為本發(fā)明專利結(jié)構(gòu)的主視圖；

圖2為本發(fā)明專利結(jié)構(gòu)的俯視圖；

圖3為圖中1中Ⅰ處局部放大圖；

圖4為圖中1中Ⅱ處局部放大圖；

圖5為圖中1中Ⅲ處局部放大圖；

圖6為本發(fā)明專利加載鋼絲繩夾具；

圖7為本發(fā)明專利龍門架結(jié)構(gòu)；

圖中：1、U型件；2、鋼絲繩U型鎖具A；3、冷卻水管；4、加熱元件；5、耐腐蝕箱蓋；6、二維力傳感器；7、電動伺服缸B；8、連接件B；9、龍門支架；10、鋼絲繩U型鎖具B；11、電化學工作站；12、電化學工作站支撐架；13、伺服缸電動A；14底板；15、伺服缸電動A支架；16、連接件A；17、拉力傳感器；18、雞心環(huán)B；19、耐腐蝕箱；20、摩擦襯墊支架；21、摩擦襯墊；22、疲勞鋼絲繩；23、雞心環(huán)A；24、U型件支座；25、鋼絲繩固定塊；26、鋼絲繩壓緊片；27、加載鋼絲繩；28、密封圈外端蓋A；29、密封圈內(nèi)端蓋A；30、唇形密封圈A；31、密封圈定位環(huán)A；32、密封圈內(nèi)端蓋B；33、密封圈外端蓋B；34、密封圈定位環(huán)B；35、唇形密封圈B。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。

超深立井纏繞式提升鋼絲繩摩擦腐蝕疲勞損傷監(jiān)測裝置包括支撐系統(tǒng)、拉-拉疲勞系統(tǒng)、動態(tài)加載系統(tǒng)、恒溫腐蝕系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)。

所述支撐系統(tǒng)包括底板14、龍門支架9、電化學工作站支架12、伺服電動缸A支架15、摩擦襯墊支架20，龍門支架9通過螺釘固定在底板14上，電化學工作站支架12通過焊接固定在底板14上，伺服電動缸A支架15通過螺釘緊固在底板14上，摩擦襯墊支架20通過耐腐蝕螺釘固定在耐腐蝕箱19底板上。

所述拉-拉疲勞系統(tǒng)包括U型件支座24、U型件1、雞心環(huán)A23、鋼絲繩U型鎖具A2、疲勞鋼絲繩22、鋼絲繩U型鎖具B10、雞心環(huán)B18、拉力傳感器17、連接件A16、伺服電動缸A13，U型件支座24固定在底板14上，U型件1通過鎖緊螺母固定在U型件支座24上，雞心環(huán)A23環(huán)心穿過U型件1，疲勞鋼絲繩22一端穿過雞心環(huán)A23繩槽且疲勞鋼絲繩22接頭端通過鋼絲繩U型鎖具A2鎖緊，伺服電動缸A13固定在伺服電動缸A支架15上，伺服電動缸A13的螺紋桿與拉力傳感器17一端連接，拉力傳感器17另一端穿過雞心環(huán)B18環(huán)心，疲勞鋼絲繩22另一端穿過雞心環(huán)B18繩槽且疲勞鋼絲繩22接頭端通過鋼絲繩U型鎖具B10鎖緊；

所述動態(tài)加載系統(tǒng)包括伺服電動缸B7、連接件B8、二維力傳感器6、耐腐蝕加載鋼絲夾具、加載鋼絲繩27、摩擦襯墊21，伺服電動缸B7固定在龍門支架9上，伺服電動缸B7的螺紋桿與連接件B8螺紋孔連接，連接件B8法蘭端與二維力傳感器6一端連接，二維力傳感器6另一端與耐腐蝕加載鋼絲繩夾具連接，加載鋼絲繩27通過耐腐蝕加載鋼絲繩夾具固定，耐腐蝕加載鋼絲繩夾具包括鋼絲繩固定塊25和鋼絲繩壓緊片26，摩擦襯墊21通過耐腐蝕螺釘固定在摩擦襯墊支架20上；

所述恒溫腐蝕系統(tǒng)包括耐腐蝕箱19、耐腐蝕箱蓋5、密封圈外端蓋A28、密封圈內(nèi)端蓋A29、唇形密封圈A30、密封圈定位環(huán)A31、密封圈外端蓋B33、密封圈內(nèi)端蓋B32、唇形密封圈B35、密封圈定位環(huán)B34、恒溫控制系統(tǒng)、電化學工作站11，耐腐蝕箱19一側(cè)壁孔內(nèi)依次安裝密封圈外端蓋A28、唇形密封圈A30、密封圈定位環(huán)A31、密封圈內(nèi)端蓋A29，耐腐蝕箱另一側(cè)壁孔內(nèi)依次安裝密封圈外端蓋B33、唇形密封圈B35、密封圈定位環(huán)B34、密封圈內(nèi)端蓋B32，恒溫控制系統(tǒng)包括加熱元件4、冷卻水管3、溫度控制柜，通過溫度控制柜控制調(diào)節(jié)耐腐蝕箱19內(nèi)腐蝕溶液的溫度使其保持恒定，若腐蝕溶液溫度高于設定溫度，冷卻水管3通入冷卻水可迅速降溫，電化學工作站11用來監(jiān)測鋼絲繩摩擦腐蝕疲勞損傷過程中鋼絲繩的電化學腐蝕損耗特性，耐腐蝕箱蓋5蓋在耐腐蝕箱19上起保持耐腐蝕箱19內(nèi)腐蝕溶液溫度恒定、支撐加熱元件4和支撐電化學工作站11電極的作用；

所述監(jiān)測系統(tǒng)包括二維力傳感器6、拉力傳感器17，拉力傳感器17監(jiān)測溫度、腐蝕條件下疲勞鋼絲繩22疲勞載荷的變化，二維力傳感器6監(jiān)測溫度、腐蝕條件下加載鋼絲繩27與疲勞鋼絲繩22之間的動態(tài)接觸載荷和摩擦力；

根據(jù)上述監(jiān)測裝置的超深立井纏繞式提升鋼絲繩摩擦腐蝕疲勞損傷監(jiān)測裝置及方法，包括以下步驟：

(a)通過脫脂棉擦拭加載鋼絲繩27和疲勞鋼絲繩22接觸表面以去除表面油脂，將加載鋼絲繩27安裝于耐腐蝕加載鋼絲繩夾具上，將疲勞鋼絲繩22穿過耐腐蝕箱19兩側(cè)面的唇型密封圈，將疲勞鋼絲繩22兩端通過雞心環(huán)A23的鋼絲繩U型鎖具A2和雞心環(huán)B18的鋼絲繩U型鎖具B10鎖緊；

(b)通過計算機控制伺服電動缸A13水平移動使得疲勞鋼絲繩22受力達到設定疲勞載荷或變形值；通過計算機控制伺服電動缸B7在豎直方向移動，直至加載鋼絲繩27與疲勞鋼絲繩22之間的接觸載荷值達到設定值；

(c)帶上耐腐蝕手套，將腐蝕溶液(煤質(zhì)粉塵、硫酸鎂、硫酸鈣、氯化鉀、硫酸鈉、鹽酸等化學物質(zhì))注入到耐腐蝕箱19中，直至耐腐蝕箱19中腐蝕溶液高度剛浸沒加載鋼絲繩27，蓋上耐腐蝕箱蓋5，把加熱元件4和電化學工作站11電極放入腐蝕溶液中，設定溫度控制柜溫度，控制加熱元件4工作直至腐蝕溶液溫度達到設定溫度值，當腐蝕溶液溫度高于設定值時，冷卻水管3通入冷卻水使得腐蝕液溫度降至設定值，待溫度達到設定值時，打開電化學工作站11使其開始工作；

(d)通過計算機控制程序設定伺服電動缸A13螺紋桿、伺服電動缸B7螺紋桿的交變位移幅值，獲得疲勞鋼絲繩22的腐蝕疲勞載荷以及腐蝕條件下加載鋼絲繩27與疲勞鋼絲繩22之間的動態(tài)交變接觸載荷，用拉力傳感器17記錄疲勞鋼絲繩22腐蝕疲勞載荷的變化，用二維力傳感器6獲得腐蝕條件下加載鋼絲繩27與疲勞鋼絲繩22之間的動態(tài)接觸載荷和摩擦力，用電化學工作站11實時記錄摩擦腐蝕疲勞過程中鋼絲繩的電化學腐蝕特性(阻抗譜，腐蝕電流等)，用溫度控制柜實時記錄腐蝕溶液的溫度；

(e)通過改變溫度、腐蝕溶液、伺服電動缸A13伸縮位移和頻率、伺服電動缸B7伸縮位移和頻率，可以實現(xiàn)不同溫度、酸堿度、和動態(tài)接觸載荷耦合條件下的鋼絲繩摩擦疲勞實驗；

(f)實驗結(jié)束后，冷卻水管3通入冷卻水，待腐蝕溶液溫度降到合適溫度時，回收腐蝕溶液并檢測實驗后腐蝕溶液組分變化。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。