[发明专利]千米深井提升钢丝绳多轴微动腐蚀疲劳损伤监测装置及方法

说明书

技术领域

本发明专利涉及千米深井提升钢丝绳多轴微动腐蚀疲劳损伤监测装置及方法，用于研究不同的腐蚀溶液介质、温度环境和多轴微动疲劳参数下千米深井提升钢丝绳拉-扭多轴微动腐蚀疲劳损伤演化机制。

背景技术

在我国，53％的已探明煤炭资源深埋在千米地层以下，多绳摩擦式提升系统(包括提升机、提升钢丝绳、提升容器等)以其提升能力大、提升高度大、提升速度快、安全系数高和机器尺寸小等优点被广泛应用于千米深部立井提升中，担负着提升煤炭、下放材料、升降人员和设备的任务。《煤矿安全规程》规定：摩擦式提升系统的提升钢丝绳使用时间不超过两年，在我国浅部矿井全部适用，甚至可以根据实际使用情况延期一年。然而，千米立井提升钢丝绳服役寿命平均不超过6个月，因而，探究千米立井提升钢丝绳失效机制，对提高千米立井提升系统安全可靠性、保障生命财产安全和国家煤炭能源供应，显得尤为重要和紧迫。

在千米深部立井提升过程中，提升钢丝绳因循环提升和下放提升容器而反复地承受拉伸、弯曲和扭转载荷；同时，提升机的加速、匀速和减速特性和时变的悬垂钢丝绳长度导致立井提升系统的横向与纵向耦合振动特性，进而引起提升钢丝绳的动态载荷。因此，循环的拉伸、弯曲与扭转载荷以及横向-纵向耦合振动载荷均会导致提升钢丝绳(以一定捻角由丝捻成股、股捻成绳的复杂螺旋结构)内部钢丝间的接触载荷和相对滑移，即微动磨损；微动磨损与循环的拉伸、弯曲载荷、动载荷与扭转载荷的共同作用导致钢丝的多轴微动疲劳。千米深井提升具有大淋水(酸碱度pH值范围是6～9的腐蚀溶液)、大运距和高地温(平均地温增高率(地温梯度)为2～4℃/(100m)，采用通风降温将井底温度控制在30℃以内)的特点；提升钢丝绳循环地在井底和地面之间提升，使得提升钢丝绳的温度变化范围为-20℃～30℃。因此，多轴微动疲劳、腐蚀和温度的共同作用导致温度效应下钢丝的多轴微动腐蚀疲劳，进而引起钢丝多轴微动腐蚀疲劳磨损以及多轴微动腐蚀疲劳裂纹萌生、扩展和最终断裂，最终导致提升钢丝绳的提前报废。因此，提出一种千米深井提升钢丝绳多轴微动腐蚀疲劳损伤监测装置及方法，揭示温度效应下提升钢丝绳的多轴微动腐蚀疲劳损伤演化机制(微动腐蚀疲劳磨损演化和微动腐蚀疲劳裂纹扩展)，对探索超深立井提升钢丝绳服役寿命长短有重要的理论指导意义。

有关微动疲劳方面的实验装置有：专利号为CN201510311531.7公开了一种接触载荷实时可调的微动疲劳试验方法及试验机，能够实现接触载荷实时变化的微动疲劳试验，用于研究接触载荷、振幅和频率对微动疲劳损伤机制的影响，但不能考虑扭转载荷、温度和腐蚀环境的影响；专利号CN201410525508.3公开了一种钢丝多轴微动疲劳试验装置及方法，能够实现拉-拉疲劳、扭转和变交叉角摆动等复合运动模式下钢丝的多轴微动疲劳实验，但不能考虑腐蚀和温度环境因素的影响；专利号CN201210062350.1公开了一种试验环境可控的多向微动疲劳试验机及其试验方法，能够实现人工控制的特定气氛和/或液体环境中材料的多向微动摩擦磨损行为研究，但不能考虑扭转载荷和温度因素的影响；专利号CN200910182122.6公开了一种钢丝微动疲劳试验机及方法，能够实现微动磨损和轴向疲劳应力共同作用下钢丝微动疲劳实验，但不能考虑扭转载荷、温度和腐蚀溶液环境因素的影响；专利号CN200810304928.3公开了一种叠加磨损载荷的轴向疲劳实验方法及装置，能实现刚性试件的轴向疲劳和横向磨损作用，但不适于柔性钢丝试样，同时不能考虑扭转载荷、温度和腐蚀溶液环境因素的影响。

发明内容

发明目的：本发明目的是解决现有设备和技术的不足，并提供了一种结构简单、功能齐全、操作方便的试验装置及方法，可以模拟淋水和不同温度环境中振动和冲击工况下千米深井提升钢丝绳拉-扭多轴微动腐蚀疲劳失效。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种千米深井提升钢丝绳多轴微动腐蚀疲劳损伤监测装置，包括基架以及设置在基架上的微动系统、拉-扭疲劳系统和恒温腐蚀系统；

所述恒温腐蚀系统包括耐腐蚀箱体、恒温控制系统、冷却系统、电化学腐蚀系统，耐腐蚀箱体内注入腐蚀溶液，恒温控制系统包括加热元件和温度控制柜，加热元件置于腐蚀溶液中并与温度控制柜相连，冷却系统包括水泵、水箱和冷却水管，水箱通过水泵与冷却水管相连，冷却水管缠绕于耐腐蚀箱体周围，电化学腐蚀系统包括腐蚀液添加漏斗、电化学工作站、电极支架和放液开关，耐腐蚀箱体设置可拆卸的腐蚀液添加漏斗，电极支架通过螺钉连接在耐腐蚀箱体上，电化学工作站的电极放置在电极支架上，放液开关设置在耐腐蚀箱体底部；