一种适于钢丝弯曲摩擦疲劳机的新型钢丝螺旋接触装置

技术领域

本发明涉及试验装置技术领域，特别是涉及一种适于钢丝弯曲摩擦疲劳机的新型钢丝螺旋接触装置。

背景技术

随着海洋资源勘探开发力度的不断加大，深海钻机是开采海洋资源所必须的技术装备。海洋钻机提升系统主要包括绞车、钻井平台、天车、游车、大钩、钢丝绳(以一定捻角由丝捻成股、股捻成绳的复杂螺旋结构)等。钢丝绳一端为快绳端且多层缠绕于滚筒上，依次绕经静滑轮-动滑轮-静滑轮……静滑轮多组滑轮系统，钢丝绳另一端为死绳端并保持固定。钻机起升系统在起升和下放钻杆过程中，钢丝绳承受时变的拉伸和弯曲载荷及海上盐雾腐蚀作用，进而造成钢丝绳内部钢丝弯曲摩擦疲劳。滚筒上多层钢丝绳之间、不同区段钢丝绳(直线段、滚筒弯曲段、静动滑轮弯曲段)内部钢丝均呈现不同接触形式(凸凸接触、凸凹接触)、不同弯曲曲率半径和不同钢丝间交叉角度，进而造成差异的钢丝弯曲摩擦疲劳失效机理。因此，提出一种适于钢丝弯曲摩擦疲劳机的新型钢丝螺旋接触装置，对揭示复杂螺旋接触状态下钢丝弯曲疲劳失效机理至关重要，为保障海洋钻机起升系统钢丝绳服役安全性具有重要意义。

钢丝摩擦疲劳方面的试验装置包括：专利号为202011579256.4公开了一种钢丝腐蚀磨损耦合疲劳试验装置，可实现腐蚀、磨损和疲劳同步作用于钢丝，用于钢丝的腐蚀磨损耦合疲劳试验及其对比试验研究；专利号为202010227362.X公开了一种测定钢丝在不同腐蚀溶剂下疲劳寿命的试验装置及方法，将腐蚀与疲劳的结合，通过考察不同腐蚀溶剂作用下的S-N曲线，量化腐蚀溶剂对腐蚀疲劳寿命的影响；专利号为CN202210330973.6公开了一种高强钢丝腐蚀疲劳加速试验与寿命评价装置及方法，在钢丝两端施加往复荷载实现腐蚀与疲劳耦合作用，通过施加给定的腐蚀电位或腐蚀电流、疲劳应力幅及加载频率研究不同因素对缆索高强钢丝腐蚀疲劳损伤的影响规律；上述实验装置考虑摩擦腐蚀疲劳耦合损伤，但无法实现不同接触形式、不同钢丝弯曲曲率半径和钢丝间不同交叉角度的钢丝摩擦腐蚀疲劳耦合损伤评价。专利号为CN201910316840.1公开了一种试井钢丝疲劳模拟装置及方法，通过设置配重件模拟试井钢丝在现场作业中的反复拉伸、磨损情况，以此实现不同工况下试井钢丝疲劳试验，能够准确掌握使用一段时间后的试井钢丝中间薄弱段的疲劳程度，但无法实现不同接触形式、不同弯曲曲率半径下钢丝摩擦疲劳损伤评价。

发明内容

为解决上述问题，尤其是针对现有技术所存在的不足，本发明提供了一种适于钢丝弯曲摩擦疲劳机的新型钢丝螺旋接触装置能够全面解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

一种适于钢丝弯曲摩擦疲劳机的新型钢丝螺旋接触装置，包括基架、疲劳装置、新型钢丝螺旋接触装置；

所述的基架包括底座、连接在底座上的两组滑轨、连接在底座上的支架一和支架二、连接在支架一和支架二之间的轴一、连接在底座上的支架三和支架四、连接在支架三和支架四之间的轴二、连接在底座上的斜块一、连接在底座上的斜块二；

所述的疲劳装置包括与斜块一连接的电动缸一、与斜块二连接的电动缸二、通过联轴器一与电动缸一相连接的拉力传感器一、通过联轴器二与电动缸二相连接的拉力传感器二、与拉力传感器一相连的夹具一、与拉力传感器二相连的夹具二、与夹具一连接的位移监测板、与位移监测板连接的位移传感器；

所述的新型钢丝螺旋接触装置包括钢丝交叉角变换装置、凸凹弯曲钢丝固定装置、恒载一体化加载装置；

所述的钢丝交叉角变换装置包括与滑轨滑动连接的L型板、与L型板纵向侧壁转动连接的转向轮、与L型板横向侧壁转动连接的锥齿轮轴二、与锥齿轮轴二转动连接并与转向轮传动连接的锥齿轮轴一；

所述的凸凹弯曲钢丝固定装置包括与滑轨连接的腐蚀槽、连接于腐蚀槽内的疲劳钢丝衬垫、与锥齿轮轴二连接的支架五、与支架五连接的加载钢丝夹具；

所述的恒载一体化加载装置包括与轴一套接的轴承一、与轴二套接的轴承二、通过轴承一连接在轴一上的导向轮一、通过轴承二连接在轴二上的导向轮二、通过尼龙线与L型板连接的配重，所述尼龙线在配重作用下绕经导向轮一和导向轮二。

本发明进一步的优选方案：所述L型板通过燕尾槽与滑轨滑动连接。

本发明进一步的优选方案：所述支架五与锥齿轮轴二的连接处连接有拉压力传感器。

本发明进一步的优选方案：所述加载钢丝夹具上开设有四部分等距离分布的弧形钢丝槽。

本发明进一步的优选方案：所述加载钢丝夹具通过方形阶梯轴与支架五连接，所述方形阶梯轴贯穿加载钢丝夹具与加载钢丝夹具转动连接，所述加载钢丝夹具的两侧设有套接在方形阶梯轴上的挡板，所述挡板远离加载钢丝夹具的侧部设有与方形阶梯轴插接的圆锥销。

本发明进一步的优选方案：所述腐蚀槽通过轴三与滑轨连接，所述轴三通过键与滑轨固接。

本发明进一步的优选方案：所述腐蚀槽内连接有控温系统，所述控温系统由制冷机、制热机和温控器组成。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明结合加载钢丝固定夹具的多模块式结构形式不同的凸凹状态和丝槽曲率半径，能够实现接触钢丝间的不同接触形式凸凸接触、凸凹接触和接触钢丝弯曲曲率半径，能够有效模拟不同层间钢丝绳、钢丝绳内部不同股间和丝层间的复杂接触形式和多种接触钢丝弯曲曲率半径；采用滚珠导轨和尼龙线导向连接实现一体化加载方式，可动态调整因钢丝间磨损导致的间隙，实现钢丝间恒定接触载荷；采用锥齿轮啮合方式实现不拆卸式的钢丝间交叉角度精确调整，交叉角度调整范围较广；本发明对揭示不同的接触形式、钢丝弯曲曲率半径和钢丝间交叉角度情况下钢丝弯曲摩擦疲劳断裂机理、定量评估其损伤演化规律提供了有效的模块装置，其操作简便、功能齐全、效果好，在本技术领域内具有广泛的实用性。

附图说明

图1为本发明结构的结构示意图；

图2为本发明结构的侧视图；

图3为本发明结构的主视图；

图4为本发明两根钢丝凸凸接触示意图；

图5为本发明两钢丝凸凹接触示意图；

图6为本发明两钢丝不同角度接触示意图。

图7为本发明锥齿轮轴二与L型板连接处放大示意图；

图中：

1、底座，2、支架一，3、支架三，4、轴三，5、拉压力传感器，6、轴一，7、导向轮一，8、轴承一，9、尼龙线，10、导向轮二，11、轴承二，12、轴二，13、滑轨，14、键，15、支架四，16、支架二，17、斜块一，18、电动缸一，19、联轴器一，20、拉力传感器一，21、位移监测板，22、夹具一，23、L型板，24、转向轮，25、配重，26、夹具二，27、拉力传感器二，28、联轴器二，29、电动缸二，30、斜块二，31、方形阶梯轴，32、支架五，33、锥齿轮轴一，34、锥齿轮轴二，35、加载钢丝夹具，36、腐蚀槽，37、位移传感器，38、控温系统，39、加载钢丝，40、挡板，41、圆锥销，42、疲劳钢丝，43、疲劳钢丝衬垫。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步描述：

如附图1-附图7所示，一种适于钢丝弯曲摩擦疲劳机的新型钢丝螺旋接触装置，包括基架、疲劳装置、新型钢丝螺旋接触装置。

基架包括底座1、通过螺钉固定于底座1上的滑轨13、通过螺钉固定于底座1上的支架一2和支架二16、通过焊接固定在支架一2和支架二16之间的轴一6、通过螺钉固定于底座1上的支架三3和支架四15、通过焊接固定在支架三3和支架四15之间的轴二12、通过螺钉固定于底座1上的斜块一17、通过螺钉固定于底座1上的斜块二30。

疲劳装置包括通过螺钉固定于斜块一17上的电动缸一18、通过螺钉固定于斜块二30上的电动缸二29、通过联轴器一19与电动缸一18相连接的拉力传感器一20、通过联轴器二28与电动缸二29相连接的拉力传感器二27、通过螺纹连接与拉力传感器一20相连的夹具一22、通过螺纹连接与拉力传感器二27相连的夹具二26、通过螺母拧紧固定在夹具一22上的位移监测板21、与位移监测板21连接的位移传感器37。

新型钢丝螺旋接触装置包括钢丝交叉角变换装置、凸凹弯曲钢丝固定装置、恒载一体化加载装置。

钢丝交叉角变换装置包括与滑轨13滑动连接的L型板23、与L型板23纵向侧壁转动连接的转向轮24、与L型板23横向侧壁转动连接的锥齿轮轴二34、与锥齿轮轴二34转动连接并与转向轮24传动连接的锥齿轮轴一33，L型板23通过燕尾槽与滑轨13滑动连接。

凸凹弯曲钢丝固定装置包括与滑轨13连接的腐蚀槽36、连接于腐蚀槽36内的疲劳钢丝衬垫43、与锥齿轮轴二34连接的支架五32、与支架五32连接的加载钢丝夹具35，支架五32与锥齿轮轴二34的连接处连接有拉压力传感器5，腐蚀槽36通过轴三4与滑轨13连接，轴三4通过键14与滑轨13固接，腐蚀槽36内连接有控温系统38，控温系统38由制冷机、制热机和温控器组成。

其中，疲劳钢丝42是外凸的，加载钢丝夹具35分成四部分弧形钢丝槽，即外凸和内凹，弯曲曲率半径不同，加载钢丝39固定在不同弧形钢丝槽时可实现疲劳钢丝42与加载钢丝39的凸凸接触和凸凹接触，通过方形阶梯轴31、挡板40和圆锥销41实现四部分弧形钢丝槽的转换使用，进而实现不拆卸式的钢丝接触形式和接触曲率变换。

恒载一体化加载装置包括轴一6上的轴承一8、轴二12上的轴承二11、通过轴承一8连接在轴一6上的导向轮一7、通过轴承二11连接在轴二12上的导向轮二10、通过尼龙线9与L型板23连接的配重25，尼龙线9在配重25作用下绕经导向轮一7和导向轮二10带动L型板23，带动钢丝交叉角变换装置和凸凹弯曲钢丝固定装置均沿滑轨13运动，实现对接触钢丝的一体化加载，通过配重25大小设定钢丝间接触载荷，通过拉压力传感器5监测钢丝间接触载荷；当弯曲摩擦疲劳过程中接触钢丝发生磨损时，配重25和尼龙线9动态调整以保证钢丝间恒定接触载荷。

凸凸接触实施例：

(1)、将疲劳钢丝42一端通过螺栓与夹具一22连接，夹具一22依次通过位移检测板21拉力传感器一20及联轴器一19与电动缸一18相连，另一端穿过腐蚀槽36，绕在疲劳钢丝衬垫43上，并依次与夹具二26、拉力传感器二27及联轴器二28与电动缸二29相连。

(2)、将加载钢丝39通过螺栓固定在加载钢丝夹具35上的凸出部分。

(3)、通过转动转向轮24依次带动锥齿轮轴一33、锥齿轮轴二34实现钢丝间交叉角度的变化。

(4)、通过改变配重25大小实现凸凸钢丝间接触载荷变化。

(5)、启动电源，同步开启电动缸一18和电动缸二29，利用位移检测板21检测电动缸一18伸缩位移，通过拉力传感器一20和拉力传感器二27实时记录疲劳钢丝42两端拉力。

(6)、到设定疲劳循环次数，电动缸一18和电动缸二29停止工作，试验完毕。

凸凹接触实施例：

(1)、将疲劳钢丝42一端通过螺栓与夹具一22连接，夹具一22依次通过位移检测板21拉力传感器一20及联轴器一19与电动缸一18相连，另一端穿过腐蚀槽36，绕在疲劳钢丝衬垫43上，并依次与夹具二26、拉力传感器二27及联轴器二28与电动缸二29相连。

(2)、将加载钢丝39通过螺栓固定在加载钢丝夹具35上的凹出部分。

(3)、通过转动转向轮24依次带动锥齿轮轴一33、锥齿轮轴二34实现钢丝间交叉角度的变化。

(4)、通过改变配重25大小实现凸凸钢丝间接触载荷变化。

(5)、启动电源，同步开启电动缸一18和电动缸二29，利用位移检测板21检测电动缸一18伸缩位移，通过拉力传感器一20和拉力传感器二27实时记录疲劳钢丝42两端拉力。

(6)、到设定疲劳循环次数，电动缸一18和电动缸二29停止工作，试验完毕。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。