（机械电子工程专业论文）钢丝绳试验台结构设计与强度分析.pdf

哈尔滨 二稗火学硕七学位论文 i i 摘要 钢丝绳是工程中应用极广的一种挠性构件，广泛应用于矿产、冶金、交 通、建筑、旅游等国民经济的主要行业和部门。钢丝绳的性能直接关系到人 民群众的切身利益和生命财产的安全。要防止因为钢丝绳的失效造成的安全 事故，除了控制钢丝绳的设计和制造质量外，做好钢丝绳机械性能的检验工 作也是极为重要的。本文以寻找合适的钢丝绳的机械性能检验方法为出发点， 提出了研制新型钢丝绳试验台的设计方案。 本文首先分析了传统的钢丝绳试验机的结构特点，总结出传统试验机一 般存在施加载荷较小、钢丝绳预紧调节不便、模拟现实工况较差等缺点，并 针对这些缺点提出了新型钢丝绳试验台的设计方案，确定了试验台双飞轮驱 动、双卷筒联动的运行方式及预紧滑轮立式分布、卧式螺旋加载的结构特点。 接着详细介绍了飞轮机组、横移卷简轴系、冲击卷简轴系、推力滑轮机组和 加载机构等试验台主要部件的具体设计方案，完成了试验台的整体设计。最 后应用大型有限元分析软件a n s y s 对试验台中力学性能要求较高的加载机 构和推力滑轮机组进行了强度和刚度分析，得出各主要部件的应力分靠及变 形云图。 本文的研究成果一定程度上可促进钢丝绳检验技术与器械的发展与完 善，对钢丝绳检验设备的研制具有一定的参考价值。 关键词：钢丝绳；冲击试验；有限元分析；接触分析 a b s t r a c t w i r er o p e sa r ef l e x i b l em e m b e r st h a ta l ew i d e l yu s e di nm a n yi n d u s t r i e sa n d s e c t o r ss u c ha sm i n i n g ，m e t a l l u r g y , t r a f f i c ，c o n s t r u c t i o n ，t o u r i s ma n ds oo n t h e p e r f o r m a n c eo fw i r er o p e sh a sg r e a te f f e c t so np e o p l e sb e n e f i t s ，l i f ea n d p r o p e r t i e s i no r d e rt oa v o i da c c i d e n t sc a u s e db yf a i l u r eo fw i r er o p e s ，i ti s e s s e n t i a lt o i m p r o v ee x a m i n a t i o nm e t h o d sf o rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sb e s i d e s c o n t r o l l i n gt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fw i r er o p e s t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t s t h ed e s i g no fan e wt y p eo fw i r e r o p et e s t b e dt h a ti sa i m e da t f i n d i n go u t a p p r o p r i a t ee x a m i n a t i o nm e t h o d sf o rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw i r er o p e s f i r s t l y ，a f t e ra n a l y s i so fs t r u c t u r ec h a r a c t e r so ft r a d i t i o n a lt e s t b e d s i ti s c o n c l u d e dt h a t t h e yp r e s e n ts h o r t c o m i n g ss u c h a l sl i t t l e l o a d i n gc a p a c i t y ， i n c o n v e n i e n ta d j u s t m e n to fp r e l o a d i n gw i r e r o p ea n db a ds i m u l a t i o no fr e a l w o r k i n gc o n d i t i o n s i no r d e rt oa v o i dt h e s ed i s a d v a n t a g e s ，t h en e wd e s i g ns c h e m e i ss u g g e s t e d ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h et e s t b e dn o to n l yh a st h eo p e r a t i o nm o d eo f d o u b l e - f l y w h e e l sd r i v ea n dd o u b l e d r u m sl i n k a g eb u ta l s oh a ss t r u c t u r ec h a r a c t e r s o fp r e l o a d i n gp u l l e yp l a c e dv e r t i c a l l ya n dh o r i z o n t a ll o a d i n gb ys c r e w s t h e n , c o n c r e t ed e s i g ns c h e m e so f p r i m a r yp a r t so f t h et e s t - b e di n c l u d i n gf l y w h e e lu n i t s ， t r a v e r s i n gd r u ms h a f t i n g ，s h o c kd r u ms h a f t i n g ，t h r u s tp u l l e yu n i t sa n dl o a d i n g m e c h a n i s m sa r ei n t r o d u c e d ，w h i c hf i n i s h e st h eg e n e r a ld e s i g no ft h et e s t - b e d a t l a s t ，i n t e n s i t ya n ds t i f f n e s s o ft h r u s tp u l l e yu n i t sa n dl o a d i n gm e c h a n i s m st h a t m u s tm e e th i g hr e q u i r e m e n t so fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r ea n a l y z e dw i t hf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，w h i c hs h o w st h es t r e s sd i s t r i b u t i o na n d d e f o r m a t i o nf r i n g e so ft h e s ep a r t s t h ea c h i e v e m e n t so ft h er e s e a r c h p r e s e n t e d i nt h i sd i s s e r t a t i o nw i l lb e b e n e f i c i a lt ot h ed e v e l o p m e n to fw i r e - r o p et e s tt e c h n o l o g ya n dd e v i c e si ns o m e e x t e n t ，o f f e r i n gc e r t a i np r e f e r e n c ev a l u e sf o rt h ed e s i g no ft e s t b e d sf o rr o p e s k e y w o r d s ：w i r er o p e s ；s h o c kt e s t ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；c o n t a c ta n a l y s i s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：奎壶瞧 日期：潲弓年3 月6 日 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景 钢丝绳是工程中应用极为广泛的一种挠性构件，它具有强度高、自重轻、 弹性好、工作平稳可靠和过载能力强以及在高速工作条件下运行和卷绕无噪 声等许多优点，在矿产、冶金、交通、建筑、旅游等国民经济的主要行业和 部门中得到了广泛的应用。 然而像其它的工程构件一样，钢丝绳在使用过程中也会发生疲劳、锈蚀、 磨损甚至断裂等现象，从而造成整根绳的损伤甚至断裂。近几十年来因钢 丝绳破断而造成的事故时有发生，如1 9 9 0 年武昌造船厂一大型浮吊船因系泊 钢丝绳断裂而失控，下漂撞至武汉长江大桥4 号墩，造成大桥局部损伤的长 期隐患；2 0 0 2 年8 月，北京某建筑工地上，一台q t z 5 5 1 3 塔机在吊运钢筋 时，钢丝绳突然断裂，钢筋坠落，造成吊装人员伤亡事故；2 0 0 4 年1 2 月8 日，在山东省烟台市莱州县海庙镇莱州海庙港船停泊码头吊装扇贝作业过程 中，吊臂的变幅钢丝绳突然断裂，导致吊臂坠落，砸中船上4 人，导致3 人 当场死亡，1 人重伤，经抢救无效后死亡。由此可见钢丝绳的安全运行关系 到人民群众的切身利益和生命财产的安全。 要防止因为钢丝绳的性能问题而造成的类似安全事故，改进钢丝绳的设 计和控制制造质量是关键。影响钢丝绳质量的因素很多忙1 ，如铡铁冶炼水平 的高低、生产钢丝和捻制钢丝绳的中间过程工艺是否先进合理、质量管理措 施是否得当等。除此之外做钢丝绳整绳机械性能的试验，用以检验钢丝绳的 质量是否合格也是避免发生安全事故的重要措施。因此，不断地探索如何检 验钢丝绳的性能的试验方法是钢丝绳生产使用过程中的重要步骤。 1 2 钢丝绳的主要失效形式 为适应各种用途的需要，钢丝绳的结构多种多样，粗细规格尺寸及强度 哈尔溟1 ：程大学硕十学依论文 特性变化范围宽广。随着使用时间的增加，钢丝绳会出项各种损伤现象。影 响钢丝绳强度减弱的主要有：磨损、断裂、疲劳和锈蚀等因素睁1 。 磨损是钢丝绳在工作是与其他物件接触并有相对运动摩擦而产生的。它 是钢丝绳中最常见的损伤形式，般分为外部磨损、变形磨损和内部磨损三 种情况。 钢丝断裂是钢丝绳使用过程中的主要问题，单根钢丝的断裂主要是由于 疲劳造成的。疲劳断裂可以在外部或在内部。除此之外还有磨损断丝、锈蚀 断丝、剪切断丝以及过载断丝、扭结断丝等。 疲劳失效是钢丝绳在使用过程中主要承受弯曲疲劳和拉伸、扭曲和振动 引起的。疲劳损伤的原理是在变应力的作用下，细钢丝表面首先由于各种滑 移形成初始裂纹，然后裂纹尖端在切应力的作用下反复塑性变形，使裂纹扩 展直至断裂。疲劳引起的断丝一般断口平齐，多半出现在表层钢丝上。 锈蚀是钢丝绳的余属表面受周围介质化学或电化学作用而产生的破坏现 象。锈蚀会使钢丝绳的截面积减小，弹性和承受冲击的能力降低。 事实上，钢丝绳在使用过程中，上述损伤的产生与发展是互相影响的， 钢丝绳锈蚀会加剧磨损损伤，磨损叉将促成断丝的发生，只是在各使用状态 下，损伤发展的速度和程度不尽相同。 1 3 钢丝绳机械性能检验方法 钢丝绳机械性能检验【4 。9 1 一般是指钢丝绳拆股钢丝拉伸试验、反复弯曲( 缠 绕) 试验、扭转试验；钢丝绳中钢丝破断拉力总和检验；钢丝绳整绳拉伸试 验和钢丝绳疲劳试验。这些试验目前是检验钢丝绳机械性能的主要项目。 1 3 1 钢丝绳拆股试验 钢丝绳拆股检验方法一般是将钢丝绳拆股，分别对拆股钢丝进行拉断、 弯曲和扭转试验，然后计算出其抗拉强度并判定其韧性号，以此作为选用和 评价钢丝绳的依据，这是一种间接测试钢丝绳性能的方法。 2 哈尔滨 i 程大学硕十学位论文 i i i i i i i i i i i i i iiii 宣葺i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i 钢丝绳在实际使用时的受力状态是非常复杂的，它不只承受单纯的拉伸、 弯曲和扭转作用，而是受到多种力的结合作用，如：钢丝绳内部产生的摩擦 力和挤压应力，随着使用条件的变化而承受交变负荷和冲击负荷的作用。由 此可见，将钢丝绳拆股，对每根钢丝进行拉、弯、扭试验过程中考虑的因素 不全容易引入各种误差。以此来判断钢丝绳韧性号的方法与钢丝绳实际使用 时受力状况相差很大，不能真实地代表钢丝绳的性能和质量。 1 3 2 钢丝绳整绳拉伸试验 钢丝绳整绳破断拉力试验，是将钢丝绳试样置于试验机上，在试样两端 缓慢施加一个拉力负荷，直至试验机拉力值达到试样最小破断拉力，从而检 测出钢丝绳在静载荷条件下实际承受破断拉力的能力。 对钢丝绳做整绳破断拉力试验时，由于钢丝绳产品的类别不同，其检测 方法和手段也不尽相同。试验方法包括直接央持试验法、央卡试验法、缠绕 试验法和浇注试验法等。其中，直接夹持试验法适合于用粗直径钢丝制成较 细的钢丝绳的测试；夹卡试验法适合于较细规格钢丝绳的拉伸试验；缠绕试 验法适用于缠绕性好和直径较细的钢丝绳；浇注式试验法的应用范围最广， 适于各种规格的钢丝绳整绳拉力试验，特别是对于直径较大或缠绕性较差的 钢丝绳更为适宜。 随着我国钢丝绳生产的发展，钢丝绳做整绳破断拉力试验逐渐受到生产 厂家的重视，像出口的钢丝绳以及国内石油钻井用钢丝绳都要求做整绳破断 拉力试验。此外国家金属制品质量监督检验中心钢丝绳产品审查部规定产品 标准中未规定必须做钢丝绳整绳破断拉力试验的企业必须规定定期进行钢丝 绳整绳破断拉力项目检验，无检验设备的企业应定期对该检验项目进行委托 检验，由此可见钢丝绳的整绳破断拉力试验在钢丝绳的机械检验中起到越来 越重要的作用。 哈尔滨- j 旱大学硕十学位论文 1 3 3 钢丝绳疲劳试验 疲劳试验是将钢丝绳试样绕在试验机的主动轮和试验轮上，然后施加一 定的负荷，主动轮按一定的角度往返摆动，使钢丝绳在滑轮槽内受到一定的 张力并作反复弯曲运动，直至试样断丝或断股为止，计算其耐久性或反复弯 曲次数。 钢丝绳疲劳试验n q 方式包括：脉冲疲劳试验和弯曲疲劳试验。脉冲疲劳 试验是将钢丝绳试样的两端固定在试验机上并施加一定的张力，试验机发出 一定频率的脉冲振动，使试样在定的张力和频率下产生脉冲振动，直至试 样局部或全部破坏为止，测定其脉冲次数。这种试验方法主要用于检验架空 索道、吊桥、及各种高构件的钢丝绳的性能。弯曲疲劳试验是模拟钢丝绳在 各种提升时的受力状况。试验时将钢丝绳固定在试验机的轮槽内，外加一定 负荷，使钢丝绳在一定负荷下反复弯曲，直至钢丝绳试样断丝或断股。试验 的弯曲次数即是钢丝绳试样的耐疲劳次数。 钢丝绳的拆股试验和整绳拉伸试验都是在对钢丝绳处于静态下的质量检 验，实际上钢丝绳在运行状态下每根钢丝都承受着静拉力、扭曲应力、弯曲 应力、挤压应力、接触应力和捻转应力的复合交替作用，这与钢丝绳静念下 检验状态有很大区别，对钢丝绳只做拆股试验或拉伸试验都不能真实反映钢 丝绳的性能优劣。而疲劳试验时钢丝绳的受力状态和其现实使用条件基本相 似，试验的结果能准确地反映钢丝绳的质量和使用寿命，重要用途的钢丝绳 ( 如航空钢丝绳等) 的使用寿命检验必须对其进行疲劳检验。 本课题所设计的钢丝绳试验台就是应用疲劳检验方法模拟各种现实工况 对钢丝绳做疲劳试验来检验其机械性能的。 1 4 钢丝绳疲劳试验机的发展状况 在钢丝绳出现后不久，用来检验钢丝绳性能优劣的试验机就产生了，对 钢丝绳的安全使用起到了很好的“把关”作用。钢丝绳疲劳试验机目前在国 内外没有定型的结构，常见的试验机按照主动轮和试验轮的安装方位分为两 4 哈尔滨_ 亡程大学硕士学何论文 i i 种类型卜m ：立式疲劳试验机和卧式疲劳试验机。 立式疲劳试验机的主动轮和试验轮是上下安装的，由电机通过偏心机构 带动主动轮以一定角度进行反复摆动，试验轮的下端用加砝码的方法使试样 产生一定张力起到给钢丝绳加载的目的。在钢丝绳的使用过程中随着时间的 推移钢丝绳会不断伸长，试样上的张力将会变小，为了使试样的张力保持不 变，可通过增加砝码来调节。这种试验机由于施加的载荷较小一般只用于做 直径3 0 m m 以下钢丝绳的疲劳试验。其结构简图如1 1 所示。1 。 ： 图1 1 立式疲劳试验机 试蝣色主动轮 图1 2 卧式疲劳试验机 卧式疲劳试验机的试验轮和主动轮是水平安装的，采用液压或电动的方 哈尔滨：1 ：程人学硕十学何论文 法给试样施加张力。由于液压系统的维护和操作不如电动方便明，一般采用 电动加载。相比于立式疲劳试验机，卧式试验机施加载荷较大，这种疲劳试 验机一般做直径在3 0 m m 以上钢丝绳的疲劳试验。其结构简图如1 2 所示。 除了上述两种传统结构形式的疲劳试验机外，很多地方要求钢丝绳在特 定工况下工作，这需要按照真实工况来模拟钢丝绳的运行状态检验其性能的 优劣，于是就出现了很多专项的疲劳试验机。这类试验机只在特定的模式下 模拟钢丝绳的运行状态，通用性较小。如图1 3 所示的模拟港口集装箱起重 机起升卷绕系统工作状态的试验机口训就属于此类疲劳试验机。 7 加载油缸 )(p 趱厂1 继u)( ) 八 、 i i j i i ， ) 0 1 ) i i i i i i。1 1 日n (n ( i 1 ll i )( q 收放卷筒 图1 3 港口起重机钢丝绳疲劳试验机 通过上述介绍，综合评比几种疲劳试验台可以看出，立式和卧式两种传 统结构形式疲劳试验机的工作特点是：主动轮只在一定的弧段内反复摆动带 动钢丝绳试样做单向反复直弯运动，钢丝绳移动的行程很短，速度不高，这与 许多钢丝绳生产应用的实际工况差别较大，就造成从这些传统试验台上所得 的一些研究结论不符合实际情况。相对于传统疲劳试验机，专项疲劳试验机 结构较为复杂，实现功能多，但其通用性较小应用范围窄。 为了克服传统钢丝绳疲劳试验机模拟钢丝绳的实际工况真实性差、专项 疲劳试验机应用范围窄等不足，新试验机在结构设计上集立式疲劳试验机结 6 哈尔滨丁程大学硕士学何论文 构简单、空间紧凑，卧式试验机载荷大，钢丝绳张力计算精确等优点于一体 设计出独特结构形式的试验机。并在此基础上增加了这些传统疲劳试验机所 欠缺的检验钢丝绳抗冲击性能的冲击系统，同时采用先进的计算机自动控制 系统及性能检测手段来获取精确的实验数据。总之本科题所设计的钢丝绳试 验台是集传统疲劳试验机、专项疲劳试验机的优点于一身，具有结构紧凑、 功能较强、试验钢丝绳种类多、模拟工况真实性好等特点，为提高钢丝绳产 品的质量检验做出了一定的贡献。 1 5 课题研究的意义 钢丝绳试验台主要对多家承制厂试制的钢丝绳进行性能测试、筛选和寿 命对比，以便能公平、公正、合理地鉴别出各制造厂家产品性能的优劣，为 钢丝绳择优提供科学的测试依据和判断依据。 课题的研究成果直接面向工程应用，对开发与研制检验钢丝绳性能装置 和仪器具有重要的指导作用，很大程度上促进钢丝绳检验技术与仪器的发展 与完善，有助于钢丝绳使用部门正确执行行业安全规程，实施国家检测标准 技术，使钢丝绳管理更加科学。 1 6 课题研究的内容 论文所做的工作主要包括以下几个方面： 1 结合立式、卧式传统钢丝绳疲劳试验机的特点，确定试验台的设计方 案设计出新型钢丝绳试验机的机械结构，并利用三维设计软件p r o e 建立几 何模型，为接下来有限元分析及机械结构的投产奠定基础。 2 应用大型有限元分析软件a n s y s 对试验台的载荷加载机构、推力滑 轮机组等力学性能要求较高部件建立有限元模型，采用接触分析方法对模型 进行有限元分析。 3 根据分析结果得出各主要部件的应力分布及变形云图，分析部件的应 力、应变规律，并根据结果改善力学性能较为薄弱的部件的设计形式。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第2 章钢丝绳试验台方案设计 2 1 试验台设计方案的选择 现有钢丝绳试验机在工程应用中存在很多不足，如传统的疲劳试验机的 加载性能弱、钢丝绳移动长度短速度慢、模拟实际工况能力差，专项疲劳试 验机的应用范围小等。本课题所设计的钢丝绳试验台，应该针对这些不足， 通过改进试验台的结构形式使钢丝绳能够在承受重载情况下快速大幅度的移 动。此外在实际应用中经常发生钢丝绳被撞击的情况，这就使绳的张力挠曲 急剧变化，对钢丝绳产生冲击作用。因而该试验台还应添加检验冲击对钢丝 绳性能影响的功能。 总体方案设计是试验台设计的核心环节，是保证试验台设计水平和质量 的重要步骤。方案设计过程是创造性思维过程，其主要工作内容包括研究给 定的设计任务、构思实现功能的原理和方法、拟定设计方案并进行设计方案 评价，确定能实现预定设计目标的最佳方案。 2 1 1 设计方案1 该方案中试验台主要包括飞轮机组、凸轮加载机构、滑架机构三部分。 其结构原理如图2 1 所示。 飞轮机组是整个试验台的动力装置，飞轮由变频电机带动至试验需求的 转速，然后吸合凸轮离合器可带动凸轮加载机构运作给钢丝绳加载。 凸轮加载机构由凸轮、推力杆、加载弹簧、推移箱组成。推力杆的头部 与推移箱契合成活塞状，其内中空装有加载弹簧；推移箱底部装有滑块与导 轨相连接，可通过推移箱启动电机运作带动蜗轮蜗杆推移机移动蜗杆，实现 推移箱的纵向移动。加载时，凸轮旋转推动推力杆向前移动，压缩加载弹簧， 进而将载荷通过推移箱传递给钢丝绳。此方案中钢丝绳张力的变化曲线就是 凸轮轮廓曲线、凸轮转速与弹簧参数的合成曲线，调整三者中的任一项，都 可以改变钢丝绳的张力状态。当凸轮的轮廓曲线变化较为急剧，凸轮转速较 r 哈尔滨工程大学硕士学位论文 大，弹簧刚度较大时凸轮运转可对钢丝绳产生冲击载荷。 滑架机构由滑架、导轨，启动电机组成。滑架上安装有两个定滑轮，当 尾钩向前顶钢丝绳时，钢丝绳可绕着这两个定滑轮产生挠曲，增大绳内的张 力。通过滑架启动电机带动蜗轮蜗杆推移机可实现滑架的纵向移动。它的作 用主要是和推移箱相配合，二者协调移动的使钢丝绳对于尾钩产生相对运动， 从而实现钢丝绳横移的目的。 1 凸轮制动器；2 凸轮离合器；3 推移箱启动电机；4 推移箱传动离合器； 5 滑架启动电机：6 滑架传动离合器；7 滑轮 图2 1 方案l 原理图 2 1 2 设计方案2 该方案中试验台主要由横移系统和冲击系统两部分组成，是相对独立的 两个系统，这使得试验台可以很便捷的对钢丝绳分别做冲击和横移试验。其 结构原理如图2 2 所示。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 冲击卷简回拖离合器；2 冲击卷筒制动器；3 冲击卷筒启动离合器； 4 横移卷筒回拖离合器；5 横移卷筒制动器；6 横移卷筒启动离合器； 7 蜗轮蜗杆推移机回拖离合器：8 冲击车牵引钢丝绳 图2 2 方案2 原理示意图 横移系统主要实现试验台对钢丝绳横移的功能。系统由飞轮1 机组、横 移卷筒轴系、推力滑轮机组、加载机构四部分组成。其中飞轮1 机组是动力 装置；横移卷筒轴系主要控制钢丝绳的移动速度、长度及移动方向；推力滑 轮机组主要用来给钢丝绳定期预紧；加载机构用来给钢丝绳加载，为螺旋加 载方式，由蜗轮蜗杆推移机推动推移箱体给钢丝绳加载。飞轮1 机组与横移 卷筒轴系和加载机构通过链传动连接，当飞轮达到试验需求的转速时闭合加 载机构输入链轮机组中的离合器，飞轮就会带动加载机构运作给钢丝绳加载， 绳中张力达到要求后将离合器断开，接着闭合横移卷筒轴系中的离合器，飞 l o 哈尔滨r 干旱大学硕十学位论文 i ii-i- i - i i i i i 葺 轮带动横移卷筒旋转移动钢丝绳，从而实现钢丝绳在被施加载荷情况下横移 的功能。 冲击系统主要实现试验台检验钢丝绳抗冲击能力的功能。系统由飞轮2 机组、冲击卷筒轴系、冲击车、冲击轨道四部分组成。飞轮2 机组为整个冲 击系统提供动力；冲击卷筒轴系主要控制牵引冲击车的钢丝绳的移动速度、 长度及移动方向；冲击车是用来撞击钢丝绳的部件：冲击轨道则是为冲击车 的移动提供线路。飞轮2 机组与冲击卷筒轴系通过链传动连接，飞轮达到试 验需求的转速时闭合轴系上的离合器可带动冲击卷筒移动牵引钢丝绳，带动 冲击车撞击钢丝绳。 2 1 3 方案比较 两种方案的动力装置相同，都是由飞轮为加载机构提供动力。但在加载 方式、钢丝绳冲击横移的实现方式上差别很大，现就针对这些区别比较两种 方案的优劣： 1 加载方式的比较 方案l 为凸轮加载方式，施加载荷的大小由凸轮轮廓曲线及加载弹簧的 刚度共同决定。当凸轮和弹簧选定后，凸轮所施加的载荷范围就确定了，若 试验要求载荷超出这个范围此凸轮加载形式就很难满足。若钢丝绳的载荷需 要维持在特定值，这样的凸轮装置就难以实现。方案2 为螺旋加载方式，由 蜗轮蜗杆推移机通过向前移动蜗杆顶着钢丝绳曲张变形使其张力不断增大， 当选用推移机的蜗杆足够长且其强度满足要求时可对钢丝绳施加很大载荷， 此外由于螺旋传动具自锁性可使蜗杆停在任意位置，从而可以使钢丝绳的载 荷维持在可施加范围的任一数值，这非常适合对钢丝绳横移试验载荷需求多 样化的情况。 2 横移实现方式比较 方案l 中的钢丝绳基本不动，当推移箱和滑架的纵向协调运动时，钢丝 绳与尾钩间有相对运动，通过这种方式来实现钢丝绳的“横移”。此种横移方 哈尔浜工程大学硕七学位论文 式下钢丝绳的移动速度小和长度短，难以实现那些要求移动快距离长的横移 试验。方案2 钢丝绳的横移是通过横移卷筒旋转来实现的，横移卷筒由飞轮 带动可快速旋转，进而可以使钢丝绳快速长距离移动。 3 冲击实现方式比较 方案1 中钢丝绳的冲击载荷是由凸轮的加载曲线、凸轮旋转速度、弹簧 参数共同决定的。只有在凸轮加载曲线变化急剧、凸轮旋转速度较大、弹簧 刚度较大时装置对钢丝绳冲击效果才明显。由于凸轮又是横移试验加载机构 的一部分，改变凸轮的加载曲线时，就会造成横移试验和冲击试验的载荷施 加冲突，很难使两者兼得。方案2 钢丝绳的冲击载荷是通过冲击车的撞击来 实现的，冲击车由冲击卷筒带动可快速移动，对钢丝绳产生较大的冲击效果。 综上所述可知，方案2 在加载方式、钢丝绳冲击横移的实现方式上较方 案l 有很大的优势，故试验台设计选择方案2 ，即采用双飞轮驱动、双卷筒 联动运行方式及螺旋加载形式的结构特点来设计试验台。 2 2 试验台的优越性 试验台设计方案确定后较传统的疲劳试验机有很多的改进，主要体现在 如下方面： 1 动力装置的改进 新型试验台的动力由飞轮b 提供，当飞轮达到额定转数后可依靠其大的 转动惯量带动卷简高速旋转，从而实现钢丝绳的快速移动。对比以往的试验 机不仅提高了钢丝绳的移动速度，还大大降低了对启动电机功率的要求。 2 滑轮机组结构形式的改进 新型试验台上的滑轮采用的是立式安装模式，不同于立式疲劳试验机采 用增加砝码来调节滑轮间距，该滑轮机组可通过机组内的螺旋丝杠来调节间 距，这就使滑轮的调节与钢丝绳的加载脱节增加了滑轮机组工作的独立性。 由于滑轮机组是由螺旋丝杠旋转产生的推力来调节间距的以下就将该机组称 为推力滑轮机组。 1 2 哈尔滨下稃人学硕十半：何论文 3 加载机构的改进 新型试验台的加载采用的是螺旋传动卧式加载方式，螺旋传动【2 2 1 具有传 动比大、精度较高、能够实现自锁、结构简单、传动平稳等优点广泛应用于 机械生产的各个领域。采用这种加载方式可比立式疲劳试验机的砝码加载施 加更大的载荷，比卧式疲劳试验机中的液压加载更易控制。 2 3 本章小结 本章主要介绍了两种试验台的设计方案，两种方案都以试验台要实现对 钢丝绳的冲击横移功能为出发点进行设计。虽然两方案的动力装置都采用飞 轮驱动，但在加载机构、钢丝绳的冲击横移实现方式方面区别很大，经过综 合比较最终选定方案2 的设计思路，确定了试验台双飞轮驱动、双卷筒联动 的运行方式及螺旋加载的载荷施加形式。同时对比传统的疲劳试验台该新型 试验台在动力装置、滑轮预紧机构及加载机构方面都进行了改进使其具有很 大的优越性。 哈尔滨：1 ：稗人学硕+ 学位论文 第3 章钢丝绳试验台结构设计 3 1 试验台整体结构设计要求 试验台结构设计的任务是根据所确定的试验台设计方案将抽象的试验台 工作原理具体化为某类构件或零部件，以实现钢丝绳试验台所要求的功能。 应注意在确定结构零部件的材料、形状、尺寸、公差同时，还须考虑其加工 工艺、热处理工艺以及与其它零件相互之间装配关系等问题。 试验台要实现的功能主要为钢丝绳的疲劳试验和冲击试验，据此可将试 验台分为横移系统和冲击系统两部分。横移系统的功能主要是实现钢丝绳做 疲劳试验时能够按试验要求移动，包括钢丝绳移动的方向、速度及移动长度。 冲击系统的功能主要是在对钢丝绳做冲击试验时检验钢丝绳在张力、挠曲急 剧变化时的性能。 总之，钢丝绳试验台结构设计的基本要求为：结构简单紧凑，满载试验 时满足刚度和强度要求，能够承受在冲击车撞击钢丝绳时所产生的冲击和振 动，运行过程平稳可靠。 设计的参数要求：试验台拟检验钢丝绳绳径的范围为：2 6 4 0 m m ：横 移试验时钢丝绳在1 s 内达到最大横移速度，且该速度值v 3 m s ；冲击试验 时冲击车在l s 内达到最大冲击速度。 3 2 试验台横移系统结构设计 横移系统由飞轮l 机组、横移卷筒轴系、推力滑轮机组和加载机构组成。 3 2 1 飞轮1 机组 飞轮l 机组是横移系统的动力源，它为钢丝绳的移动提供动力。飞轮开 始由变频电机带动旋转到额定转数，然后通过链传动带动横移卷筒转动实现 钢丝绳的移动。其结构示意图如图3 1 所示。 1 4 坠i ：鋈三垒奎茎鎏圭茎堡鎏圣 l 1 加载机构启动链轮：2 横移卷筒轴系启动链轮；3 飞轮1 支撑座； 4 飞轮1 ；5 飞轮1 机组启动电机 图3 1 飞轮1 机组结构示意图 为了便于加工制造，飞轮由6 片直径1 6 m ，宽8 0 r a m 的铸钢片通过双头 螺柱连接组合为一体。其转动惯量约为2 4 0 9 k g m 2 ，是很好的储能元件，其 实体结构如图3 2 所示。 图3 2 飞轮实体结构 带动飞轮的变频电机可根据输入频率的大小调节转数，机组选用的是 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 y j t g 变频调速电机，其最大转数是7 5 0 r m i n 。由于飞轮的转动惯量较大，为 了设备能够安全运行，在电机与飞轮采用传动比为2 ：1 的链传动连接，则飞 轮的最高转速为3 7 5r m i 。这样一方面确保飞轮的安全运行转速，另一方面 可增大电机的启动转矩降低了对电机启动功率的要求。同时考虑到链传动效 率的影响田1 ，横移卷筒的转速大约可在0 3 0 0 r m i n 范围内任意调节。 3 2 2 横移卷筒轴系 横移卷筒轴系主要调节钢丝绳移动的方向、速度及正反方向的转换频率。 轴系上的零部件主要包括：横移卷筒、制动器、离合器和卷筒回拖电机。钢 丝绳试样的两端分别固定在卷筒的两端，当飞轮1 通过链传动带动横移卷简 旋转时，通过调节卷筒轴系上制动器、离合器的开合时间来灵活控制卷筒与 飞轮之间传动的开断来调节卷筒的转动时间与速度，当卷筒的缠入端被钢丝 绳缠满时卷简停止旋转，此时钢丝绳的移动距离最大，然后回拖电机启动把 卷筒恢复到初始位置。如此循环，实现钢丝绳的往复运动。 1 横移卷筒的设计 横移卷筒是单层双联卷筒1 ，钢丝绳的两端用压块分别固定在卷筒的两 端。卷筒的直径大小由钢丝绳直径来决定。因为钢丝绳是挠性件，当缠绕在 卷筒上时，若卷筒筒径太d , n 钢丝绳可能因弯曲变形大而影响其机械性能口5 1 。 根据经验公式取卷筒的计算直径( 缠绕在卷筒上钢丝绳中心算起的卷简直径) 2 0 倍于钢丝绳直径担6 1 取卷筒计算直径为8 0 0 m m 。因为钢丝绳横移时卷筒的 最大转动速度为3 0 0 r r a i n ，则钢丝绳的最大移动速度约为1 2 m s 。 卷筒铸造而成，铸造卷筒厚度由经验公式( 3 1 ) 可得出。 万o 0 2 d o + ( 6 一l o ) ( 3 1 ) 式中：或卷筒的计算直径，m m 计算得卷筒厚度万2 6 m m ，中间有六条宽4 0m i 1 辐射式轮辐加强卷筒 的强度。为保证卷筒的安全性能及卷筒壁和轮辐间的铸造性能，最终取 艿4 0 r a m 。 1 6 哈尔滨丁程大学硕七学位论文 横移卷筒长度包括缠绕钢丝绳部分、两端挡边及中间隔块三部分。其中 卷筒上缠绕钢丝绳部分的长度和卷筒的总长度计算公式分别由公式( 3 2 ) 、 ( 3 3 ) 所示： j r 厶= 蔫+ z 1 ) p i ；3 - 2 式中：日一缠绕在卷筒上的钢丝绳的最大长度，m 线_ 卷筒的计算直径，m m z l 钥丝绳的安全圈数 尸节距，r a i n 取饥取= 1 0 m ，z l = 1 8 ，p = 4 1 r a m ，计算得z , o = 2 3 7 m m 。 z d = 2 ( 厶+ 厶+ 岛) + m ( 3 3 ) 式中：厶卷筒端部挡边宽度，m i l l 厶固定钢丝绳的长度，厶= 3 p ，1 1 1 1 1 1 m 卷筒中间挡边宽度，m m 取厶= 5 0 m m ，厶= 3 p = 3 x4 1 = 1 2 3 m m ，m = 3 0 r a m ，计算得 l d = 8 5 0 m m 。 则横移卷筒的转动惯量计算公式由( 3 - 4 ) 所示： j = j 、j 1 以：华业8 ( 3 - 4 ) 4 l j 。， 上：6 丝 1 2 式中：以卷筒外圈的转动惯量，k g m 2 以卷筒辐条的转动惯量，k g m 2 口卷筒的外径，m d 卷筒的内径，r r l m 单个辐条的质量，k g 把前面计算所得数据带入公式可得横移卷筒的转动惯量 j = 1 9 2 6 k g m 2 。 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 横移卷筒轴设计 钢丝绳移动时横移卷筒上的受力情况较为复杂，承受着钢丝绳加速所产 生的扭矩、卷筒加速旋转时产生的扭矩、钢丝绳对卷筒所产生的弯矩伫7 1 ，在 计算卷筒轴时应该把这些因素都考虑在内。 1 ) 钢丝绳加速所需扭矩m m = 聊喁 ( 3 5 ) 式中：m 钥丝绳试样的质量，埏 a 钥丝绳转动时的加速度，l s 2 试验台结构布局确定后，其可试验的钢丝绳长度约为2 5 m ，按采用最粗 绳径4 0 l i l n l 的钢丝绳计算，此时钢丝绳质量为1 6 2 5 蚝。试验台设计要求钢丝 绳在l s 内达到最大移动速度，则a = 1 2 m $ 2 ，最终计算得m = 7 8 0 n m 。 2 ) 卷筒加速所需扭矩旭 m 2 = j x c ( 3 - 6 ) 式中：，横移卷筒的转动惯量，k g m 2 占卷筒转动时的角加速度，r a d s 2 由钢丝绳最大移动加速度口= 1 2 m s 2 可得卷筒的最大角加速度为 s = 3 0 r a d s 2 ，则卷筒加速扭矩m ，= 5 7 7 5 n m 。 则横移卷筒轴所承受的总扭矩坂= m + 鸩= 6 5 5 5 n m 。 3 ) 钢丝绳对卷筒所产生的弯矩 横移卷筒是双联卷筒，钢丝绳试样的两端通过压块固定在卷筒上。当加 载时，钢丝绳内张力会对卷筒产生一个弯矩作用，受力作用简图如3 3 所示。 f；ff f f 1 图3 3 卷筒所受弯矩作用简图 当钢丝绳缠满卷筒卷入端时，两股钢丝绳都处于靠近卷筒中间截面位置， 1 8 哈尔滨工程火学硕士学位论文 此时钢丝绳拉力集中作用在卷筒中部，对卷筒产生的弯矩最大，其计算式如 式( 3 - 7 ) 示。 m ：生兰 ( 3 7 ) 2 式中：f 钢丝绳中的张力大小，n 上卷筒两端支撑的距离，m 钢丝绳的最太张力为f = 5 0 0 k n ( 由加载机构最大加载力知) ，l 约为 0 8 5 m ，则得虬= 2 1 2 5 0 0 nm 。 卷筒轴端的直径由公式( 3 - 8 ) 可得： d ( 3 8 ) 式中： 以一许用疲劳应力。轴材质选4 0 c ，其【t 门= 2 0 0 m p a ，则卷简 轴最小轴径d 2 1 98 8 m m ，取d = 2 2 0 m m 。横移卷筒轴系结构如3 4 所示。 寓台嚣制动器横移卷筒回拖电机 图3 4 横移卷筒轴系结构图 3 2 3 推力滑轮机组 推力滑轮机组是钢丝绳张紧或卸载的调节机构，由螺旋丝杠、推力杆和 滑轮组成。推力滑轮机组和一个定滑轮机组组成了试验台的张紧机构，为了 节省空间这两个滑轮机组采用立式安装形式。其中推力滑轮机组的滑轮轴支 座卡在安装在机架上的支座槽内，当调节螺旋丝杠时可推拽滑轮沿着支座槽 盆 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 上下移动起到给钢丝绳张紧或卸载的目的。丝杠头部为台阶轴状，安装着丝 杠挡块，通过挡块连接，丝杠和推力杆轴向位置相对不变，这样就便于回旋 丝杠时能带动滑轮往返移动。推力杆中空，内装压力传感器，试验时可通过 传感器获得准确的钢丝绳张力数据。其结构示意图如图3 5 所示。 1 丝杠螺母；2 推力丝杠；3 推力杆；4 滑轮支撑座；5 滑轮轴；6 滑槽； 7 滑轮；8 传感器底块；9 传感器：10 传感器帽；11 丝杠挡块 图3 5 推力滑轮机组结构示意图 推力滑轮机组的滑轮轴主要承受弯矩作用。受力作用简图如图3 6 所示。 图3 6 推力滑轮轴受力简图 。 轴材料选4 0 c r ，其许用疲劳应力 疋。】= 2 0 0 m p a 。其中钢丝绳中张力 f = 5 0 0 k n ，卷筒两端支撑点间距三= 0 5 7 m ，由公式( 3 7 ) 得滑轮轴所受 弯矩帆= 1 4 2 5 0 0 n1 1 2 。由公式( 3 8 ) 计算得推力滑轮轴轴径d 1 9 25 r a m ， 取d = 2 0 0 m m 。推力滑轮机组的实体结构图如图37 所示。 i 卵_ _ 8 8 8 ” 妒：一黑 函g 鼍： 毹愚 图37 推力滑轮机组结构刚 324 加载机构 加载机构是用来给钢丝绳加载的个部件组合，主要由蜗轮蜗杆推移机、 冲击车和推移箱三部分组成，这三部分的功能及结构形式分别介绍如下： 蜗轮蜗杆推移机是整个加载机构的动力源，它采用的是蜗轮蜗杆啮合传 动方式。其最大加载力为5 0 0 k n ，蜗杆最大推移距离5 0 0 m m 。 冲击车在钢丝绳冲击试验和疲劳试验中都会使用，冲击试验时是用来撞 击钢丝绳的物件；疲劳试验时它是加载机构中用来传递力的中间媒介。冲击 车主要是通过牵引钢丝绳拖拽着在轨道中运行，它的四面各装有两组轴承t 这些轴承一方面起到“车轮”的作用，另一方面可以限制冲击车在运行过程 中产生位置偏差。此外冲击车头部形状很特别，为了便于卡住钢丝绳将其做 成带u 形槽的物块。冲击车的实体结构如图3 8 所示。 藤 图3 1 冲击车实体结构图 推移箱是加载过程中承载冲击车的载体，上下各有四个滑块与机架上的 滑轨午同连接。在箱体中部竖起个三角顶块，起顶着冲击车给钢丝绳加载的 作用。 钢丝绳张紧后，飞轮1 机组通过输入链轮机组带动蜗轮蜗杆推移机向前 移动，推移箱内的冲击车会由头部凹槽顶着钢丝绳不断曲张，使钢丝绳巾的 张力越来越大从而达到对其加载的目的。推移机构对钢丝绳的卸载，可山凹 拖电机带动推移机向后移动蜗杆来实现，钢丝绳加载机构的三维模型及实体 结构分别如图3 9 和31 0 所示。 图39 钢丝绳加载机构结构图 。坠垒鋈三笙奎兰至圭耋堡鎏圣 图3 1 0 加载机构实体结构 由前面的介绍可知，加载时钢丝绳中张力的大小与螺旋推移机蜗杆的推 移距离相关。随着蜗杆不断向前推移钢丝绳变形随之逐步增大，此时绳中的 张力会越来越大。加载时的作用简图如31 i 所示。 圈3 1 1 钢丝绳加载示意图 钢丝绳的刚度为 ：ae(3-9) l 式中：4 钢丝绳的横截面积，m r r t 2 e 钢丝绳的弹性模量， v p a 三钢丝绳试样的长度，m 当螺旋推移机将钢丝绳推移三1 时，钢丝绳的变形量上为 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t t l ：c y _ 塑r + 2 r c o s a 5 + 2 l 1 - 2 r 一日 = + 一一爿 9 0 查竺( 3 1 0 ) 14 r 2 4 r l l + 日2 + 4 h 2 l 1 2 8 r l l h 2 口2 洎n i - _ 一 日2 + 4 l 1 2 8 l 1 r + 4 r 2 式中：r 滑轮的直径，m i l l 日两滑轮间距，i i l 则钢丝绳的张力f 为 f ：k a l ：a e z u l( 3 1 1 ) 3 3 试验台冲击系统结构设计 钢丝绳使用过程中，如果运行速度频繁发生急剧变化，将造成冲击载荷， 在很大程度上影响钢丝绳的使用性能，因而对其做冲击试验也是检验钢丝绳 性能的重要环节之一。然而以往传统钢丝绳疲劳试验机主要针对钢丝绳做拉 伸试验或是疲劳试验，很少把冲击试验作为其试验内容，这是传统钢丝