沖蝕實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究進(jìn)展

王彥淞 朱聰聰

（徐州工程學(xué)院機(jī)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(chēng)為沖蝕磨損[1-2]。沖蝕磨損隨著粒子和載體種類(lèi)的不同發(fā)生在各種場(chǎng)合，容易引起嚴(yán)重的材料破壞，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失[3-4]。當(dāng)載體為氣體時(shí)，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(lèi)沖蝕損傷常見(jiàn)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(jī)等場(chǎng)合，氣固型噴砂沖蝕常應(yīng)用于噴砂除銹等場(chǎng)合；當(dāng)載體為液體時(shí)，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(lèi)沖蝕損傷常見(jiàn)于建筑設(shè)備、礦山設(shè)備、石油鉆探使用的水輪機(jī)葉片、輸送物料彎管和螺旋槳、水泵機(jī)葉輪、輸送液體管線閥門(mén)等場(chǎng)合，泥漿型沖蝕常用于磨料水射流加工。沖蝕種類(lèi)較多，但氣固型噴砂沖蝕發(fā)生的場(chǎng)合較多，所以本文主要綜述氣固型沖蝕試驗(yàn)機(jī)的研究進(jìn)展，旨在為后續(xù)研究提供一定的借鑒。

一、沖蝕試驗(yàn)設(shè)備的研究進(jìn)展

氣固型沖蝕試驗(yàn)機(jī)主要有噴射式、懸臂式和真空自由落體式?jīng)_蝕試驗(yàn)機(jī)等種類(lèi)。

（一）噴射式?jīng)_蝕試驗(yàn)機(jī)

噴射式?jīng)_蝕試驗(yàn)機(jī)主要依賴(lài)高速氣流產(chǎn)生的負(fù)壓使粒子高速運(yùn)動(dòng)撞擊到材料表面，造成材料損傷，此種情形為實(shí)際工況中常見(jiàn)的設(shè)備損傷情形。該類(lèi)沖蝕試驗(yàn)機(jī)主要通過(guò)控制沖蝕角度、沖蝕距離和沖砂量來(lái)研究各參數(shù)對(duì)材料沖蝕損傷的影響。該設(shè)備原理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且容易控制工藝參數(shù)，粒子運(yùn)動(dòng)速度可完全由氣體壓強(qiáng)控制。但粒子速度未知，且粒子速度對(duì)材料沖蝕損傷較大，所以需要專(zhuān)用設(shè)備（如高速攝像機(jī)）和處理技術(shù)對(duì)粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和分析。由于粒子運(yùn)動(dòng)速度較大快，所以對(duì)該類(lèi)沖蝕設(shè)備的安全性能要求較高，在設(shè)計(jì)、制作該設(shè)備時(shí)，需考慮到設(shè)備結(jié)構(gòu)和材料強(qiáng)度是否達(dá)到安全要求。如圖1 所示，馬松林[5]等人設(shè)計(jì)了一套噴射式?jīng)_蝕實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過(guò)噴嘴（拉瓦爾管）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得粒子加速至300m/s 以上，改進(jìn)了絲杠的螺旋傳動(dòng)使得供砂量精確連續(xù)可控。通過(guò)高速攝像機(jī)獲得了沖蝕過(guò)程中粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，便于分析粒子速度進(jìn)而改進(jìn)噴嘴結(jié)構(gòu)，最終達(dá)到試驗(yàn)要求。并對(duì)粒子速度和供砂量進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)果表明粒子速度和供砂量符合實(shí)驗(yàn)要求。

圖1 沖蝕系統(tǒng)實(shí)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(shí)驗(yàn)，但若需研究單個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及沖蝕機(jī)理，如用高速攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，大量粒子運(yùn)動(dòng)必會(huì)造成干擾。所以需要一種專(zhuān)門(mén)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(shí)驗(yàn)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(duì)材料沖蝕損傷的影響，較全面揭示了單個(gè)角形粒子的沖蝕機(jī)理。該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)粒子速度的自由控制，且可通過(guò)高速攝像機(jī)拍攝粒子的動(dòng)態(tài)沖蝕過(guò)程。

綜上可知，噴射式?jīng)_蝕試驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且容易控制試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)多粒子和單個(gè)粒子沖蝕實(shí)驗(yàn)，已有專(zhuān)門(mén)的設(shè)備被制作并應(yīng)用于試驗(yàn)研究。且該類(lèi)設(shè)備有較大的改進(jìn)空間，如加入溫度控制和監(jiān)測(cè)模塊，可研究環(huán)境溫度對(duì)材料抗沖蝕性能的影響；加入磨料過(guò)濾、回收模塊，可對(duì)磨料進(jìn)行循環(huán)利用；加入電控模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)沖蝕參數(shù)的自動(dòng)化控制和檢測(cè)等。

（二）懸臂式?jīng)_蝕試驗(yàn)機(jī)

懸臂式?jīng)_蝕試驗(yàn)機(jī)主要通過(guò)懸臂旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)粒子運(yùn)動(dòng)達(dá)到加速目的，即粒子運(yùn)動(dòng)速度由懸臂長(zhǎng)度和角速度控制。試樣隨轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，可同時(shí)對(duì)多個(gè)試樣進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)控制轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速控制試樣的沖蝕時(shí)間。若對(duì)該裝置進(jìn)行真空處理，則可消除重力加速度的影響，對(duì)粒子的濃度控制更加方便。該裝置適合旋轉(zhuǎn)類(lèi)機(jī)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(zhǎng)度的限制，若要粒子達(dá)到較高速度，則需對(duì)懸臂角速度有較高要求，因此對(duì)于該類(lèi)設(shè)備的強(qiáng)度和安全性能應(yīng)特別注意。

（三）真空自由落體式?jīng)_蝕試驗(yàn)機(jī)

由上述對(duì)三種沖蝕實(shí)驗(yàn)設(shè)備的綜述可知，噴射式?jīng)_蝕試驗(yàn)機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且容易控制較多的沖蝕參數(shù)，改進(jìn)空間較大。懸臂式和真空自由落體式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易測(cè)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(yàn)裝置。但由于存在系統(tǒng)誤差，通過(guò)計(jì)算得到的粒子速度仍需要專(zhuān)業(yè)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，所以噴射式?jīng)_蝕試驗(yàn)機(jī)常常搭配高速攝像機(jī)使用。

二、結(jié)束語(yǔ)

本文分別綜述了噴射式?jīng)_蝕試驗(yàn)機(jī)、懸臂式?jīng)_蝕試驗(yàn)機(jī)和真空自由落體式?jīng)_蝕試驗(yàn)機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點(diǎn)，噴射式?jīng)_蝕試驗(yàn)機(jī)可以較容易控制沖蝕角度、沖蝕距離和沖砂量等試驗(yàn)參數(shù)，但需要其他設(shè)備進(jìn)行粒子速度的監(jiān)測(cè)；懸臂式?jīng)_蝕試驗(yàn)機(jī)和真空自由落體式?jīng)_蝕試驗(yàn)機(jī)容易控制粒子速度，但若使粒子高速運(yùn)動(dòng)，對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)要求較高。由此可知，噴射式?jīng)_蝕試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)用范圍較廣。

除了針對(duì)研究上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)而研發(fā)的沖蝕試驗(yàn)機(jī)外，對(duì)于研究溫度、酸堿度等因素對(duì)材料抗沖蝕性能的影響的沖蝕試驗(yàn)機(jī)的報(bào)道較少。因此可對(duì)常見(jiàn)的沖蝕試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，如加入溫控模塊和溫度檢測(cè)模塊，可研究發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在高溫環(huán)境下的沖蝕磨損，進(jìn)一步接近實(shí)際工況；加入進(jìn)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。