一种动态缆铠装钢丝疲劳测试方法

1.本公开属于电缆测试和传感领域，具体涉及一种动态缆铠装钢丝疲劳测试方法。


背景技术：

2.随着海上风电开发由浅水向深海、远海发展，浮式风电系统的应用已成为必然趋势，世界多地都已部署了大量的浮式风机样机。其中，动态电缆(简称动态缆)起到连接浮式平台和海底静态输出电力电缆的重要作用，是浮式风电系统电能传输的关键部件示。
3.动态缆结构中的铠装钢丝采取四层环绕结构，层间摩擦较多，在海风、洋流等环境因素的长期作用下很容易发生力学疲劳，因此有必要对动态缆铠装钢丝进行疲劳试验以模拟实际工况。
4.但是，目前尚缺乏在疲劳测试过程中对铠装钢丝的疲劳状态进行实时监测的手段，难以验证疲劳试验和动态缆实际运行工况的等效关系。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种动态缆铠装钢丝疲劳测试方法，该方法能够对动态缆铠装钢丝的疲劳特性进行实时监测和分析。
6.为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：
7.一种动态缆铠装钢丝疲劳测试方法，包括如下步骤：
8.s100：将待测动态缆铠装钢丝安装至疲劳试验机上；
9.s200：开启疲劳试验机，进行疲劳试验；
10.s300：采集疲劳试验过程中的振动信号并对信号进行放大和采样，获得采样信号；
11.s400：对采样信号进行分析处理，以判断待测动态缆铠装钢丝所处疲劳期等级。
12.优选的，步骤s100中，所述疲劳试验机为三点弯曲疲劳试验机，包括上连接杆和下连接杆，下连接杆上设置有底座，底座上设置有两个夹具，用于固定夹持待测动态缆铠装钢丝。
13.优选的，所述疲劳试验机的摆动频率不低于10hz、应力不低于200n。
14.优选的，步骤s200中，所述疲劳试验包括三点弯曲试验和拉伸试验。
15.优选的，步骤s300中，通过加速度传感器采集疲劳试验过程中的振动信号，所述加速度传感器设置在疲劳试验机的外表面。
16.优选的，步骤s300中，通过电荷放大器对振动信号进行放大。
17.优选的，步骤s300中，通过数据采集卡对放大后的振动信号进行采样。
18.优选的，通过上位机对采样信号进行分析处理。
19.优选的，步骤s400包括如下步骤：
20.s401：对采样信号进行傅立叶变换，获得振动频谱；
21.s402：根据振动频谱中特征峰的幅值大小判断待测动态缆铠装钢丝所处疲劳期等级。
22.与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：
23.本公开结合疲劳试验设备和测量设备，利用在线无损方法对铠装钢丝疲劳程度进行测试。
附图说明
24.图1是本实施例提供的一种动态缆铠装钢丝疲劳测试方法流程图；
25.图2是动态缆的结构示意图；
26.图3是铠装钢丝疲劳发展过程示意图；
27.图4是本公开一个实施例提供的一种动态缆铠装钢丝疲劳测试系统的结构示意图；
28.图5(a)是为疲劳试验初期的待测动态缆铠装钢丝振动频谱分析结果；
29.图5(b)是图5(a)的放大图；
30.图5(c)是疲劳试验末期的待测动态缆铠装钢丝振动频谱分析结果；
31.附图中的标记说明如下：
32.1、上连杆；2、下连杆；3、压电加速度传感器；4、三点弯夹具；5、铠装钢丝；6、电荷放大器；7、数据采集卡。
具体实施方式
33.下面将参照附图图1至图5(c)详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
34.需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本公开的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本公开的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
35.为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。
36.一个实施例中，如图1所示，一种动态缆铠装钢丝疲劳测试方法，包括如下步骤：
37.s100：将待测动态缆铠装钢丝安装至疲劳试验机上；
38.该步骤中，图2是待测动态缆铠装钢丝的结构示意图，由图2可知，待测动态缆铠装钢丝由内到外依次包括缆芯、成缆、内护套、铠装和外护套。
39.此外，疲劳试验机为三点弯曲疲劳试验机，如图4所示，疲劳试验机包括上连接杆和下连接杆，下连接杆上设置有底座，底座上设置有两个夹具，用于固定夹持待测动态缆铠装钢丝。
40.s200：开启疲劳试验机，进行疲劳试验；
41.该步骤中，疲劳试验包括三点弯曲试验和拉伸试验。三点弯曲试验中，疲劳试验机基于电脑程序控制，通过上、下连接杆在铠装钢丝接触面往复微动摩擦以实现拉伸、弯曲等疲劳模拟试验。疲劳试验机的振动频率不低于10hz，应力不低于200n。当待测动态缆铠装钢丝内压或载荷数据出现突降或待测动态缆铠装钢丝出现断裂，试验结束。
42.s300：采集疲劳试验过程中的振动信号并对信号进行放大和采样，获得采样信号；
43.该步骤中，疲劳试验机的外表面设置有压电加速度传感器，以用于采集试验过程中疲劳试验机以及待测动态缆铠装钢丝受压时产生的振动信号，其中，压电加速度传感器的灵敏度为9pc/g。此外，考虑到疲劳试验中一般采用低频振动模式，要求压电加速度传感器具有良好的频率响应稳定性和较好的低频响应，可通过增加质量块、增大预紧力等方式实现。
44.信号采集完毕后，采用电荷放大器对所采集的待测动态缆铠装钢丝受压时产生的振动信号进行放大并转换为电压信号，以便后续处理。电荷放大器根据压电传感器输入信号大小和测试需求动态调整灵敏度，典型值为10g/v。需要说明的是，电荷放大器应具有高输入阻抗以便与压电加速度传感器进行阻抗匹配，同时应具有低输出阻抗以提高带负载能力以及应具有稳定的频率响应。
45.获得电压信号后，需要通过数据采集卡对其进行采样，数据采集卡的采样率应大于疲劳试验机最高疲劳振动频率和疲劳状态下动态缆铠装钢丝振动特征频率的2倍以上，一般为4ks/s。
46.s400：利用上位机对采样信号进行分析处理，以判断待测动态缆铠装钢丝所处疲劳期等级。
47.该步骤中，钢丝疲劳过程可分为三个阶段，如图3所示：序号
①
所在区域表示初始疲劳阶段，局部应力集中很快导致钢丝表面产生缺陷裂纹和高密度位错；序号
②
所在区域表示疲劳发展阶段，钢丝内部位错在增殖与消失之间出现动态平衡，局部塑性变形进入发展极为缓慢的状态；序号
③
所在区域表示疲劳末期，钢丝内部裂纹急剧扩展，超过疲劳极限，钢丝发生断裂。本实施例分别取疲劳试验初期和疲劳试验末期1s时间内采集的数据共计4000个测试点，经快速傅立叶变换后，获得如图5(a)至5(c)所示的振动频谱图。
48.其中，图5(a)为疲劳试验初期的待测动态缆铠装钢丝振动频谱分析结果，图5(b)是图5(a)的放大图，图5(c)是疲劳试验末期的待测动态缆铠装钢丝振动频谱分析结果。在图5(a)和图5(b)所示的振动频谱中，在5hz和840hz附近出现了2个明显的特征峰，分别对应疲劳试验机和动态缆铠装钢丝由于疲劳振动产生的振动信号。其中，如图5(a)所示，疲劳试验机振动信号的幅值约为0.004v，折合加速度约为0.04g；动态缆铠装钢丝疲劳振动信号的幅值约为0.006v，折合加速度约为0.06g。在图5(c)所示的疲劳末期振动频谱中，疲劳试验机振动信号的特征峰位置与疲劳初期基本一致，但是与铠装钢丝的特征振动频率(840hz)所对应的特征峰幅值(约为0.04v)远大于疲劳初期(疲劳初期铠装钢丝的特征振动频率所对应的特征峰幅值约为0.006v)，即，在疲劳末期，铠装钢丝与疲劳试验机的特征峰幅值变化程度远大于疲劳初期铠装钢丝与疲劳试验机的特征峰幅值变化程度，从而表示待测动态缆钢丝内部裂纹积聚较多，即将发生断裂。基于以上试验结果，本公开也可以根据铠装钢丝与疲劳试验机在疲劳试验过程中的特征峰幅值的变化情况判断铠装钢丝所处疲劳期等级。
49.以上结合具体实施例对本公开所提供的技术方案进行了详细介绍，同时，上述实
施例的说明只是用于帮助理解本公开的方法及其核心思想，对于本领域的一般技术人员，依据本公开的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。因此，本说明书内容不应理解为对本公开的限制。