王彥淞 朱聰聰
(徐州工程學(xué)院機電工程學(xué)院 江蘇徐州 221018)
材料受高速粒子流以一定的角度撞擊而產(chǎn)生的損傷現(xiàn)象被稱為沖蝕磨損[1-2]。沖蝕磨損隨著粒子和載體種類的不同發(fā)生在各種場合,容易引起嚴重的材料破壞,導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟損失[3-4]。當(dāng)載體為氣體時,根據(jù)粒子分別為固體顆粒和小液滴可將沖蝕分為氣固型噴砂沖蝕和氣液水蝕,此兩類沖蝕損傷常見于渦輪葉片、火力發(fā)電站煤鍋爐和高速飛行器、導(dǎo)彈、蒸汽機等場合,氣固型噴砂沖蝕常應(yīng)用于噴砂除銹等場合;當(dāng)載體為液體時,根據(jù)粒子分別為固體顆粒和小氣泡可將沖蝕分為液固型泥漿沖蝕和氣蝕,此兩類沖蝕損傷常見于建筑設(shè)備、礦山設(shè)備、石油鉆探使用的水輪機葉片、輸送物料彎管和螺旋槳、水泵機葉輪、輸送液體管線閥門等場合,泥漿型沖蝕常用于磨料水射流加工。沖蝕種類較多,但氣固型噴砂沖蝕發(fā)生的場合較多,所以本文主要綜述氣固型沖蝕試驗機的研究進展,旨在為后續(xù)研究提供一定的借鑒。
氣固型沖蝕試驗機主要有噴射式、懸臂式和真空自由落體式?jīng)_蝕試驗機等種類。
噴射式?jīng)_蝕試驗機主要依賴高速氣流產(chǎn)生的負壓使粒子高速運動撞擊到材料表面,造成材料損傷,此種情形為實際工況中常見的設(shè)備損傷情形。該類沖蝕試驗機主要通過控制沖蝕角度、沖蝕距離和沖砂量來研究各參數(shù)對材料沖蝕損傷的影響。該設(shè)備原理、結(jié)構(gòu)簡單,且容易控制工藝參數(shù),粒子運動速度可完全由氣體壓強控制。但粒子速度未知,且粒子速度對材料沖蝕損傷較大,所以需要專用設(shè)備(如高速攝像機)和處理技術(shù)對粒子的運動狀態(tài)進行檢測和分析。由于粒子運動速度較大快,所以對該類沖蝕設(shè)備的安全性能要求較高,在設(shè)計、制作該設(shè)備時,需考慮到設(shè)備結(jié)構(gòu)和材料強度是否達到安全要求。如圖1 所示,馬松林[5]等人設(shè)計了一套噴射式?jīng)_蝕實驗設(shè)備,通過噴嘴(拉瓦爾管)的結(jié)構(gòu)設(shè)計使得粒子加速至300m/s 以上,改進了絲杠的螺旋傳動使得供砂量精確連續(xù)可控。通過高速攝像機獲得了沖蝕過程中粒子的運動軌跡,便于分析粒子速度進而改進噴嘴結(jié)構(gòu),最終達到試驗要求。并對粒子速度和供砂量進行標定,結(jié)果表明粒子速度和供砂量符合實驗要求。
圖1 沖蝕系統(tǒng)實物圖
圖2 彈射裝置及角形顆粒
上述設(shè)備適用于研究大量粒子的沖蝕磨損實驗,但若需研究單個粒子運動狀態(tài)及沖蝕機理,如用高速攝像機進行拍攝,大量粒子運動必會造成干擾。所以需要一種專門用于研究單粒子沖蝕的設(shè)備。如圖2 所示,李增亮等人[6-8]研制了一套用于研究單粒子沖蝕的實驗設(shè)備,利用桿件的彈性變形加速粒子,研究了粒子速度和沖蝕角度及方位角對材料沖蝕損傷的影響,較全面揭示了單個角形粒子的沖蝕機理。該設(shè)備可實現(xiàn)粒子速度的自由控制,且可通過高速攝像機拍攝粒子的動態(tài)沖蝕過程。
綜上可知,噴射式?jīng)_蝕試驗設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單,且容易控制試驗參數(shù),對多粒子和單個粒子沖蝕實驗,已有專門的設(shè)備被制作并應(yīng)用于試驗研究。且該類設(shè)備有較大的改進空間,如加入溫度控制和監(jiān)測模塊,可研究環(huán)境溫度對材料抗沖蝕性能的影響;加入磨料過濾、回收模塊,可對磨料進行循環(huán)利用;加入電控模塊,可實現(xiàn)對沖蝕參數(shù)的自動化控制和檢測等。
懸臂式?jīng)_蝕試驗機主要通過懸臂旋轉(zhuǎn)帶動粒子運動達到加速目的,即粒子運動速度由懸臂長度和角速度控制。試樣隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動,可同時對多個試樣進行試驗,通過控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速控制試樣的沖蝕時間。若對該裝置進行真空處理,則可消除重力加速度的影響,對粒子的濃度控制更加方便。該裝置適合旋轉(zhuǎn)類機械的沖蝕磨損研究,如葉片、葉輪等。較方便控制沖蝕角度、沖蝕距離和沖蝕速度。但由于懸臂長度的限制,若要粒子達到較高速度,則需對懸臂角速度有較高要求,因此對于該類設(shè)備的強度和安全性能應(yīng)特別注意。
由上述對三種沖蝕實驗設(shè)備的綜述可知,噴射式?jīng)_蝕試驗機的原理、結(jié)構(gòu)簡單,且容易控制較多的沖蝕參數(shù),改進空間較大。懸臂式和真空自由落體式結(jié)構(gòu)簡單,容易測得粒子速度,但不如噴射式靈活,所以人們大都采用噴射式試驗裝置。但由于存在系統(tǒng)誤差,通過計算得到的粒子速度仍需要專業(yè)設(shè)備進行測量,所以噴射式?jīng)_蝕試驗機常常搭配高速攝像機使用。
本文分別綜述了噴射式?jīng)_蝕試驗機、懸臂式?jīng)_蝕試驗機和真空自由落體式?jīng)_蝕試驗機的原理、結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點,噴射式?jīng)_蝕試驗機可以較容易控制沖蝕角度、沖蝕距離和沖砂量等試驗參數(shù),但需要其他設(shè)備進行粒子速度的監(jiān)測;懸臂式?jīng)_蝕試驗機和真空自由落體式?jīng)_蝕試驗機容易控制粒子速度,但若使粒子高速運動,對設(shè)備的結(jié)構(gòu)要求較高。由此可知,噴射式?jīng)_蝕試驗機的應(yīng)用范圍較廣。
除了針對研究上述實驗參數(shù)而研發(fā)的沖蝕試驗機外,對于研究溫度、酸堿度等因素對材料抗沖蝕性能的影響的沖蝕試驗機的報道較少。因此可對常見的沖蝕試驗機進行改進,如加入溫控模塊和溫度檢測模塊,可研究發(fā)動機葉片在高溫環(huán)境下的沖蝕磨損,進一步接近實際工況;加入進水口,可研究三相流環(huán)境下的沖蝕情況;研究腐蝕-沖蝕綜合作用下材料的損傷。