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(qū)動，直接實現(xiàn)180O平面反復彎曲運轉(zhuǎn)，具有通用性較強、頻率范圍寬、結(jié)構(gòu)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(yīng)用。

關(guān)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(nèi)尚未見到彎曲疲勞試驗技術(shù)的權(quán)威性著作及設(shè)計規(guī)范，國內(nèi)當前只有少數(shù)學者對其進行研究，在理論和應(yīng)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(nèi)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(shè)計方法。相信彎曲疲勞試驗技術(shù)的研究定會進一步促進鋼絲繩在工程中的廣泛的應(yīng)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(jié)構(gòu))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(jié)構(gòu)自振周期超過1.0s后，結(jié)構(gòu)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(nèi)，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(jié)構(gòu)的自振周期控制在2.0-4.0s范圍內(nèi)，可取得較好的彎曲試驗效果。結(jié)構(gòu)自振周期為2.0-3.0s時，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guī)程》還規(guī)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(shè)計反應(yīng)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(yīng)對兩個方向的彎曲疲勞試驗周期的差別有所限制。循環(huán)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(shù)設(shè)置為:循環(huán)頻率5Hz;循環(huán)載荷最大值S分別為破斷拉力Smax的35%、38%、4l%、44X，47%和50少;應(yīng)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(jù)經(jīng)驗及判廢規(guī)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(shù)采用計數(shù)器直接數(shù)字顯示，可通過設(shè)置計數(shù)器的限值次數(shù)，當試驗次數(shù)達到設(shè)定值時，計數(shù)器停止計數(shù)，同時給控制系統(tǒng)發(fā)出信號，控制系統(tǒng)切斷電動機的運轉(zhuǎn)。另外，為防止試驗過程中樣品斷裂、損壞而導致試驗臺出現(xiàn)卡阻等情況，試驗臺設(shè)置了限位開關(guān)，在試驗張緊裝置超過正常的運動行程后，切斷控制系統(tǒng)和電動機的供電;同時在變頻器中設(shè)置最大允許電流，當試驗臺因為各種情況出現(xiàn)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(shù)后，還應(yīng)確定出鋼絲繩的水平剛度和阻尼比等參數(shù)，然后將這些參數(shù)及上部結(jié)構(gòu)參數(shù)代入計算模型，進行鋼絲繩結(jié)構(gòu)的動力分析計算。當上部結(jié)構(gòu)的水平疲勞試驗作用可降低至與假設(shè)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(yīng)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(jié)構(gòu)的自振周期，減少上部結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)和下部結(jié)構(gòu)的層間剪力;第三，為了限制結(jié)構(gòu)位移，使振動衰減，還必須有適當?shù)淖枘帷５谒模ㄖ锏脑O(shè)計使用年限一般為50年，支座的耐久年限應(yīng)不少于此。在偶然事件下(例如:火災(zāi))，支座應(yīng)仍有一段時間在發(fā)揮作用。所以，作為工程設(shè)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(shè)計的優(yōu)劣程度。

(二)試驗機特點

新研發(fā)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(yīng)對工程中所用的各種類和規(guī)格的原型部件進行抽樣檢測，每一規(guī)格和每種類的數(shù)量不應(yīng)少于3個，抽樣合格率應(yīng)為100%”。但是，多數(shù)情況下是設(shè)計人員依據(jù)彎曲疲勞試驗裝置生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品目錄進行選用(我國尚未有統(tǒng)一的橡膠彎曲疲勞試驗支座工業(yè)規(guī)格)。所以，設(shè)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(yīng)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(nèi)進行試驗。

(4)自動化程度較高。設(shè)有光電在線計數(shù)裝置，液壓系統(tǒng)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(shù)據(jù)交換和儲存。

(5)結(jié)構(gòu)簡單。試驗機共用一個油箱，采用不同規(guī)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(shù)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(shù)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