射流式冲蚀磨损试验机的研制.doc

射流式冲蚀磨损试验机的研制
张玉萍收稿日期：
张玉萍（1981-），女，河南新郑人，西安理工大学材料科学与工程学院在读硕士研究生，主要从事耐磨材料研究。
作者联系方式：电话：[phone]，Email：ZYPZQZY@
周永欣 吕振林 邢志国 袁中岳
（西安理工大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710048）
摘要：综合运用机械设计制造、流体力学原理及水工原理等知识，研制了一台造价低廉、操作方便的射流式料浆冲蚀磨损试验机。初步试验表明，该试验机所测性能稳定，数据可靠，适合用于模拟实际工况条件下材料冲蚀磨损机理分析及材料耐冲蚀性能测试。
关键词：喷射式试验机；研制；冲蚀磨损
Design and Manufacture of a Multi-function Slurry Test Rig
Zhang Yu-ping Zhou Yong-xin Lv Zhen-lin Xing Zhi-guo Yuan Zhong-yue
(School of Materials Science and Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 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
冲蚀磨损指的是材料受到小而松散的流动粒子冲击时表面出现破坏的一类磨损现象，是由多相流动介质冲击材料表面而造成的。冲蚀磨损已经成为许多工业部位中材料破坏的原因之一，英国科学家Eyre认为冲蚀磨损占工业生产中磨损破坏总数的8% 【1】。目前我国对冲蚀磨损的研究还不多，实验方法和设备还不够完善，因此有必要进行这方面的研究。
多年来各国的科学技术人员研制了许多不同类型的料浆冲蚀磨损试验机，这些试验机按结构形式分主要有三种：管流式实验装置【2-3】，旋转式实验装置【4】和喷射式实验装置【5-6】。
图1 射流式料浆冲蚀设备结构示意图

管流式实验装置主要由贮液槽、循环泵、管线、控制阀、流量计、温控系统及测试部分组成。管流实验的主要优点是能较好地模拟管道冲刷的实际工况，但整套系统占据空间很大，实验所需溶液量大，实验周期长,循环泵需要持续运转，还有泵阀的可靠性以及如何防止泄漏问题，整套装置的费用和实验费用都很高,这些都是不可忽视的缺点。旋转式实验装置是目前国内研究人员用的较多的一种装置，但它有较明显的缺点：因试样在旋转,冲蚀角度不能有效控制。喷射式试验装置的实验费、设备费均较低，实验周期短，冲蚀角度和液体流速都很易控制且能达到很高的流速，其冲蚀速度是由两个阀门和喷头的结构共同控制的。我们对这种试验机的喷头结进行了设计，采用流体力学计算方法对其进行了有效改进，使试验机的冲蚀速度和料浆含砂量都有了较大提高。
1. 射流式冲蚀磨损试验机的结构设计
本射流式冲蚀设备由4部分组成，分别为：喷头部分，试样装夹部分，控制料浆循环回路部分和贮液槽部分。喷头部分由混合腔、抽吸管、吸射水管和出口管组成；试样装夹部分即为射流式料浆冲蚀设备的样品室由试样横梁、试样横梁支座、样品夹组成；料浆循环控制回路由输水管道、泵体及压力表等元件组成；贮液槽部分由水槽、砂床、砂床支架、出水管支架和吸射水管支架组成。试验机的结构示意图如图1所示。打开液流阀，关闭空气阀往贮液槽中注满水，此试验机即为射流式料浆冲蚀设备；如果关闭液流阀、打开空气阀且贮液槽中无水、砂床中为干砂时,此试验机即为喷砂式固体粒子冲蚀磨损设备。
图2 喷头结构示意图
1.1 喷头尺寸的确定
此试验机的最核心部分是喷头的设计，通过吸射式喷头设计较成功地解决了料浆流过循环泵时造成泵体、管路、阀门等过流部件冲蚀磨损给试验带来的不稳定问题。喷头结构如图2所示。喷头参数的稍许变化就会引起冲蚀速度和料浆含砂量的很大变化。料浆由喷头进水口、出水口和抽吸管由于压力差所形成的负压经由抽吸管吸入的固体颗粒与水混合而成。经过大量的试验和验证，最终确定喷头的尺寸如下：吸射
水管直径d1=4mm，出水管直径d2=8mm，混合腔直径D1=50mm，抽吸管直径D2=40mm，L1=170mm，L2=30mm。
喷头尺寸的确定须展开大量试验工作，以了解射流参数，如喷头上的压力、射流速度、水的流量、料浆含砂量等之间的关系，特别是喷头中吸射水管出口距离抽吸管轴线的距离（X）。表1为喷头上的压力、水的流量、料浆含砂量与X的关系。
表1 X与料浆含砂量、吸射水管压力及流量的关系
X/mm
含砂量/%
压力/MP
流量/（L/min）
1
5.4
0.02
4.1
2
6.9
0.05
4.1
3
7.6
0.10
4.1
4
8.5
0.16
4.1
5
7.2
0.13
4.1
6
6.1
0.08
4.1
1.2 喷头中负压的计算
由于料浆中水的含量远远大于砂粒的含量，且液流携带砂粒直接从吸射水管射向出水管,可以认为喷头结构是一个二通管道，抽吸管封闭；从混合腔到出口管的出口处的整个流场中的流体的运动参数只随位置改变而与时间无关，为稳定流并且为理想流体；在整个流场中料浆的密度不变，为不可压缩流体。由文献[7]可知，从混合腔到出口管的出口处的料浆流体符合伯努利方程的条件，即：
（1）在整个流场内流体的密度不变，即为不可压缩流体（＝常数）；
（2）流体处于稳定流状态，并且为理想流体；
（3）流体质点由位置1运动到位置2，则高度变化从z 1到z 2,速度变化从到，压力变化从到。
由伯努利方程：
ｇｚ＋P＋2＝常数 （1-1）
式中：z——表示基点与基准面间的距离，m；
——基点的压力，Pa；
——基点的流速，。
选取喷头轴线上吸射水管出口处点1和出水管处点2为研究对象，设吸射水管出口处点1、出水管处点2和抽吸管处压强分别为、 、。由于点1和点2的z值相同，伯努利方程可简化为：
（1-2）
即： （1-3）
不考虑喷头管壁内的摩擦，由流量计读数计算出出口管料浆冲击靶材的速度为1～11。因料浆中含砂量在10%以下，可近似认为≈=1000。由于吸射水管与出口管直径的最佳比值在0.4～0.6【2】，取两者之间直径的比值0.5，故。
由式（1-3）可得：
当出水管流速=1时，则=4， ，代入数据得==-7500Pa；
当出水管流速=4时，则=44，，代入数据得==-907500Pa。
在两种极限情况下抽吸管处总有负压，理论上满足了固体粒子从抽吸管进入混合腔与液体混合成料浆的要求。
2. 试验机的工作原理
流体在离心泵的驱动下流向喷头，用流量计及压力计控制和测量其流动情况。喷头具有吸射式结构，可以凭借流体速度产生的抽吸力通过一垂直吸管从料斗中吸取固体粒子并在喷头内腔混成料浆，再射向靶面，喷头结构如图2所示。冲击靶材表面失速的固体粒子连同液体将落回到料斗中。液槽分为两部分，通过滤网将清流回流到循环系统中。为降低腐蚀，用不锈钢板管制造管路和液槽。固体粒子的用量在3～4千克左右，多为石英砂。这台设备的结构简单、操作容易，可以通过样品架改变冲击角（冲击角有0°、30°、45°、60°、90°五种选择），由流量计读数及经过校正的压力参数测出喷射速度，收集试验中的砂量和流量可计算出砂浆浓度。如果关闭液流阀、开启空气阀，从进气口用鼓风机吹入一定压力的空气，试验机即可作为固体粒子冲蚀磨损设备进行工作。
3. 试验机的操作方法
(1) 制备试样：根据试验的要求,本试验机使20mm×20 mm×10mm的长方体试样,清洗试样并称重。
(2) 准备磨料：根据试验要求,备好相应种类和粒度的石英砂磨料。
(3) 按要求安装试样，调节试样横梁和试样在试样夹上的相对位置达预定冲击角度。
(4) 调节旁路阀达到预定位置并固定。
(5) 开启水泵（空气泵）,并开始计时 ,直至达到预定时间.
(6) 取下试样,用丙酮进行清洗,在精度达万分之一光电天平上称重.计算冲蚀磨损失重及冲蚀磨损率,冲蚀磨损率按下式计算:
E =试样失重（mg）
图3 料浆含砂量稳定性测试
4.试验机的测试
4.1 射流料浆含砂量的稳定性
料浆中含砂量的稳定性可直接地反映出射流速度的稳定性及冲蚀磨损时间的稳定性,为此对料浆含砂量（质量百分数）的
稳定性进行了检测,其结果见图3。
由图3我们可以看出料浆含砂量稳定，故此试验机适用于做冲蚀磨损机理和规律的研究，也适用于材料耐磨性测试。
4.2 数据的稳定性
采用高铬铸铁，采用3块试样，每块试样重复四次，在相同条件下进行冲蚀磨损试验，其结果见表2。其中同一试验号、不同试样号的冲蚀磨损失重反映了试验机的数据重复性，同一试样号、不同实验号的冲蚀磨损失重反映了试验机的数据稳定性。从表中可以看出该试验机的数据重复性误差和数据稳定性误差均低于6%。

表2 试验机数据稳定性测试
试样编号
磨损失重ΔW/mg
1# 2# 3# 4#
平均值/mg
数据重复性最大误差/%
A
21.0 19.5 21.8 20.2
20.6
5.8
B
19.6 20.7 21.1 18.9
20.1
6.0
C
20.5 21.3 19.8 19.6
20.3
4.9
平均值/mg
20.4 20.5 20.9 19.6
20.3
3.9
数据稳定性最大误差/%
4.4 4.9 5.3 3.6
1.5

说明：磨料为20～30目普通石英砂，射流速度11m/s，料浆含砂量为8.5%，冲蚀角度90°，冲蚀时间2h。
5. 结论
（1）运用流体力学和机械设计制造原理可以制造出理论上符合应用要求的多功能冲蚀磨损试验机。
（2）抽吸管轴线与吸射水管出口的最佳距离为4mm。
（3）本试验机数据重复性和重现性良好。
(4) 研制的试验机造价低 ,操作方便 ,适用于各种材质冲蚀磨损机理和规律的研究 ,也适用于材料耐磨性测试。
参考文献：
[1] 徐滨士，朱绍华.表面工程的理论与技术[M].北京：国防工业出版社，1999：43-56
[2] 姜晓霞，李诗卓，李曙.金属的腐蚀磨损[M].北京：化学工业出版社，2003：122-123
[3] M. Suckling, C.Allen.The design of an apparatus to test wear of boiler tubes[J].Wear，1995（186-187）：266-272
[4] 饶启昌,高峰,刘福玲.铬系白口铸铁腐蚀磨损特性的研究[J].西安:西安交通大学学报,1988,22(6)：53-61.
[5] Q. Fang,H.Xu, P.S.Sidky,M.G.Hocking. Erosion of ceramic materials by a sand/water slurry jet[J].Wear,1999(224): 183–193
[6] 蒋业华,周荣,邢建东, 卢德宏.不同颗粒粒度表面复合材料的耐冲蚀磨损性能[J].铸造，2003（9）：664-667
[7] 归柯庭，汪军，王秋颖.工程流体力学[M].北京：科学出版社，2005：94