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射流式?jīng)_蝕磨損試驗(yàn)機(jī)的研制張玉萍收稿日期:張玉萍(1981-),女,河南新鄭人,西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院在讀碩士研究生,主要從事耐磨材料研究。作者聯(lián)系方式:電話:02982312437,Email:ZYPZQZY126.com 周永欣 呂振林 邢志國(guó) 袁中岳(西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710048)摘要:綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)制造、流體力學(xué)原理及水工原理等知識(shí),研制了一臺(tái)造價(jià)低廉、操作方便的射流式料漿沖蝕磨損試驗(yàn)機(jī)。初步試驗(yàn)表明,該試驗(yàn)機(jī)所測(cè)性能穩(wěn)定,數(shù)據(jù)可靠,適合用于模擬實(shí)際工況條件下材料沖蝕磨損機(jī)理分析及材料耐沖蝕性能測(cè)試。關(guān)鍵詞:噴射式試驗(yàn)機(jī);研制;沖蝕磨損Design and Manufacture of a Multi-function Slurry Test RigZhang Yu-ping Zhou Yong-xin Lv Zhen-lin Xing Zhi-guo Yuan Zhong-yue(School of Materials Science and Engineering, Xian University of Technology, Xian 710048,China )Abstract: In order to study the slurry erosion properties of materials, a slurry erosion test rig was designed and manufactured based on machine design and manufacturing, hydromechanics principle and the water work principle etc. This erosion tester is low in price and easy to be operated. The testing shows that this slurry erosion tester is stable and reliable, and it can be applied for erosion wear mechanism research and material selection. Key words: jet tester design and manufacture erosion wear 沖蝕磨損指的是材料受到小而松散的流動(dòng)粒子沖擊時(shí)表面出現(xiàn)破壞的一類磨損現(xiàn)象,是由多相流動(dòng)介質(zhì)沖擊材料表面而造成的。沖蝕磨損已經(jīng)成為許多工業(yè)部位中材料破壞的原因之一,英國(guó)科學(xué)家Eyre認(rèn)為沖蝕磨損占工業(yè)生產(chǎn)中磨損破壞總數(shù)的8% 【1】。目前我國(guó)對(duì)沖蝕磨損的研究還不多,實(shí)驗(yàn)方法和設(shè)備還不夠完善,因此有必要進(jìn)行這方面的研究。多年來(lái)各國(guó)的科學(xué)技術(shù)人員研制了許多不同類型的料漿沖蝕磨損試驗(yàn)機(jī),這些試驗(yàn)機(jī)按結(jié)構(gòu)形式分主要有三種:管流式實(shí)驗(yàn)裝置【2-3】,旋轉(zhuǎn)式實(shí)驗(yàn)裝置【4】和噴射式實(shí)驗(yàn)裝置【5-6】。圖1 射流式料漿沖蝕設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖管流式實(shí)驗(yàn)裝置主要由貯液槽、循環(huán)泵、管線、控制閥、流量計(jì)、溫控系統(tǒng)及測(cè)試部分組成。管流實(shí)驗(yàn)的主要優(yōu)點(diǎn)是能較好地模擬管道沖刷的實(shí)際工況,但整套系統(tǒng)占據(jù)空間很大,實(shí)驗(yàn)所需溶液量大,實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng),循環(huán)泵需要持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),還有泵閥的可靠性以及如何防止泄漏問(wèn)題,整套裝置的費(fèi)用和實(shí)驗(yàn)費(fèi)用都很高,這些都是不可忽視的缺點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)式實(shí)驗(yàn)裝置是目前國(guó)內(nèi)研究人員用的較多的一種裝置,但它有較明顯的缺點(diǎn):因試樣在旋轉(zhuǎn),沖蝕角度不能有效控制。噴射式試驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)費(fèi)、設(shè)備費(fèi)均較低,實(shí)驗(yàn)周期短,沖蝕角度和液體流速都很易控制且能達(dá)到很高的流速,其沖蝕速度是由兩個(gè)閥門和噴頭的結(jié)構(gòu)共同控制的。我們對(duì)這種試驗(yàn)機(jī)的噴頭結(jié)進(jìn)行了設(shè)計(jì),采用流體力學(xué)計(jì)算方法對(duì)其進(jìn)行了有效改進(jìn),使試驗(yàn)機(jī)的沖蝕速度和料漿含砂量都有了較大提高。1. 射流式?jīng)_蝕磨損試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本射流式?jīng)_蝕設(shè)備由4部分組成,分別為:噴頭部分,試樣裝夾部分,控制料漿循環(huán)回路部分和貯液槽部分。噴頭部分由混合腔、抽吸管、吸射水管和出口管組成;試樣裝夾部分即為射流式料漿沖蝕設(shè)備的樣品室由試樣橫梁、試樣橫梁支座、樣品夾組成;料漿循環(huán)控制回路由輸水管道、泵體及壓力表等元件組成;貯液槽部分由水槽、砂床、砂床支架、出水管支架和吸射水管支架組成。試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。打開(kāi)液流閥,關(guān)閉空氣閥往貯液槽中注滿水,此試驗(yàn)機(jī)即為射流式料漿沖蝕設(shè)備;如果關(guān)閉液流閥、打開(kāi)空氣閥且貯液槽中無(wú)水、砂床中為干砂時(shí),此試驗(yàn)機(jī)即為噴砂式固體粒子沖蝕磨損設(shè)備。 圖2 噴頭結(jié)構(gòu)示意圖1.1 噴頭尺寸的確定此試驗(yàn)機(jī)的最核心部分是噴頭的設(shè)計(jì),通過(guò)吸射式噴頭設(shè)計(jì)較成功地解決了料漿流過(guò)循環(huán)泵時(shí)造成泵體、管路、閥門等過(guò)流部件沖蝕磨損給試驗(yàn)帶來(lái)的不穩(wěn)定問(wèn)題。噴頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。噴頭參數(shù)的稍許變化就會(huì)引起沖蝕速度和料漿含砂量的很大變化。料漿由噴頭進(jìn)水口、出水口和抽吸管由于壓力差所形成的負(fù)壓經(jīng)由抽吸管吸入的固體顆粒與水混合而成。經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)和驗(yàn)證,最終確定噴頭的尺寸如下:吸射水管直徑d1=4mm,出水管直徑d2=8mm,混合腔直徑D1=50mm,抽吸管直徑D2=40mm,L1=170mm,L2=30mm。 噴頭尺寸的確定須展開(kāi)大量試驗(yàn)工作,以了解射流參數(shù),如噴頭上的壓力、射流速度、水的流量、料漿含砂量等之間的關(guān)系,特別是噴頭中吸射水管出口距離抽吸管軸線的距離(X)。表1為噴頭上的壓力、水的流量、料漿含砂量與X的關(guān)系。 表1 X與料漿含砂量、吸射水管壓力及流量的關(guān)系X/mm含砂量/%壓力/MP流量/(L/min)15.40.0084.11.2 噴頭中負(fù)壓的計(jì)算由于料漿中水的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于砂粒的含量,且液流攜帶砂粒直接從吸射水管射向出水管,可以認(rèn)為噴頭結(jié)構(gòu)是一個(gè)二通管道,抽吸管封閉;從混合腔到出口管的出口處的整個(gè)流場(chǎng)中的流體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)只隨位置改變而與時(shí)間無(wú)關(guān),為穩(wěn)定流并且為理想流體;在整個(gè)流場(chǎng)中料漿的密度不變,為不可壓縮流體。由文獻(xiàn)7可知,從混合腔到出口管的出口處的料漿流體符合伯努利方程的條件,即:(1)在整個(gè)流場(chǎng)內(nèi)流體的密度不變,即為不可壓縮流體(常數(shù));(2)流體處于穩(wěn)定流狀態(tài),并且為理想流體;(3)流體質(zhì)點(diǎn)由位置1運(yùn)動(dòng)到位置2,則高度變化從z 1到z 2,速度變化從到,壓力變化從到。由伯努利方程:P2常數(shù) (1-1)式中:z表示基點(diǎn)與基準(zhǔn)面間的距離,m; 基點(diǎn)的壓力,Pa; 基點(diǎn)的流速,。選取噴頭軸線上吸射水管出口處點(diǎn)1和出水管處點(diǎn)2為研究對(duì)象,設(shè)吸射水管出口處點(diǎn)1、出水管處點(diǎn)2和抽吸管處壓強(qiáng)分別為、 、。由于點(diǎn)1和點(diǎn)2的z值相同,伯努利方程可簡(jiǎn)化為: (1-2)即: (1-3)不考慮噴頭管壁內(nèi)的摩擦,由流量計(jì)讀數(shù)計(jì)算出出口管料漿沖擊靶材的速度為111。因料漿中含砂量在10%以下,可近似認(rèn)為=1000。由于吸射水管與出口管直徑的最佳比值在0.40.6【2】,取兩者之間直徑的比值0.5,故。由式(1-3)可得:當(dāng)出水管流速=1時(shí),則=4, ,代入數(shù)據(jù)得=-7500Pa;當(dāng)出水管流速=4時(shí),則=44,代入數(shù)據(jù)得=-907500Pa。在兩種極限情況下抽吸管處總有負(fù)壓,理論上滿足了固體粒子從抽吸管進(jìn)入混合腔與液體混合成料漿的要求。2. 試驗(yàn)機(jī)的工作原理流體在離心泵的驅(qū)動(dòng)下流向噴頭,用流量計(jì)及壓力計(jì)控制和測(cè)量其流動(dòng)情況。噴頭具有吸射式結(jié)構(gòu),可以憑借流體速度產(chǎn)生的抽吸力通過(guò)一垂直吸管從料斗中吸取固體粒子并在噴頭內(nèi)腔混成料漿,再射向靶面,噴頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。沖擊靶材表面失速的固體粒子連同液體將落回到料斗中。液槽分為兩部分,通過(guò)濾網(wǎng)將清流回流到循環(huán)系統(tǒng)中。為降低腐蝕,用不銹鋼板管制造管路和液槽。固體粒子的用量在34千克左右,多為石英砂。這臺(tái)設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作容易,可以通過(guò)樣品架改變沖擊角(沖擊角有0、30、45、60、90五種選擇),由流量計(jì)讀數(shù)及經(jīng)過(guò)校正的壓力參數(shù)測(cè)出噴射速度,收集試驗(yàn)中的砂量和流量可計(jì)算出砂漿濃度。如果關(guān)閉液流閥、開(kāi)啟空氣閥,從進(jìn)氣口用鼓風(fēng)機(jī)吹入一定壓力的空氣,試驗(yàn)機(jī)即可作為固體粒子沖蝕磨損設(shè)備進(jìn)行工作。3. 試驗(yàn)機(jī)的操作方法(1) 制備試樣:根據(jù)試驗(yàn)的要求,本試驗(yàn)機(jī)使20mm20 mm10mm的長(zhǎng)方體試樣,清洗試樣并稱重。(2) 準(zhǔn)備磨料:根據(jù)試驗(yàn)要求,備好相應(yīng)種類和粒度的石英砂磨料。(3) 按要求安裝試樣,調(diào)節(jié)試樣橫梁和試樣在試樣夾上的相對(duì)位置達(dá)預(yù)定沖擊角度。(4) 調(diào)節(jié)旁路閥達(dá)到預(yù)定位置并固定。(5) 開(kāi)啟水泵(空氣泵),并開(kāi)始計(jì)時(shí) ,直至達(dá)到預(yù)定時(shí)間.(6) 取下試樣,用丙酮進(jìn)行清洗,在精度達(dá)萬(wàn)分之一光電天平上稱重.計(jì)算沖蝕磨損失重及沖蝕磨損率,沖蝕磨損率按下式計(jì)算: E =試樣失重(mg)圖3 料漿含砂量穩(wěn)定性測(cè)試4.試驗(yàn)機(jī)的測(cè)試4.1 射流料漿含砂量的穩(wěn)定性料漿中含砂量的穩(wěn)定性可直接地反映出射流速度的穩(wěn)定性及沖蝕磨損時(shí)間的穩(wěn)定性,為此對(duì)料漿含砂量(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))的 穩(wěn)定性進(jìn)行了檢測(cè),其結(jié)果見(jiàn)圖3。 由圖3我們可以看出料漿含砂量穩(wěn)定,故此試驗(yàn)機(jī)適用于做沖蝕磨損機(jī)理和規(guī)律的研究,也適用于材料耐磨性測(cè)試。 4.2 數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性采用高鉻鑄鐵,采用3塊試樣,每塊試樣重復(fù)四次,在相同條件下進(jìn)行沖蝕磨損試驗(yàn),其結(jié)果見(jiàn)表2。其中同一試驗(yàn)號(hào)、不同試樣號(hào)的沖蝕磨損失重反映了試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)重復(fù)性,同一試樣號(hào)、不同實(shí)驗(yàn)號(hào)的沖蝕磨損失重反映了試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。從表中可以看出該試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)重復(fù)性誤差和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性誤差均低于6%。 表2 試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性測(cè)試試樣編號(hào)磨損失重W/mg1# 2# 3# 4#平均值/mg數(shù)據(jù)重復(fù)性最大誤差/%A21.0 19.5 21.8 B19.6 20.7 21.1 18.920.16.0C20.5 21.3 19.8 19.620.34.9平均值/mg20.4 20.5 20.9 19.620.33.9數(shù)據(jù)穩(wěn)定性最大誤差/%4.4 4.9 5.3 3.61.5說(shuō)明:磨料為2030目普通石英砂,射流速度11m/s,料漿含砂量為8.5%,沖蝕角度90,沖蝕時(shí)間2h。5. 結(jié)論(1)運(yùn)用流體力學(xué)和機(jī)械設(shè)計(jì)制造原理可以制造出理論上符合應(yīng)用要求的多功能沖蝕磨損試驗(yàn)機(jī)。(2)抽吸管軸線與吸射水管出口的最佳距離為4mm。(3)本試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)重復(fù)性和重現(xiàn)性良好。(4) 研制的試驗(yàn)機(jī)造價(jià)低 ,操作方便 ,適用于各種材質(zhì)沖蝕磨損機(jī)理和規(guī)律的研究 ,也適用于材料耐磨性測(cè)試。參考文獻(xiàn):1 徐濱士,朱紹華.表面工程的理論與技術(shù)M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1999:43-562 姜曉霞,李詩(shī)卓,李曙.金屬的腐蝕磨損M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003:122-1233 M. 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