[發明專利]千米深井提升鋼絲繩多軸微動腐蝕疲勞損傷監測裝置及方法

有效

• 申請號: 201610093465.5
• 申請日: 2016-02-19
• 公開（公告）號: CN105588750B
• 公開（公告）日: 2018-03-16
• 發明（設計）人: 王大剛;王祥如;李曉五
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01N3/02
• 分類號: G01N3/02
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 周中民

技術領域

本發明專利涉及千米深井提升鋼絲繩多軸微動腐蝕疲勞損傷監測裝置及方法，用于研究不同的腐蝕溶液介質、溫度環境和多軸微動疲勞參數下千米深井提升鋼絲繩拉-扭多軸微動腐蝕疲勞損傷演化機制。

背景技術

在我國，53％的已探明煤炭資源深埋在千米地層以下，多繩摩擦式提升系統(包括提升機、提升鋼絲繩、提升容器等)以其提升能力大、提升高度大、提升速度快、安全系數高和機器尺寸小等優點被廣泛應用于千米深部立井提升中，擔負著提升煤炭、下放材料、升降人員和設備的任務?！睹旱V安全規程》規定：摩擦式提升系統的提升鋼絲繩使用時間不超過兩年，在我國淺部礦井全部適用，甚至可以根據實際使用情況延期一年。然而，千米立井提升鋼絲繩服役壽命平均不超過6個月，因而，探究千米立井提升鋼絲繩失效機制，對提高千米立井提升系統安全可靠性、保障生命財產安全和國家煤炭能源供應，顯得尤為重要和緊迫。

在千米深部立井提升過程中，提升鋼絲繩因循環提升和下放提升容器而反復地承受拉伸、彎曲和扭轉載荷；同時，提升機的加速、勻速和減速特性和時變的懸垂鋼絲繩長度導致立井提升系統的橫向與縱向耦合振動特性，進而引起提升鋼絲繩的動態載荷。因此，循環的拉伸、彎曲與扭轉載荷以及橫向-縱向耦合振動載荷均會導致提升鋼絲繩(以一定捻角由絲捻成股、股捻成繩的復雜螺旋結構)內部鋼絲間的接觸載荷和相對滑移，即微動磨損；微動磨損與循環的拉伸、彎曲載荷、動載荷與扭轉載荷的共同作用導致鋼絲的多軸微動疲勞。千米深井提升具有大淋水(酸堿度pH值范圍是6～9的腐蝕溶液)、大運距和高地溫(平均地溫增高率(地溫梯度)為2～4℃/(100m)，采用通風降溫將井底溫度控制在30℃以內)的特點；提升鋼絲繩循環地在井底和地面之間提升，使得提升鋼絲繩的溫度變化范圍為-20℃～30℃。因此，多軸微動疲勞、腐蝕和溫度的共同作用導致溫度效應下鋼絲的多軸微動腐蝕疲勞，進而引起鋼絲多軸微動腐蝕疲勞磨損以及多軸微動腐蝕疲勞裂紋萌生、擴展和最終斷裂，最終導致提升鋼絲繩的提前報廢。因此，提出一種千米深井提升鋼絲繩多軸微動腐蝕疲勞損傷監測裝置及方法，揭示溫度效應下提升鋼絲繩的多軸微動腐蝕疲勞損傷演化機制(微動腐蝕疲勞磨損演化和微動腐蝕疲勞裂紋擴展)，對探索超深立井提升鋼絲繩服役壽命長短有重要的理論指導意義。

有關微動疲勞方面的實驗裝置有：專利號為CN201510311531.7公開了一種接觸載荷實時可調的微動疲勞試驗方法及試驗機，能夠實現接觸載荷實時變化的微動疲勞試驗，用于研究接觸載荷、振幅和頻率對微動疲勞損傷機制的影響，但不能考慮扭轉載荷、溫度和腐蝕環境的影響；專利號CN201410525508.3公開了一種鋼絲多軸微動疲勞試驗裝置及方法，能夠實現拉-拉疲勞、扭轉和變交叉角擺動等復合運動模式下鋼絲的多軸微動疲勞實驗，但不能考慮腐蝕和溫度環境因素的影響；專利號CN201210062350.1公開了一種試驗環境可控的多向微動疲勞試驗機及其試驗方法，能夠實現人工控制的特定氣氛和/或液體環境中材料的多向微動摩擦磨損行為研究，但不能考慮扭轉載荷和溫度因素的影響；專利號CN200910182122.6公開了一種鋼絲微動疲勞試驗機及方法，能夠實現微動磨損和軸向疲勞應力共同作用下鋼絲微動疲勞實驗，但不能考慮扭轉載荷、溫度和腐蝕溶液環境因素的影響；專利號CN200810304928.3公開了一種疊加磨損載荷的軸向疲勞實驗方法及裝置，能實現剛性試件的軸向疲勞和橫向磨損作用，但不適于柔性鋼絲試樣，同時不能考慮扭轉載荷、溫度和腐蝕溶液環境因素的影響。

發明內容

發明目的：本發明目的是解決現有設備和技術的不足，并提供了一種結構簡單、功能齊全、操作方便的試驗裝置及方法，可以模擬淋水和不同溫度環境中振動和沖擊工況下千米深井提升鋼絲繩拉-扭多軸微動腐蝕疲勞失效。

為了實現上述目的，本發明采用了如下的技術方案：一種千米深井提升鋼絲繩多軸微動腐蝕疲勞損傷監測裝置，包括基架以及設置在基架上的微動系統、拉-扭疲勞系統和恒溫腐蝕系統；

所述恒溫腐蝕系統包括耐腐蝕箱體、恒溫控制系統、冷卻系統、電化學腐蝕系統，耐腐蝕箱體內注入腐蝕溶液，恒溫控制系統包括加熱元件和溫度控制柜，加熱元件置于腐蝕溶液中并與溫度控制柜相連，冷卻系統包括水泵、水箱和冷卻水管，水箱通過水泵與冷卻水管相連，冷卻水管纏繞于耐腐蝕箱體周圍，電化學腐蝕系統包括腐蝕液添加漏斗、電化學工作站、電極支架和放液開關，耐腐蝕箱體設置可拆卸的腐蝕液添加漏斗，電極支架通過螺釘連接在耐腐蝕箱體上，電化學工作站的電極放置在電極支架上，放液開關設置在耐腐蝕箱體底部；