一种横置钢丝绳弯曲弹射冲击振动检测分析方法及装置

技术领域

本发明属于振动检测分析技术领域，具体涉及一种横置钢丝绳弯曲弹射冲击振动检测分析方法及装置。

背景技术

钢丝绳由钢丝捻制成股，再由股捻制为整绳，典型的捻制螺旋结构使其具备优良的拉伸弯曲性能，在诸多工程领域内应用广泛，如提吊、运输等，在一些特殊领域中，如道路护栏、军舰阻拦索等，钢丝绳负责拦截运动构件并使其减速，在其工作过程中，钢丝绳将承受巨大的横向碰撞冲击，在绳索类公路护栏发生交通事故时，车辆对护栏钢丝绳的直接碰撞，冲击时速上升到100km/h；在航母舰载机阻拦索工况中，阻拦钢丝绳拦截机体瞬时速度可达200km/h以上。由于钢丝绳的弹性冲击后必将对拦截物产生回弹，而回弹力度的大小不仅取决于钢丝绳本身的性能和张紧状态，而且与拦截物速度、质量及碰撞角度均有关系。钢丝绳碰撞后的回弹性能直接关系到钢丝绳所提升、固定或拦截的其他构件的稳定性和安全性。因此,研制一种检测及分析钢丝绳弯曲弹射性能的方法及装置，开展钢丝绳预紧释放后振颤过程的张力波动及振动力学响应分析研究，对于探寻钢丝绳张力及振动在绳弦上的波动状态和传递形式，进一步提高钢丝绳结构件在苛刻冲击应用工况中的运行稳定可靠性具有重要意义。

目前对于钢丝绳弯曲弹射冲击振动检测研究较少，相近的有，专利号为CN201710551454.1公布了一种钢丝绳横向空间振动测量的方法，通过高速摄像机采集钢丝绳振动图像后经计算机处理得到钢丝绳形心振动轨迹，实现了非接触的测量方式和可调的大检测量程，但无法体现出绳内振动及张力的波动传递，且应用工况未有弯曲预紧。专利号为CN201410271323.4一种摩擦衬垫-提升钢丝绳动态摩擦传动试验装置及方法，整机模拟了摩擦式提升机的运转形式，其中激振机构和钢丝绳和状态监测机构可实现提升容器的横纵向激振及其张力、振动监测。但该装置为钢丝绳缠绕运动，未体现瞬间释放弹射。

现有钢丝绳冲击张力振动装置或方法存在的问题主要有：(1)对钢丝绳动态性能的检测方法集中于绳体静止单点横向振动的监测，即静态分析，而实际的冲击过程中，冲击振动是以绳弦波的形式沿绳弦动态传递的，因此无法获知整绳内波动传递数据；(2)所述的应用工况多为正常的稳态运行过程，而在本技术领域，所针对的工况弯曲预紧弹射，具有较强的瞬时动态特性，相对稳态运行工况的钢丝绳工况较复杂。

发明内容

发明目的：根据上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是开发一种横置钢丝绳弯曲弹射冲击振动检测分析方法及装置，可以实现钢丝绳受不同预紧力、不同弯曲角度瞬间释放弹射工况，并检测及分析钢丝绳的弹射张力及振动在绳弦上的波动状态和传递形式。

技术方案：横置钢丝绳弯曲弹射冲击振动装置主要由固定立桩、钢丝绳连接件、预紧系统、弯曲与触发系统、测量系统组成。固定立桩分为左右两个，分别用于固定钢丝绳两端，保证立桩间距大于钢丝绳长度1.5m左右，为拉力传感器等留有安装空间，立桩应与地面固定牢靠，满足钢丝绳预紧力及弹射过程立桩不变形、不晃动；钢丝绳连接件为两只钢丝绳专用楔形块，分别于钢丝绳两端绳头相连，楔形块可保证钢丝绳越拉越紧，避免弹射过程的绳头松动。

预紧系统包括电机、带自锁功能的蜗轮蜗杆减速器、梯形丝杠、推力球轴承，控制电机旋转带动蜗杆，蜗杆带动涡轮旋转，涡轮与丝杠螺纹连接，使丝杠轴向运动拉紧试验钢丝绳，其中蜗轮通过推力球轴承被左侧立桩支撑旋转，待测试系统显示钢丝绳拉力达到预定值，电机停转，一方面梯形丝杠带有一定自锁能力，另一方面蜗轮蜗杆自锁，即蜗轮不可逆向带动蜗杆旋转，使钢丝绳预紧张力的保持分担到丝杠和蜗轮蜗杆的齿间摩擦力，而不会传递到驱动电机而造成过载损毁，蜗轮蜗杆自锁的条件需满足：蜗轮副摩擦系数不低于0.06，螺旋角(导程角)<3度29分11秒。

弯曲及触发系统包括一套垂直的卡压丝杠及特制螺母，所述特制螺母中部安装有触发销轴，丝杠通过两对圆锥滚子轴承可在支座上旋转，带动螺母沿垂直方向运动，圆锥滚子轴承可承受轴向和径向载荷，适合本工况，特制螺母中部安装有触发销轴，销轴下压钢丝绳，从而实现钢丝绳不同垂直位置的卡位，销轴带环，环中套麻绳，麻绳至少有两根，一根作为触发绳，连接触发销轴与施力单位，另一根为保护绳，连接触发销轴和支撑座，保护绳距离应将销轴飞出距离控制在1m以内，通过外力拉动触发绳头，触发销轴瞬间抽离，钢丝绳失去卡压，在弯曲预张力的作用下瞬间弹起，实现释放弹射，触发销轴连接端的双绳可保证抽离过程销轴的飞出距离，以确保操作人员或设备的安全。为避免触发销瞬间抽离高速刮擦钢丝绳表面导致损伤，在钢丝绳最大弯曲点，即与触发销轴接触区域缠绕有尼龙保护套。

测试系统包括两端拉力传感器及三个三向加速度传感器以及采集分析系统，每个拉力传感器两侧分别通过螺纹配合与吊环连接，吊环通过圆柱销与立桩或楔形块相连，两侧拉力传感器分别测量绳两端的张力变化。三个三向加速度传感器通过螺钉连接固连在试验钢丝绳的左端、右端及中点位置，为保证连接可靠性，三向加速度传感器与钢丝绳直接垫有摩擦衬垫，三向加速度传感器测量冲击横波到达该测点的时刻。高速摄像机置于钢丝绳一侧，摄像帧率1000fps以上，用以拍摄释放弹射过程钢丝绳的冲击振动，后期通过视频分析获得钢丝绳振动位移波形。

有益效果：本发明的横置钢丝绳弯曲弹射冲击振动检测分析方法及装置，采用螺旋丝杠实现钢丝绳不同弯曲角度的预紧，两对圆锥滚子轴承的使用保证了各向支撑强度；采用触发绳与销轴的配合使触发具有瞬时性，且不影响钢丝绳释放后的弹射振动，采用触发绳和保护绳保证了操作安全、简便；采用了自锁功能的丝杠和蜗轮蜗杆，实现了快速加载和预紧力保持；采用了拉力传感器、多点加速度传感器以及高速摄像的综合方法测试钢丝绳动态响应，实现了钢丝绳弯曲预紧弹射后的张力振动传导过程的实时精确检测和分析。

附图说明

图1、2为本发明专利结构图；

图3、4、5、6为本发明专利的实施效果图。

1、预紧电机 2、蜗杆 3、涡轮 4、推力轴承 5、左侧固定立桩 6、梯形丝杠 7、左端拉力传感器 8、左端三向加速度传感器 9、高速摄像机 10、支撑座 11、弯曲驱动电机 12、卡位丝杠 13、中点三向加速度传感器 14、钢丝绳 15、固定衬垫 16、右端三向加速度传感器 17、钢丝绳楔形连接块 18、右端拉力传感器 19、外螺纹吊环 20、连接销2 1、右侧固定立桩 22、触发销轴 23、特制螺母 24、尼龙保护绳套 25、圆锥滚子轴承 26、垫片 27、轴承盖 28、触发绳 29、保护绳

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种横置钢丝绳弯曲弹射冲击振动装置主要由固定立桩、钢丝绳连接件、预紧系统、弯曲与触发系统、测量系统组成。左侧固定立桩5和右侧固定立桩21用于支撑整个钢丝绳机构，试验钢丝绳14两端绳头分别穿入钢丝绳专用楔形块17，左右楔形块通过圆柱销20及外螺纹吊环19分别连接拉力传感器7、18，右侧拉力传感器通过一套圆柱销外螺纹吊环与固定立桩21连接，左侧拉力传感器通过另一套圆柱销外螺纹吊环与梯形丝杠6连接，所有吊环均形成铰链，拉力传感器用以测量左右两端钢丝绳张力。梯形丝杠穿过左侧立桩5通孔形成间隙配合，梯形丝杠6与带有内螺纹孔的蜗轮3形成螺纹配合，蜗轮3通过推力球轴承4与固定立桩5构成旋转副，蜗轮3与蜗杆2配合并由电机1驱动。支撑座10固定于地面，并位于整绳中点位置，卡压丝杠12通过两对圆锥滚子轴承25安装在支撑座10上，卡压丝杠12上端与弯曲驱动电机11连接，下端丝杠轴肩通过垫片26顶在支撑座10上，轴承盖27通过螺栓固定在支撑座10上，起到防护轴承的作用。特制螺母23与卡压丝杠12形成螺纹传动副，其上开有销孔，销孔内安装带环触发销轴22，卡压丝杠12旋转带动特制螺母23上下运动，则触发销轴22下压钢丝绳14起到弯曲钢丝绳作用。触发销轴环内固定触发绳28以及保护绳29，触发绳28与外部施力单位连接负责抽离触发销轴22，保护绳29与支撑座10连接负责保护触发销轴22飞出造成碰撞伤害，尼龙保护绳套24负责保护触发销轴抽离过程刮伤钢丝绳。三向加速度传感器8、13及16分别通过固定衬垫15固定在钢丝绳左端、中点及右端用以测量振动到达的时间点，高速摄像机12固定于钢丝绳一侧测量钢丝绳某点振动位移。

在实验中，首先通过预紧电机1和蜗轮蜗杆2、3调节梯形丝杠6使钢丝绳14松弛，并将钢丝绳14置于触发销轴22下侧，开启弯曲驱动电机11，使触发销轴下压钢丝绳14到指定位置后停止，测量钢丝绳与水平线角度。开启采集系统实时采集记录各传感器数值，然后通过控制电机1驱动蜗轮蜗杆2、3旋转，带动梯形丝杠向左位移拉紧钢丝绳14，待拉力传感器7和18的张力待达到预定张力后停机，丝杠及蜗轮蜗杆自锁保持钢丝绳张力，开启高速摄像机12录像，通过触发绳28迅速抽离触发销轴22,钢丝绳释放弹射，并将持续10-20s左右振颤；最后，待拉力及加速度传感器采集数值平稳后，停止本次数据采集，并保存数据并分析。

实施例

技术指标如下：

试样：钢丝绳，直径8-12mm，长度5-10m

钢丝绳预张力：0-3t，可调；

弹射角：0-5°，可调；

张力分析范围：0-10t；

振幅分析范围：0-±30mm。

本专利中分析内容为钢丝绳预紧1T、且与水平线夹角为2°。高速摄像拍摄钢丝绳弹射振动视频截图如图3(中点位置)，视频跟踪处理所得振动位移如图4，可以看出，释放弹射后钢丝绳振动为均匀的振荡衰减振动，振幅均匀间隔性的大小变化。将拉力传感器采集的钢丝绳张力信号绘制如图5，钢丝绳两侧张力均瞬间下跌并衰减，经3-4s波动过程基本恢复稳定，两侧钢丝绳张力损失为原来的80％左右，将加速度传感器采集振动信号绘制如图6，可以看出，中部传感器比左右两侧更快达到峰值，可根据峰值出现的时间差计算弹射波的传递特性参数。

通过获得的钢丝绳径向冲击后的张力振动传导变化规律表明，本发明装置及监测分析方法的实施效果切实有效，具有较高的应用价值。

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。