鋼絲繩彎曲疲勞試驗機探析

摘 要:按照GB/T12347-1996的試驗原理新研制的礦用鋼絲繩彎曲疲勞試驗機采用液壓馬達驅動，直接實現180O平面反復彎曲運轉，具有通用性較強、頻率范圍寬、結構簡單、自動化程度較高等特點。鋼絲繩的連接采用去繩芯加鋼棒焊接對接。本文主要探討鋼絲繩彎曲疲勞試驗機及其應用。

關鍵詞:鋼絲繩;彎曲;疲勞;試驗機

中圖分類號:TD532 文獻標識碼:A 文章編號:1674-7712 (2012) 12-0156-01

自Berkeley大學的David Mar與Steven Tipping申請層間彎曲疲勞試驗專利以來，在國內尚未見到彎曲疲勞試驗技術的權威性著作及設計規范，國內當前只有少數學者對其進行研究，在理論和應用方面都存在一系列有待解決的問題:彎曲疲勞試驗的工作機理和動力特性;豎向荷載作用下的內力分布特點;彎曲疲勞試驗可靠性的研究;彎曲疲勞試驗鋼絲繩的設計方法。相信彎曲疲勞試驗技術的研究定會進一步促進鋼絲繩在工程中的廣泛的應用。

一、試驗機的研制

試樣為直徑16mm，長360mm的6×19S+FC(西魯式纖維芯結構)鋼絲繩，其兩端各有一長110mm的圓柱形套筒用于試驗機夾持，套筒表面里端刨出平臺用于安裝AE換能器。在結構自振周期超過1.0s后，結構加速度值隨自振周期的延長而減少，而位移隨自振周期的延長而增大，且在2.0-4.0s范圍內，位移的增大比較緩慢，因此，在Ⅱ類場地上，將彎曲疲勞試驗結構的自振周期控制在2.0-4.0s范圍內，可取得較好的彎曲試驗效果。結構自振周期為2.0-3.0s時，結構加速度有一個峰值，但位移峰值在3.5s左右，因此，在Ⅳ類場地上，鋼絲繩結構的自振周期宜控制在2s或>4s，否則彎曲疲勞試驗效果并不好。此外，《規程》還規定:彎曲疲勞試驗房屋兩個方向的基本周期相差不宜超過較小值的30%，原因是鋼絲繩所在場地在任何方向的設計反應譜通常是相同的，若鋼絲繩在兩個方向的基本周期相差過大，將導致兩個方向的彎曲疲勞試驗效果也差別很大，所以應對兩個方向的彎曲疲勞試驗周期的差別有所限制。循環加載試驗是在具有±250kN能力的Schenck電液伺服試驗機上進行。試驗參數設置為:循環頻率5Hz;循環載荷最大值S分別為破斷拉力Smax的35%、38%、4l%、44X，47%和50少;應力比尺=0，l。共對兩組鋼絲繩進行了AE測試。一組8根用于斷絲檢測及斷口分析，根據經驗及判廢規則將這組鋼絲繩的疲勞壽命定義為第6根斷絲時刻，故這組實驗只進行到6-8根斷絲為止。另一組4根鋼絲繩進行到完全失效，目的是檢驗其疲勞過程的AE表征情況。

疲勞試驗次數采用計數器直接數字顯示，可通過設置計數器的限值次數，當試驗次數達到設定值時，計數器停止計數，同時給控制系統發出信號，控制系統切斷電動機的運轉。另外，為防止試驗過程中樣品斷裂、損壞而導致試驗臺出現卡阻等情況，試驗臺設置了限位開關，在試驗張緊裝置超過正常的運動行程后，切斷控制系統和電動機的供電;同時在變頻器中設置最大允許電流，當試驗臺因為各種情況出現卡阻輸出電流增大時，自動切斷控制。

二、鋼絲繩的彎曲疲勞試驗

(一)鋼絲繩的彎曲疲勞試驗過程

在初步確定了各鋼絲繩支座的型號及參數后，還應確定出鋼絲繩的水平剛度和阻尼比等參數，然后將這些參數及上部結構參數代入計算模型，進行鋼絲繩結構的動力分析計算。當上部結構的水平疲勞試驗作用可降低至與假設的情況大致相同，且各鋼絲繩支座的位移都小于水平位移限值，鋼絲繩支座的布置才可確定。

一般而言，彎曲疲勞試驗裝置應具備如下的性能才能有效達到作用的目的:第一，彎曲疲勞試驗裝置不僅要能承擔上部建筑物的重量，而且在豎向荷載作用下變形較小，這是對其豎向承載力和豎向剛度的基本要求;第二，水平向須具有充分的柔度即較小的水平剛度，以延長結構的自振周期，減少上部結構的加速度反應和下部結構的層間剪力;第三，為了限制結構位移，使振動衰減，還必須有適當的阻尼。第四，建筑物的設計使用年限一般為50年，支座的耐久年限應不少于此。在偶然事件下(例如:火災)，支座應仍有一段時間在發揮作用。所以，作為工程設計人員，對彎曲疲勞試驗裝置的性能掌握的充分性與否，直接影響到彎曲疲勞試驗建筑設計的優劣程度。

(二)試驗機特點

新研發的液壓式礦用鋼絲繩彎曲疲勞試驗機有如下特點:

(1)通用性較強。“安裝前應對工程中所用的各種類和規格的原型部件進行抽樣檢測，每一規格和每種類的數量不應少于3個，抽樣合格率應為100%”。但是，多數情況下是設計人員依據彎曲疲勞試驗裝置生產廠家的產品目錄進行選用(我國尚未有統一的橡膠彎曲疲勞試驗支座工業規格)。所以，設計人員不但要熟悉彎曲疲勞試驗支座的各項性能，而且還應掌握對其進行試驗的方法，以確保彎曲疲勞試驗裝置的耐久性和力學性能。

(2)與實際工況基本一致。采用1:1的鋼絲繩卷繞試驗輪，與實際工況基本一致。

(3)頻率范圍寬。可在(20-120)次/min頻率范圍內進行試驗。

(4)自動化程度較高。設有光電在線計數裝置，液壓系統和液壓馬達使用專用控制箱，采用千斤頂加載和壓力傳感器測量并顯示負荷，并利用USB接口與電腦進行數據交換和儲存。

(5)結構簡單。試驗機共用一個油箱，采用不同規格的液壓泵給液壓馬達和加載油缸供油，占用空間小。

參考文獻:

[1]全國鋼標準化技術委員會.GB/T12347-1996鋼絲繩彎曲疲勞試驗方法[S].北京:中國標準出版社，2006

[2]全國鋼標準化技術委員會.GB8918-2006重要用途鋼絲繩[S].北京:中國標準出版社，2006

[3]傅泉臻.液壓式礦用鋼絲繩彎曲疲勞試驗機的研究[J].金屬制品，2011，10