一种摩擦衬垫-提升钢丝绳动态摩擦传动试验装置及方法

摘要

本发明公开了一种摩擦衬垫-提升钢丝绳动态摩擦传动试验装置及方法，包括基架、驱动机构、摩擦传动机构、围包角调整机构、激振机构、钢丝绳和状态监测机构；基架包括立柱、下支撑平台和上支撑平台，驱动机构包括电动机和扭矩传感器，摩擦传动机构包括摩擦轮和抱闸器，围包角调整机构包括C支架和调整轮，激振机构包括横向激振机构和纵向激振机构，状态监测机构包括钢丝绳张力监测装置、动态接触监测装置、钢丝绳振动监测装置、微滑移监测装置。本发明能够模拟摩擦式提升系统中提升钢丝绳动态耦合振动状态下摩擦衬垫与提升钢丝绳之间的动态摩擦传动特性，可用于探究横向、纵向振动以及二者耦合振动作用下摩擦传动过程中的各种变化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种摩擦衬垫-提升钢丝绳动态摩擦传动试验装置及方法。

背景技术

矿井提升设备是煤矿必需的运输装备，是沿井筒提升煤炭、矸石、人员、各种材料 和设备的大型关键设备，是矿山井下生产系统与地面工业广场相连接的枢纽。随着矿井 开采走向深部和现代化大型矿井安全高效生产的要求，多绳摩擦式提升机的应用日趋大 型化，并以其提升能力大，提升高度大，安全系数高，消耗功率低，机器尺寸小，造价 便宜等显著优点，被越来越多地用于深井及超深矿井的矿井提升中。随着矿井开采深度 的增加，为了提高深井及超深矿井提升机的运输效率，提升装备必然向大提升载荷和高 提升速度发展，这也为大型摩擦提升设备的安全性和可靠性提出了更高要求，特别是立 井摩擦提升机的滑绳或溜车事故，是立井摩擦提升机中的事故隐患。一旦滑绳或溜车， 其后果不堪设想，轻者造成容器损坏，提升钢丝绳受损，重者提升系统报废，井筒设施 损坏甚至人员伤亡。

多绳摩擦提升机是利用钢丝绳与摩擦衬垫之间的摩擦力带动钢丝绳随着摩擦轮一 起转动，而实现容器的提升和下放运动；摩擦衬垫与钢丝绳构成对偶摩擦副，二者之间 摩擦系数的高低直接影响着提升机的各项性能，如提升能力、工作效率和安全性等。在 摩擦提升机正常工作时，由于衬垫和钢丝绳都是粘弹性体，钢丝绳会在衬垫上只产生微 小弹性滑动即蠕动；当钢绳与衬垫间发生滑动时，摩擦热将导致衬垫摩擦表面和内部温 度升高，使衬垫产生热衰退现象，且加剧衬垫的磨损。因此，摩擦衬垫与钢丝绳之间的 摩擦系数、动态接触和动态蠕动与滑移状态以及摩擦衬垫的动态粘弹性摩擦机理和热衰 退机理对摩擦提升机设计中有重要的影响。

在摩擦提升机的提升过程中，由于可变的提升钢丝绳悬垂长度和惯性载荷的共同作 用，提升钢丝绳在上提加速、匀速、减速一个周期的提升过程中，提升系统会发生振动， 钢丝绳也承受动张力变化，特别是在提升的加速、减速阶段，钢丝绳的动张力振动较大， 振动频率随着钢丝绳长度的减小而增大。提升钢丝绳作为一振动体，在提升机运行时会 产生横向振动、纵向振动以及二者的耦合振动，这种振动有可能导致钢丝绳与摩擦衬垫 槽之间的非正常接触、动态滑移和脱离等状态，从而影响摩擦衬垫与钢丝绳之间的摩 擦牵引能力而出现打滑现象，引发摩擦提升机的恶性事故。同时摩擦衬垫与钢丝绳之间 摩擦力的动态变化也会反过来加剧钢丝绳的波动，从而导致整个提升系统处于一种不平 稳运行状态。因此，钢丝绳的动态振动状态对提升机的摩擦传动能力和摩擦牵引平稳性 的影响研究至关重要。

所以，提出一种摩擦衬垫-提升钢丝绳动态摩擦传动试验装置及方法，以探究横向、 纵向振动以及二者耦合振动作用下提升钢丝绳与摩擦衬垫之间的动态接触、动态蠕动与 摩擦系数、摩擦轮绕入端和绕出端钢丝绳的动张力演化、摩擦衬垫的动态粘弹性摩擦机 理、摩擦衬垫与提升钢丝绳接触区附近摩擦衬垫的应力变化。

摩擦衬垫与钢丝绳之间的摩擦实验装置包括：专利号为200510134988.1公布了一种 衬垫与钢丝绳的高速摩擦实验机，运用平面法通过控制系统实现钢丝绳与衬垫之间不同 相对滑速(0.5m/s到6m/s)的无级变换，然而，该试验机只能单向匀速滑动，不能模 拟振动状态下的摩擦传动行为研究；专利号为200810032468公布了一种电梯用钢丝绳 弯曲疲劳状态实验台，可以进行电梯用钢丝绳单独弯曲疲劳状态、同向组合弯曲疲劳状 态、反向组合弯曲疲劳状态的观测试验，并可根据实际需要的不同变化多种缠绕方式、 包角和张力，然而不能分析钢丝绳与摩擦衬垫之间的动态接触和摩擦传动行为；专利号 为201110436607.0公布了一种摩擦式提升机衬垫的滑动摩擦试验机，能研究提升钢丝与 摩擦衬垫之间的全面滑动摩擦行为及其收到滑动速度和滑动加速度的影响规律，而不能 探究弯曲卷绕于摩擦轮上摩擦衬垫与提升钢丝绳之间的动态蠕动(微小局部滑移)和滑 移状态的影响研究；专利号为201220707814.5公布了一种摩擦式提升机钢丝绳防滑装 置，通过移动制动座使得衬垫夹紧提升钢丝绳，衬垫的齿形交错结构可实时补偿钢丝绳 的外部磨损，避免提升钢丝绳出现危险滑动，该试验机只研究摩擦衬垫与钢丝绳之间的 全面滑动摩擦行为，亦不能考察摩擦衬垫与提升钢丝绳之间的动态蠕动(微小局部滑移) 和微滑移行为。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种摩擦衬垫-提升钢丝 绳动态摩擦传动试验装置及方法，能够模拟摩擦式提升系统中提升钢丝绳动态耦合振动 状态下摩擦衬垫与提升钢丝绳之间的动态摩擦传动特性，可用于探究横向、纵向振动以 及二者耦合振动作用下摩擦传动过程中提升钢丝绳与摩擦衬垫之间的动态接触、动态蠕 动与摩擦系数、摩擦轮绕入端和绕出端钢丝绳的动张力演化、摩擦衬垫的动态粘弹性摩 擦机理和热衰退机理、摩擦衬垫与提升钢丝绳接触区附近摩擦衬垫的应力变化，以动态 监测横向、纵向振动以及二者耦合振动作用下提升钢丝绳与摩擦衬垫之间的动态接触、 动态蠕动与摩擦系数、摩擦轮绕入端和绕出端钢丝绳的动张力演化、摩擦衬垫的动态粘 弹性摩擦机理、摩擦衬垫与提升钢丝绳接触区附近摩擦衬垫的应力变化。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种摩擦衬垫-提升钢丝绳动态摩擦传动试验装置，包括基架、驱动机构、摩擦传 动机构、围包角调整机构、激振机构、钢丝绳和状态监测机构；

所述基架包括立柱、下支撑平台和上支撑平台，立柱对称布置，下支撑平台水平固 定在立柱上，在下支撑平台上均匀固定布置有销轴，在销轴上套设有弹簧，在下支撑平 台上设置有与销轴位置对应的销孔，下支撑平台套设在销轴上、由弹簧支撑；在下支撑 平台和上支撑平台之间安装弹簧是为了模拟实际摩擦式提升系统中滚筒安装基座的弹 性因素；

所述驱动机构包括电动机和扭矩传感器，在上支撑平台上固定设置有电动机支座和 A支架，电动机安装在电动机支座上，扭矩传感器安装在A支架上，电动机的输出轴依 次连接A联轴器、扭矩传感器和B联轴器；所述扭矩传感器用于测量电动机输出的驱 动力矩；

所述摩擦传动机构包括摩擦轮和抱闸器，在上支撑平台上固定设置有B支架，在B 支架上对称布置有轴承支座，在每个轴承支座内均安装有轴承，摩擦轮的中心轴两侧分 别与两个轴承的内圈固定，并且摩擦轮的中心轴与B联轴器相连，抱闸器固定安装在上 支撑平台上，抱闸器用于抱紧摩擦轮；在摩擦轮的周侧面布置有衬垫环组，在衬垫环组 周侧面的中部设置有弧形凹槽，衬垫环组由若干对摩擦衬垫端部连续拼接而成，每对摩 擦衬垫相对拼合构成衬垫环组的一个弧形段；

所述围包角调整机构包括C支架和调整轮，C支架固定在下支撑平台上，在C支架 上设置有若干档位，调节轮安装在C支架，通过锁紧机构将调节轮固定在相应的档位上， 调节轮与摩擦轮位于同一竖直平面上；

所述激振机构包括横向激振机构和纵向激振机构；横向激振机构包括激振器，激振 器固定安装在下支撑平台下方，激振器的输出轴上连接有滑轮；纵向激振机构包括重载 荷块和轻载荷块，重载荷块和轻载荷块分别与一组导向块固定，在导向块上安装有导轮， 在立柱上固定安装有T形导轨，导轮安装在T形导轨内形成导轨导轮机构；

所述钢丝绳一端通过A弹簧连接装置与重载荷块连接，另一端绕过弧形凹槽、经过 调节轮转向后，通过B弹簧连接装置连接轻载荷块，激振器输出轴上的滑轮与钢丝绳紧 密贴合；使用A弹簧连接装置和B弹簧连接装置连接重载荷块和轻载荷块能够增加连 接的弹性，调节调节轮的档位，即可调节摩擦轮与钢丝绳之间的包围角；

所述状态监测机构包括钢丝绳张力监测装置、动态接触监测装置、钢丝绳振动监测 装置、微滑移监测装置，在下支撑平台上固定安装有D支架；钢丝绳张力监测装置包括 磁通式张力传感器，磁通式张力传感器安装在D支架上、正对钢丝绳，采用电磁非接触 式检测原理，根据钢丝绳具有捻制股波的特点，利用电磁传感器的信号变化推算钢丝绳 张力；动态接触监测装置包括激光位移传感器和应变片，激光位移传感器安装在D支架 上、正对最顶部位置钢丝绳的表面，在每对摩擦衬垫的贴合面处设置有孔槽，应变片设 置在孔槽内，应变片输出线与无线应变传感装置相连，无线应变传感装置与固定于摩擦 轮上的三角支撑板焊接在一起，无线应变传感装置将动态应变值传输至计算机，激光位 移传感器和应变片分别用于动态监测摩擦衬垫的动态蠕变以及摩擦衬垫与钢丝绳之间 的接触应力，通过间接计算可以获得钢丝绳的动态径向伸缩量；钢丝绳振动监测装置包 括贴于钢丝绳上的无线三轴加速度计，用于测量钢丝绳的横向和纵向振动；微滑移监测 装置包括固定于D支架上的高速摄像仪，高速摄像仪正对摩擦衬垫的孔槽内，用于监测 动态摩擦传动过程中摩擦衬垫与钢丝绳接触区的微滑移状态。

优选的，所述销轴通过螺纹结构固定安装在下支撑平台上。

优选的，所述销轴的数目为四个，均匀对称布置。

优选的，所述导轮与T形导轨接触的表面采用橡胶材料，以增大接触弹性。

一种摩擦衬垫-提升钢丝绳动态摩擦传动试验方法，包括如下步骤：

(1)调整调节轮位置，获得钢丝绳在摩擦轮上的围包角；调节激振器以获得设定 的横向激振振幅和激振频率；

(2)首先通过变频器对电动机进行控制带动摩擦轮转动，由于摩擦传动作用钢丝 绳将重载荷块提起并离开地面；然后停止电动机运转，通过抱闸器刹住摩擦轮防止其转 动；通过磁通式张力传感器记录摩擦轮与钢丝绳相切处区域钢丝绳的初始张力值；通过 激光位移传感器监测钢丝绳顶部钢丝表面的初始位移值；对应变片通电，记录摩擦衬垫 的初始蠕变值以及摩擦衬垫与钢丝绳之间的初始接触应力；通过高速摄像仪记录摩擦衬 垫与钢丝绳接触区的局部微滑移初始值；

(3)通过变频器对电动机进行控制，获得设定的钢丝绳提升速度曲线；停止抱闸 器工作，开启电动机和激振器；通过磁通式张力传感器记录摩擦提升过程中摩擦轮与钢 丝绳相切处区域钢丝绳的动张力；通过激光位移传感器监测钢丝绳顶部钢丝表面的位移 变化，结合过应变片记录摩擦衬垫的动态蠕变以及摩擦衬垫与钢丝绳之间的接触应力变 化；通过高速摄像仪记录摩擦衬垫与钢丝绳接触区的局部微滑移幅值；通过无线三轴加 速度计测量钢丝绳的横向和纵向振动幅值；通过扭矩传感器测量摩擦轮的驱动扭矩，间 接获得摩擦衬垫与钢丝绳之间的摩擦力和摩擦系数；

(4)当提升的重载荷块达到设定位置时，关闭电动机和激振器，开启抱闸器，停 止实验。

通过改变电动机频率和转速、重载荷块和轻载荷块的质量、激振器的激振频率和振 幅、调节轮的水平位置和摩擦衬垫的种类，研究不同的提升速度、提升加速度、提升重 量、横向激振幅值、钢丝绳绕摩擦轮围包角和衬垫材料条件下摩擦衬垫与钢丝绳之间的 动态摩擦传动行为；通过停止电动机运转或者激振器工作，研究单一振动形式下(横向 或纵向振动)摩擦衬垫与钢丝绳之间的动态摩擦传动行为。

有益效果：本发明提供的一种摩擦衬垫-提升钢丝绳动态摩擦传动试验装置及方法， 能够模拟摩擦式提升系统中提升钢丝绳动态耦合振动状态下摩擦衬垫与提升钢丝绳之 间的动态摩擦传动特性，可用于探究横向、纵向振动以及二者耦合振动作用下摩擦传动 过程中提升钢丝绳与摩擦衬垫之间的动态接触、局部微滑移幅值与摩擦系数、摩擦轮绕 入端和绕出端钢丝绳的动张力演化、摩擦衬垫与提升钢丝绳接触区附近摩擦衬垫的应力 变化，以动态监测横向、纵向振动以及二者耦合振动作用下提升钢丝绳与摩擦衬垫之间 的动态蠕动特性和摩擦衬垫的动态粘弹性摩擦机理，这对定量表征横向、纵向耦合振动 工况下钢丝绳-摩擦衬垫的动态摩擦传动特性提供了有效的实验设备；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为本发明结构的主视结构示意图；

图2为本发明结构的左视结构示意图；

图3(a)为图1中摩擦衬垫位置处的A-A向局部视图；

图3(b)为图1中高速摄像仪位置处的A-A向局部剖视图；

其中：1、摩擦轮；2、抱闸器；3、调节轮；4、C支架；5、轻载荷块；6、重载荷 块；7、激振器；8、钢丝绳；9、磁通式张力传感器；10、D支架；11、激光位移传感 器；12、B联轴器；13、扭矩传感器；14、A联轴器；15、电动机；16、A支架；17、 电动机支座；18、销轴；19、弹簧；20、立柱；21、T型导轨；22、导轮；23、无线三 轴加速度计；24、A弹簧连接装置；25、下支撑平台；26、上支撑平台；27、B支架； 28、轴承支座；29、高速摄像仪；30、应变片；31、摩擦衬垫；32、无线应变传感装置； 33、三角支撑板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1、图2、图3(a)和图3(b)和所示为一种摩擦衬垫-提升钢丝绳动态摩擦传动试 验装置，包括基架、驱动机构、摩擦传动机构、围包角调整机构、激振机构、钢丝绳8 和状态监测机构，下面就各个部分加以具体说明。

所述基架包括立柱20、下支撑平台25和上支撑平台26，立柱20对称布置，下支 撑平台25水平固定在立柱20上，在下支撑平台25上通过螺纹结构均匀固定布置有四 个销轴18，在销轴18上套设有弹簧19，在下支撑平台26上设置有与销轴18位置对应 的销孔，下支撑平台26套设在销轴18上、由弹簧19支撑；在下支撑平台25和上支撑 平台26之间安装弹簧19是为了模拟实际摩擦式提升系统中滚筒安装基座的弹性因素。

所述驱动机构包括电动机15和扭矩传感器13，在上支撑平台26上固定设置有电动 机支座17和A支架16，电动机15安装在电动机支座17上，扭矩传感器13安装在A 支架16上，电动机15的输出轴依次连接A联轴器14、扭矩传感器13和B联轴器12； 所述扭矩传感器13用于测量电动机15输出的驱动力矩。

所述摩擦传动机构包括摩擦轮1和抱闸器2，在上支撑平台26上固定设置有B支 架27，在B支架27上对称布置有轴承支座28，在每个轴承支座28内均安装有轴承， 摩擦轮1的中心轴两侧分别与两个轴承的内圈固定，并且摩擦轮1的中心轴与B联轴器 12相连，抱闸器2固定安装在上支撑平台26上，抱闸器2用于抱紧摩擦轮1；在摩擦 轮1的周侧面布置有衬垫环组，在衬垫环组周侧面的中部设置有弧形凹槽，衬垫环组由 若干对摩擦衬垫31端部连续拼接而成，每对摩擦衬垫31相对拼合构成衬垫环组的一个 弧形段。

所述围包角调整机构包括C支架4和调整轮3，C支架4固定在下支撑平台25上， 在C支架4上设置有若干档位，调节轮3安装在C支架4，通过锁紧机构将调节轮3固 定在相应的档位上，调节轮3与摩擦轮1位于同一竖直平面上。

所述激振机构包括横向激振机构和纵向激振机构；横向激振机构包括激振器7，激 振器7固定安装在下支撑平台25下方，激振器7的输出轴上连接有滑轮；纵向激振机 构包括重载荷块6和轻载荷块5，重载荷块6和轻载荷块5分别与一组导向块固定，在 导向块上安装有导轮22，在立柱20上固定安装有T形导轨21，导轮22安装在T形导 轨21内形成导轨导轮机构，导轮22与T形导轨21接触的表面采用橡胶材料，以增大 接触弹性。

所述钢丝绳8一端通过A弹簧连接装置24与重载荷块6连接，另一端绕过弧形凹 槽、经过调节轮3转向后，通过B弹簧连接装置连接轻载荷块5，激振器7输出轴上的 滑轮与钢丝绳8紧密贴合；使用A弹簧连接装置24和B弹簧连接装置连接重载荷块6 和轻载荷块5能够增加连接的弹性，调节调节轮3的档位，即可调节摩擦轮1与钢丝绳 8之间的包围角。

所述状态监测机构包括钢丝绳张力监测装置、动态接触监测装置、钢丝绳振动监测 装置、微滑移监测装置，在下支撑平台25上固定安装有D支架10；钢丝绳张力监测装 置包括磁通式张力传感器9，磁通式张力传感器9安装在D支架10上、正对钢丝绳8， 采用电磁非接触式检测原理，根据钢丝绳8具有捻制股波的特点，利用电磁传感器的信 号变化推算钢丝绳张力；动态接触监测装置包括激光位移传感器11和应变片30，激光 位移传感器11安装在D支架10上、正对最顶部位置钢丝绳8的表面，在每对摩擦衬垫 31的贴合面处设置有孔槽，应变片30设置在孔槽内，应变片30输出线与无线应变传感 装置32相连，无线应变传感装置32与固定于摩擦轮1上的三角支撑板33焊接在一起， 激光位移传感器11和应变片30分别用于动态监测摩擦衬垫30的动态蠕变以及摩擦衬 垫31与钢丝绳8之间的接触应力，通过间接计算可以获得钢丝绳的动态径向伸缩量； 钢丝绳振动监测装置包括贴于钢丝绳8上的无线三轴加速度计23，用于测量钢丝绳8 的横向和纵向振动；微滑移监测装置包括固定于D支架10上的高速摄像仪25，高速摄 像仪25正对摩擦衬垫31的孔槽内，用于监测动态摩擦传动过程中摩擦衬垫31与钢丝 绳8接触区的微滑移状态。

一种摩擦衬垫-提升钢丝绳动态摩擦传动试验方法，包括如下步骤：

(1)调整调节轮3位置，获得钢丝绳8在摩擦轮1上的围包角；调节激振器7以 获得设定的横向激振振幅和激振频率；

(2)首先通过变频器对电动机15进行控制带动摩擦轮1转动，由于摩擦传动作用 钢丝绳8将重载荷块6提起并离开地面；然后停止电动机15运转，通过抱闸器2刹住 摩擦轮1防止其转动；通过磁通式张力传感器9记录摩擦轮1与钢丝绳8相切处区域钢 丝绳8的初始张力值；通过激光位移传感器11监测钢丝绳8顶部钢丝表面的初始位移 值，对应变片30通电，记录摩擦衬垫31的初始蠕变值以及摩擦衬垫31与钢丝绳8之 间的初始接触应力；通过高速摄像仪29记录摩擦衬垫31与钢丝绳8接触区的局部微滑 移初始值；

(3)通过变频器对电动机15进行控制，获得设定的钢丝绳8提升速度曲线；停止 抱闸器2工作，开启电动机15和激振器7；通过磁通式张力传感器9记录摩擦提升过程 中摩擦轮1与钢丝绳8相切处区域钢丝绳8的动张力；通过激光位移传感器11监测钢 丝绳8顶部钢丝表面的位移变化，激光位移传感器11和应变片30记录摩擦衬垫31的 动态蠕变以及摩擦衬垫31与钢丝绳8之间的接触应力变化；通过高速摄像仪29记录摩 擦衬垫31与钢丝绳8接触区的局部微滑移变化；通过无线三轴加速度计23测量钢丝绳 8的横向和纵向振动幅值；通过扭矩传感器13测量摩擦轮1的驱动扭矩，间接获得摩擦 衬垫31与钢丝绳8之间的摩擦力和摩擦系数；

(4)当提升的重载荷块6达到设定位置时，关闭电动机15和激振器7，开启抱闸 器2，停止实验。

通过改变电动机15频率和转速、重载荷块6和轻载荷块5的质量、激振器7的激 振频率和振幅、调节轮3的水平位置和摩擦衬垫31的种类，研究不同的提升速度、提 升加速度、提升重量、横向激振幅值、钢丝绳绕摩擦轮围包角和衬垫材料条件下摩擦衬 垫31与钢丝绳8之间的动态摩擦传动行为；通过停止电动机15运转或者激振器7工作， 研究单一振动形式下(横向或纵向振动)摩擦衬垫31与钢丝绳8之间的动态摩擦传动 行为。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。