CN115235925B - 动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置 - Google Patents
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Abstract
公开了动态海缆绝缘材料测试的热‑疲劳老化试验装置，装置中，高低温箱可滑动地连接温箱滑轨以可切换地提供不同温度环境，待测动态海缆绝缘材料一端连接第一气动夹具，另一端连接第二气动夹具，待测动态海缆绝缘材料设于高低温箱中；力学传感器一端连接底部气缸，另一端固定连接水平顶部以测量待测动态海缆绝缘材料受到的作用力；处理器连接信号输出接口、底部气缸、顶部气缸以及高低温箱，处理器发送温度‑疲劳周期到底部气缸、顶部气缸以及高低温箱，力学传感器在温度‑疲劳周期下实时测量作用力数据，处理器基于温度‑疲劳周期下作用力数据生成待测动态海缆绝缘材料的应力数据。
Description
技术领域
本发明属于动态海缆绝缘材料测试技术领域，特别是一种动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置。
背景技术
近年来，利用海上漂浮式风电平台开发风电资源逐渐成为能源开发的重要发展方向之一。动态海缆作为风机与静态海底电缆间的连接装置，是海上能源输送系统的关键设备。在动态海缆运行过程中，其往往面临着电-热-机械等多种失效因素，这对动态海缆的关键材料尤其是绝缘材料的性能提出了更高的要求。一旦绝缘材料出现过热、蠕变以及疲劳等失效，将可能引起电缆击穿，造成风电系统事故。然而，目前对于适用于动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳联合老化试验装置的研究尚处于起步阶段，现有技术中疲劳实验机存在控制精度差以及疲劳实验机噪音大等缺点，现有技术无法满足材料在疲劳-高低温协同作用下进行老化评估。故结合动态海缆工程环境参数以及动态海缆特性要求开展适用于动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置的设计与开发。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置，其能够根据动态海缆的运行工况对各个疲劳周期进行分段编程，并保证每一疲劳周期内的疲劳频率以及幅值可调，还能够在高低温环境下进行疲劳试验。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置包括；
底部框架，其具有水平顶部；
主体框架，其支承于所述水平顶部；
温箱支撑铝支架，其支承于所述水平顶部且位于所述主体框架内；
温箱滑轨，其水平支承于所述温箱支撑铝支架的顶部；
高低温箱，其可滑动地连接所述温箱滑轨以可切换地提供不同温度环境，高低温箱包括可开闭的温箱门；
底部气缸，其连接所述高低温箱；
第一气动夹具，其连接所述底部气缸且延伸到所述高低温箱内；
顶部气缸，其连接所述主体框架；
第二气动夹具，其一端连接所述顶部气缸，另一端延伸到所述高低温箱内，所述第二气动夹具和第一气动夹具对齐；
待测动态海缆绝缘材料，其一端连接所述第一气动夹具，另一端连接第二气动夹具，待测动态海缆绝缘材料设于所述高低温箱中；
监测机构，其包括；
力学传感器，其一端连接所述底部气缸，另一端固定连接所述水平顶部以测量所述待测动态海缆绝缘材料受到的作用力；
信号输出接口，其连接所述力学传感器以实时输出作用力数据；
处理器，其连接所述信号输出接口、底部气缸、顶部气缸以及高低温箱，处理器发送温度-疲劳周期到底部气缸、顶部气缸以及高低温箱，力学传感器在温度-疲劳周期下实时测量作用力数据，本试验装置的处理器选用LeadTest数字式动态伺服控制器与SWS550可编程式温度控制器，处理器控制界面如图6所示，可基于温度-疲劳周期下所述作用力数据生成待测动态海缆绝缘材料的应力数据。
所述的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置中，所述温度-疲劳周期包括随温度变化加载应力和加载振动频率。
所述的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置中，每一疲劳周期内的疲劳频率以及幅值可调内的振动频率以及幅值可调。
所述的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置中，应力数据包括应力曲线、应力大小、频率和应变位移。
所述的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置中，第一气动夹具或第二气动夹具包括；
支撑杆，其延伸进入所述高低温箱内；
夹头，其连接所述支撑杆；
推杆，其设于所述夹头内且沿着所述支撑杆轴线延伸，所述推杆经由连接第一气动夹具的底部气缸致动或经由连接第二气动夹具的顶部气缸致动；
一对紧固配件，其相对于所述推杆倾斜布置，所述紧固配件和推杆固定待测试的动态海缆绝缘材料。
所述的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置中，第一气动夹具或第二气动夹具还包括用于致动所述紧固配件松紧的夹具控制开关。
所述的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置中，第一气动夹具或第二气动夹具还包括；
三点弯压头，其可松紧地夹持于第一气动夹具或第二气动夹具的下端，所述三点弯压头包括可拆卸连接第一气动夹具下端或第二气动夹具的下端的第一垂直块以及自第一垂直块底端延伸的第二垂直块，所述第二垂直块的厚度大于所述第一垂直块；
底部连接块，其销轴连接所述夹头，所述底部连接块的上表面设有滑槽；
一对底部支撑装置，其底部设有凸起，所述凸起滑动连接所述滑槽，底部支撑装置设有用于固定于底部连接块的螺栓通孔以及用于夹持待测试的动态海缆绝缘材料的夹持块。
所述的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置中，所述夹持块自所述底部支撑装置一端垂直向上延伸，所述螺栓通孔为长条通槽。
所述的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置中，所述底部框架的底部设有底部脚杯。
所述的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置中，所述力学传感器经由底部调节螺钉连接所述水平顶部。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：由于动态海缆运行工况是竖直悬浮于海水中，会受到多种力学载荷的叠加作用，在运行过程中其绝缘材料其往往面临着电-热-机械等多种失效因素，一旦绝缘材料出现过热、蠕变以及疲劳等失效，将可能引起电缆击穿，造成风电系统事故。本发明能够复现动态海缆绝缘材料在实际运行工况下受到的温度-疲劳老化协同作用，满足如0.005～5000N的应力范围、最大频率5Hz的频率加载范围以及-150～200℃的高低温环境，显著提高了动态海缆绝缘材料的测试精度。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置的剖面示意图；
图3是根据本发明一个实施例的动态海缆在海水中受到的力学载荷示意图；
图4是根据本发明一个实施例的拉伸机构的结构示意图；
图5是根据本发明一个实施例的三点弯机构的结构示意图；
图6是根据本发明一个实施例的处理器的控制界面示意图；
图7是根据本发明一个实施例的处理器的操作界面示意图。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图1至图7更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以各种形式实现本发明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发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
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来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。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发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，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发明实施例的限定。
为了更好地理解，如图1至图7所示，所述的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置的优选实例中，装置包括，
底部框架16，其具有水平顶部，
主体框架3，其支承于所述水平顶部；
温箱支撑铝支架13，其支承于所述水平顶部且位于所述主体框架3内；
温箱滑轨10，其水平支承于所述温箱支撑铝支架13的顶部；
高低温箱6，其可滑动地连接所述温箱滑轨10以可切换地提供不同温度环境，高低温箱6包括可开闭的温箱门；
底部气缸9，其连接所述高低温箱6；
第一气动夹具，其连接所述底部气缸9且延伸到所述高低温箱6内；
顶部气缸4，其连接所述主体框架3；
第二气动夹具，其一端连接所述顶部气缸4，另一端延伸到所述高低温箱6内，所述第二气动夹具和第一气动夹具对齐；
待测动态海缆绝缘材料，其一端连接所述第一气动夹具，另一端连接第二气动夹具，待测动态海缆绝缘材料设于所述高低温箱6中；
监测机构，其包括，
力学传感器11，其一端连接所述底部气缸9，另一端固定连接所述水平顶部以测量所述待测动态海缆绝缘材料受到的作用力；
信号输出接口17，其连接所述力学传感器11以实时输出作用力数据，
处理器，其连接所述信号输出接口17、底部气缸9、顶部气缸4以及高低温箱6，处理器发送温度-疲劳周期到底部气缸9、顶部气缸4以及高低温箱6，力学传感器11在温度-疲劳周期下实时测量作用力数据，处理器基于温度-疲劳周期下所述作用力数据生成待测动态海缆绝缘材料的应力数据。
所述的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置的优选实施例中，所述温度-疲劳周期包括随温度变化加载应力和加载振动频率。
所述的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置的优选实施例中，每一疲劳周期内的疲劳频率以及幅值可调内的振动频率以及幅值可调。
所述的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置的优选实施例中，应力数据包括应力曲线、应力大小、频率和应变位移。
所述的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置的优选实施例中，第一气动夹具或第二气动夹具包括，
支撑杆29，其延伸进入所述高低温箱6内，
夹头26，其连接所述支撑杆29，
推杆27，其设于所述夹头26内且沿着所述支撑杆29轴线延伸，所述推杆27经由连接第一气动夹具的底部气缸9致动或经由连接第二气动夹具的顶部气缸4致动，
一对紧固配件28，其相对于所述推杆27倾斜布置，所述紧固配件28和推杆27固定待测试的动态海缆绝缘材料。
所述的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置的优选实施例中，第一气动夹具或第二气动夹具还包括用于致动所述紧固配件28松紧的夹具控制开关14。
所述的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置的优选实施例中，第一气动夹具或第二气动夹具还包括，
三点弯压头21，其可松紧地夹持于第一气动夹具或第二气动夹具的下端，所述三点弯压头21包括可拆卸连接第一气动夹具下端或第二气动夹具的下端的第一垂直块以及自第一垂直块底端延伸的第二垂直块，所述第二垂直块的厚度大于所述第一垂直块，
底部连接块23，其销轴连接所述夹头26，所述底部连接块23的上表面设有滑槽，
一对底部支撑装置24，其底部设有凸起，所述凸起滑动连接所述滑槽，底部支撑装置24设有用于固定于底部连接块23的螺栓通孔以及用于夹持待测试的动态海缆绝缘材料的夹持块。
所述的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置的优选实施例中，所述夹持块自所述底部支撑装置24一端垂直向上延伸，所述螺栓通孔为长条通槽。
所述的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置的优选实施例中，所述底部框架16的底部设有底部脚杯18。
所述的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置的优选实施例中，所述力学传感器11经由底部调节螺钉12连接所述水平顶部。
在一个实施例中，装置包括：
装置主体，所述装置主体上设置有高低温箱6，用于对待测动态海缆绝缘材料高低温环境下进行测试；所述装置主体上还设置有固定机构，用于对待测动态海缆绝缘材料进行夹紧固定；所述装置主体上还设置有拉伸机构，用于对固定后的待测动态海缆绝缘材料进行拉伸试验；所述装置主体上还设置有可替换的三点弯机构，用于对待测动态海缆进行三点弯试验；所述装置还包括监测机构，用于实时传输所述待测动态海缆绝缘材料在拉伸或三点弯过程中的应力曲线，反馈应力大小、频率、应变位移等信号。
本实施例将高低温箱6与疲劳试验机有效结合，使得动态海缆用绝缘材料能够同时进行疲劳-高低温老化试验，贴合动态海缆绝缘材料的实际运行工况。并且，由于高低温箱6的温度加载与疲劳试验机应力加载都可以通过程序进行预先设定，可以根据动态海缆实际应用负荷情况以及水文环境情况对试验参数进行分段编程，进一步模拟实际运行工况，结合老化后电学-力学-理化性能测试，评估绝缘材料能否满足动态海缆实际运行需求。
本实施例所采用的高低温箱6的温度范围为-150～200℃，不仅能有效模拟动态海缆绝缘材料在常规海域下运行的温度，同时低温场景的设计也考虑了动态海缆未来在极地风电开发下的应用场景。总而言之，相比常规疲劳老化试验机，采用热-疲劳老化试验装置，简化了常规老化试验方法下疲劳老化、温度老化分布进行的试验流程，热-疲劳老化同时进行，可以有效的模拟动态海缆绝缘材料的运行工况，实现热-疲劳协同老化作用，实现对动态海缆绝缘材料进行更准确的评估。
另一个实施例中，如图4所示，所述拉伸机构包括疲劳试验机的支撑杆29，气动夹具的紧固配件28，气动夹具的推杆27，气动夹具的夹头26以及气动夹具19，气动夹具19可以是第一气动夹具或第二气动夹具。
本实施例中，气动夹具19通过紧固配件28固定在夹头26上，夹头26通过螺栓固定在支撑杆29上，夹具控制开关14可命令气缸进气与排气控制气动夹具的推杆27动作，进一步控制气动夹具19夹紧与放松。
另一个实施例中，如图5所示，三点弯机构包括三点弯压头21，底部连接块23，其端部平面设有与气动夹具夹头26端部平面配合的销钉孔22。此外，两个底部支撑装置24上分别有螺栓通孔25。
本实施例中，所述三点弯机构部件安装在拉伸部件上，使得疲劳试验装置进行三点弯疲劳试验。三点弯压头21尾端可被气动夹具19的夹紧构成三点弯机构上端。底部连接块23通过端部平面销钉孔22安装在气动夹具夹头26上表面，两个底部支撑装置24上分别有螺栓通孔25，可在底部连接块23上调节间距并固定，构成三点弯机构的底部。
另一个实施例中，所述固定机构包括夹紧组件与支撑组件。
本实施例中，夹紧组件包括气动夹具的紧固配件28，气动夹具的推杆27，气动夹具的夹头26，气动夹具19、顶部气缸4、底部气缸9以及夹具控制开关14。支撑组件包括三点弯压头21，底部连接块23以及底部支撑装置24。对动态海缆绝缘材料进行拉伸疲劳试验时，将试样下端放置到气动夹具19下端，使用夹具控制开关14控制底部气缸9使推杆27动作，进一步使气动夹具19下端夹紧试样；通过伺服电机控制器20控制伺服电机1，使其沿着电机动作滑轨2运动，带动气动夹具19顶部运动至试验初始位置，使用夹具控制开关14通过顶部气缸4使推杆27动作，进一步使气动夹具19上端夹紧试样上端，待试样上下端完全控制住后，再通过伺服电机控制器20控制伺服电机1沿电机动作滑轨2运动，使得试验开始前试样受力足够小至可忽略的水平。
对动态海缆绝缘材料进行三点弯疲劳试验时，将三点弯的上部件和下部件安装在气动夹具19的上下两端。所述三点弯上部件包含三点弯压头21，将三点弯压头21放置在气动夹具19下端，使用夹具控制开关14通过顶部气缸4使推杆27动作，进一步使气动夹具19上端夹紧三点弯压头21。所述的夹头26端面两侧安装有销钉孔22，所述三点弯下部件包含底部连接块23以及两个底部支撑装置24。所述底部连接块23设置有销钉孔22，所述底部支撑装置24上设置有螺栓通孔25，所述三点弯下部件通过销钉孔22分别固定下部件的底部连接块23以及两个底部支撑装置24。此外，底部连接块23上刻有刻度标记，以帮助设置所需的跨度长度，这可以通过滑动底部支撑装置24到所需的位置来实现。
另一个实施例中，所述高低温箱6下设有温箱支撑铝支架13，支架上端配有温箱滑轨10。
另一个实施例中，底部框架16设有设备开关15。
本实施例中，高低温箱6可以通过温箱滑轨10在温箱支撑铝支架13上向后滑动，使得气动夹具19暴露在外部环境中，实现动态海缆绝缘材料常温下的疲劳试验，切换高低温与常温的测试环境。
另一个实施例中，所述高低温箱6顶部与底部还设置有顶部尼龙挡板5与底部尼龙挡板8。本实施例中，顶部尼龙挡板5与底部尼龙挡板8用于隔绝所述高低温箱6的温度外泄，降低温度损失，二者与温箱门紧固螺丝7的作用为提升高低温测试时温度控制精度。
另一个实施例中，所述监测机构包括力学传感器11以及信号输出接口17。本实施例中，试样装置主体上的力学传感器11支持多种型号更替，对于测量小尺寸的动态海缆绝缘材料，可使用最大量程为100N的力学传感器，对于金属材料或刚度较大的材料，可替换最大量程为5000N的传感器，可实现该设备对于大尺寸材料以及非聚合物材料温度-疲劳协同测试的扩展。此外，信号输出接口17可以向外部电脑实时传输疲劳试验机伺服电机的加载应力曲线，主机软件端可以同时显示信号输出接口传输的应力加载曲线与力学传感器11实时测试的应力曲线，通过对比两个传输结果，可以实时监测应力加载过程与测试过程中材料参数变化的反馈，有效的保证疲劳试验装置的测试精度与多个周期重复运动的准确性。本实施例中，所述底部调节螺钉位于所述力学传感器低端，以保证在安装和调试过程中控制夹具间距，实现夹具间距的粗调。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。
Claims (10)
1.一种动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置，其包括,
装置主体，其包括；
底部框架，其具有水平顶部；
主体框架，其支承于所述水平顶部；
温箱支撑铝支架，其支承于所述水平顶部且位于所述主体框架内；
温箱滑轨，其水平支承于所述温箱支撑铝支架的顶部；
高低温箱，其可滑动地连接所述温箱滑轨以可切换地提供不同温度环境，高低温箱包括可开闭的温箱门；
底部气缸，其连接所述高低温箱；
第一气动夹具，其连接所述底部气缸且延伸到所述高低温箱内；
顶部气缸，其连接所述主体框架；
第二气动夹具，其一端连接所述顶部气缸，另一端延伸到所述高低温箱内，所述第二气动夹具和第一气动夹具对齐；
待测动态海缆绝缘材料，其一端连接所述第一气动夹具，另一端连接第二气动夹具，待测动态海缆绝缘材料设于所述高低温箱中；
监测机构，其包括；
力学传感器，其一端连接所述底部气缸，另一端固定连接所述水平顶部以测量所述待测动态海缆绝缘材料受到的作用力；
信号输出接口，其连接所述力学传感器以实时输出作用力数据；
处理器，其连接所述信号输出接口、底部气缸、顶部气缸以及高低温箱，处理器发送温度-疲劳周期到底部气缸、顶部气缸以及高低温箱，力学传感器在温度-疲劳周期下实时测量作用力数据，处理器基于温度-疲劳周期下所述作用力数据生成待测动态海缆绝缘材料的应力数据。
2.根据权利要求1所述的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置，其中，所述温度-疲劳周期包括随温度变化加载应力和加载振动频率。
3.根据权利要求2所述的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置，其中，每一疲劳周期内的疲劳频率以及幅值可调内的振动频率以及幅值可调。
4.根据权利要求1所述的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置，其中，应力数据包括应力曲线、应力大小、频率和应变位移。
5.根据权利要求1所述的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置，其中，第一气动夹具或第二气动夹具包括；
支撑杆，其延伸进入所述高低温箱内；
夹头，其连接所述支撑杆；
推杆，其设于所述夹头内且沿着所述支撑杆轴线延伸，所述推杆经由连接第一气动夹具的底部气缸致动或经由连接第二气动夹具的顶部气缸致动；
一对紧固配件，其相对于所述推杆倾斜布置，所述紧固配件和推杆固定待测试的动态海缆绝缘材料。
6.根据权利要求5所述的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置，其中，第一气动夹具或第二气动夹具还包括用于致动所述紧固配件松紧的夹具控制开关。
7.根据权利要求5所述的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置，其中，第一气动夹具或第二气动夹具还包括；
三点弯压头，其可松紧地夹持于第一气动夹具或第二气动夹具的下端，所述三点弯压头包括可拆卸连接第一气动夹具下端或第二气动夹具的下端的第一垂直块以及自第一垂直块底端延伸的第二垂直块，所述第二垂直块的厚度大于所述第一垂直块；
底部连接块，其销轴连接所述夹头，所述底部连接块的上表面设有滑槽；
一对底部支撑装置，其底部设有凸起，所述凸起滑动连接所述滑槽，底部支撑装置设有用于固定于底部连接块的螺栓通孔以及用于夹持待测试的动态海缆绝缘材料的夹持块。
8.根据权利要求7所述的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置，其中，所述夹持块自所述底部支撑装置一端垂直向上延伸，所述螺栓通孔为长条通槽。
9.根据权利要求1所述的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置，其中，所述底部框架的底部设有底部脚杯。
10.根据权利要求1所述的动态海缆绝缘材料测试的热-疲劳老化试验装置，其中，所述力学传感器经由底部调节螺钉连接所述水平顶部。
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