仿生表面的離心風機葉輪抗沖蝕性能研究

秦曉靜，江佳廉，張俊秋

（1.吉林大學，長春 130022；2.東風日產乘用車公司，武漢 430000）

固體顆粒侵蝕是磨損領域的一個重要分支，是指固體顆粒在以一定速度運動時，由于材料表面與固體顆粒間的相互機械作用力而造成的質量損失過程[1-3]。它是造成材料表面破壞的主要原因之一，這種現象也為人們日常生活和生產帶來諸多不便[4-6]。其中，離心風機葉輪工作時，以極高的速度與氣流中固體顆粒發生碰撞、摩擦，葉輪葉片表面發生嚴重的沖蝕磨損，會導致葉片發生變形、洞穿、斷裂、飛車等現象，這嚴重影響了風機工作性能、使用安全性和工作壽命，降低生產效率[7-8]。由此可見，如何提高風機葉輪沖蝕磨損性能的問題亟待解決，這將對于提高風機葉輪的使用壽命，增強設備使用安全性和運轉效率，具有重要意義。

據此，國內外學者和工程技術人員做了大量研究。目前針對提高風機葉輪葉片抗沖蝕性能的措施主要有以下三方面：1）合理設計離心風機葉片的形式和安裝角，改變固體顆粒運動軌跡，減少與葉片的碰撞頻率，從而提高葉片的沖蝕磨損性能；2）選擇抗沖蝕性能更優異的材料[9-10]；3）通過適當的表面技術來改善風機葉片材料表面的抗沖蝕性能[11]。這三種傳統方法都可以一定程度上提高葉片抗沖蝕性能，但其效果顯著性和通用性均較差。因此，研究一種顯著提高抗沖蝕性能且通用性好的方法，具有重要意義。

為適應惡劣的生存環境，經過億萬年的進化，生物進化出一系列優異功能，為解決實際工程問題提供了新的思路和方法。目前，已有許多學者針對具有優異抗沖蝕特性的生物進行了研究，由于天然環境優勢，主要集中于沙漠生物。I. Rechenberg 等人[12-13]對北非撒哈拉大沙漠的沙魚蜥蜴和鋼材的沖蝕性能進行了分析比較，結果表明，沙魚蜥蜴背部的抗沖蝕性能要明顯優于鋼材。Han 等人[14-19]發現蝎子具有非光滑表面，并證實了非光滑表面結構具有優良的抗沖蝕性能。以上學者均是對沙漠中動物的抗沖蝕性能進行了研究，但由于動物具有主動防御、自然規避傷害的天性，這可能會造成試驗偏差。故本文從仿生學角度出發，選用生活在沙漠中的植物紅柳的樹皮為研究對象，對其進行拉伸、沖蝕、形態分析等表征測試，提取出關鍵元素，建立仿生模型，并通過有限元軟件對抗沖蝕性能進行數值模擬，分析其抗沖蝕的機理。基于此，優化制造仿生表面的離心風機葉輪，并對其抗沖蝕性能進行研究。

1 試驗

1.1 試驗材料選擇與樣品制備

拉伸試驗材料選擇與樣品制備：分別選用兩年生的活體沙漠紅柳、垂柳的樹皮作為拉伸試驗材料。為減少尺寸因素對其性能的影響，將所有試樣制成總長度為70 mm、兩端寬度為10 mm、中間標距為30 mm、寬度為5 mm 的標準工字型試樣。

沖蝕試驗材料選擇與樣品制備：選用40～70 目的石英砂來代替沙漠中的固體粒子，選用新鮮采集的兩年生活體沙漠紅柳、垂柳樹枝作為試驗材料。試驗前用水沖洗樹枝體表，并晾干，再將樹枝截取成數段，截面直徑10 mm、長度20 cm。

體表形態分析試驗材料選擇與樣品制備：選取小段兩年生活體沙漠紅柳樹干和樹干兩側較均勻規則的樹枝為沙漠紅柳樹枝體表形態分析試驗材料。

仿生表面離心風機葉輪制造材料選擇：選用4-72№3.2A 型離心風機為研究對象，其葉輪所用的材料主要為A3 鋼，故選用A3 鋼作為仿生離心風機葉輪材料。

1.2 試驗方法

通過WSN-500 N 型力學性能試驗機對試樣進行拉伸性能測試，試驗加載速度為5.0 mm/min，負荷傳感器額定值為500 N，夾具間最大位移為10.00 mm，偏置百分數為1%。

采用沖蝕試驗裝置對沙漠紅柳和垂柳樹枝分別進行風沙沖蝕試驗。空壓機工作壓力為0.55MPa，噴砂量為25g/s，沙粒密度為2650kg/m3。選用稱量法進行定量分析，儀器選用AL204 型梅特勒電子天平，量程為210 g，精度為0.000 1 g。試驗過程為：先用天平對新鮮采集的樹枝的初始質量進行測量；然后用夾具夾緊樹枝，調整噴槍位置與角度，使其與樹枝垂直，并在樹枝的夾緊部位做標記，以確保后期多次沖蝕部位保持一致；最后分別對沙漠紅柳、垂柳樹枝進行噴砂沖蝕。試驗過程中，每隔5 s 稱取一次沙漠紅柳、垂柳樹枝的質量。

采用游標卡尺對沙漠紅柳樹干表面分布的裂槽進行測量，通過SteREO Discovery V12 型體視顯微鏡觀測沙漠紅柳樹枝表面形貌。

選用V-30 立式數控機床為葉輪葉片加工設備。沖蝕試驗裝置為在實驗室原有的沖蝕試驗裝置基礎上，參照ASTM-G76-83 標準設計。圖1 為設計的離心風機沖蝕試驗裝置示意圖，主要包含四部分：氣體加壓裝置、氣固兩相流電控裝置、沖蝕試驗裝置、除塵裝置。選用量程和精度分別為 300 g、1 mg 的JA3003A 型電子天平為稱量儀。葉輪葉片沖蝕試驗方法為：采用天平對葉片進行稱量并記錄葉片的初始質量。然后用螺栓將加工的葉片裝到風機原始葉輪葉片上。為保證試驗準確性，在風機葉輪對稱位置裝相同的加工葉片，進行沖蝕試驗。每隔1 h，將加工葉片取下清潔，并晾干，先采用體視顯微鏡觀測葉片表面形貌，然后對葉片進行再次稱量并記錄。每組重復3次，取平均值。

圖1 離心風機沖蝕試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of centrifugal fan erosion test equipment

2 結果及分析

2.1 拉伸性能

沙漠紅柳作為一種植物，相對動物，具有被動承受傷害的天性，長期受到風沙沖蝕而未發生損傷，故推斷沙漠紅柳樹皮具有優異的抗沖蝕性能。為驗證猜想，采用力學性能試驗機分別對沙漠紅柳和垂柳兩種樹皮的拉伸力學性能進行測試，試驗結果如圖2 所示。由圖2 可看出，當沙漠紅柳樹皮達到可承受的最大應力時，立即發生斷裂，垂柳樹皮則表現為發生大的形變后斷裂。由以上現象可判斷，沙漠紅柳和垂柳樹皮分別為脆性和塑性材料。對比兩種樹皮的最大拉應力，發現沙漠紅柳的最大拉應力（30.34 MPa）是垂柳（12.41 MPa）的2.5 倍，通過胡克定律可推算出沙漠紅柳、垂柳兩種樹皮的彈性模量，具體數值分別為509.17、313.19 MPa，沙漠紅柳樹皮的彈性模量是垂柳樹皮的1.6 倍。

圖2 應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curve

Finnie 在微切削理論[20-21]中提到，材料的沖蝕磨損率與材料的流變應力成反比，而材料的流變應力，即材料將要發生變形的瞬間所受的臨界切應力，與其彈性模量成正比。由此可推出，材料彈性模量越大，抗沖蝕性能越好。基于上述對兩種樹皮彈性模量的比較，并結合此理論，可推斷，相較于垂柳樹皮，沙漠紅柳樹皮的抗沖蝕性更優異。

2.2 沖蝕性能

為進一步定量分析比較沙漠紅柳和垂柳樹皮的抗沖蝕性能，采用沖蝕試驗裝置對沙漠紅柳和垂柳樹枝進行風沙沖蝕試驗，結果如圖3 所示。結合圖3 對整個沖蝕過程進行分析，發現在沖蝕試驗初期，樹枝樹皮可有效保護內部組織，沖蝕磨損的部位主要集中在樹皮，隨著樹皮沖蝕磨損量的增大，樹皮磨損完時，沖蝕磨損量達到最大。隨后內部樹干成為主要沖蝕磨損部位，由于樹干材質相對較均勻，故后期沖蝕磨損量相對平穩。由圖3 可知，前20 s，沙漠紅柳樹皮的沖蝕磨損量相對平穩，保持在5～10 mg 范圍內，在15 s 時，沖蝕磨損量出現最大值21.6 mg，隨后時段，沖蝕磨損量下降，并趨于平穩；垂柳樹皮的沖蝕磨損量在0～10 s 呈直線上升，在10 s 時，沖蝕磨損量達到最大值61 mg，隨后下降并趨于平穩。對比圖3 中兩種樹皮沖蝕磨損變化量可知，在沖蝕初期，沙漠紅柳樹皮的沖蝕磨損量遠小于垂柳的沖蝕磨損量，其最大值（21.6 mg）約等于垂柳沖蝕磨損量的最小值（24.1 mg）。

圖3 沖蝕磨損量Fig.3 Erosion wear quantity

2.3 沙漠紅柳體表形態分析

沙漠紅柳為適應環境，在長期的進化過程中，其體表形成了一系列的特殊形態，這可能與其優異的抗風沙沖蝕性能相關。故對沙漠紅柳的樹干以及樹枝體表形態進行了觀測。由圖4 可看出，沙漠紅柳樹干體表分布有許多形態各異的縱型裂槽，這些裂槽的大小不盡相同。通過游標卡尺對這些裂槽進行了測量統計，發現其寬分布范圍相對較廣，主要分布于 1～15 mm 的范圍內，其深分布范圍相對較窄，主要分布于1～5 mm 的范圍內。由圖5 可看出，沙漠紅柳樹枝體表分布有大量大小不一的凸包形態，通過體視顯微鏡對沙漠紅柳樹枝體表凸包形態進行觀測統計，發現凸包形態直徑大多分布于100～400 μm 的范圍內。

圖4 沙漠紅柳樹干形貌Fig.4 Morphology of tamarisk trunk: a) trunk surface morphology; b) trunk section

圖5 沙漠紅柳樹枝體表形態Fig.5 Surface morphology of branches of tamarisk

2.4 仿生建模與表面仿生模型沖蝕磨損性能數值模擬

2.4.1 仿生建模

基于對沙漠紅柳樹皮體表特殊形態的表征測試與統計，為驗證這些特殊形態對沙漠紅柳優異抗沖蝕性能的有效性，并探究其作用機制，結合實際工況，對沙漠紅柳體表特殊形態尺寸進行類比模擬，建立了4 種仿生模型——正四邊形槽、V 形槽、半圓形槽和凸包仿生模型，如圖6 所示，并確定了4 種仿生模型的表面形態尺寸參數，如表1 所示。

表1 表面形態尺寸Tab.1 Surface morphology and size

圖6 四種仿生仿真模型Fig.6 Four bionic simulation models: a) square groove; b) V-shaped groove; c) semicircle groove; d) convex hull

2.4.2 4 種模型抗沖蝕磨損性能比較

采用有限元仿真軟件Fluent 對上述4 種不同仿生模型的抗沖蝕性能進行仿真分析比較，選用標準k-ε模型計算湍流流場，離散相模型選用顆粒軌道模型，離散相和連續相間的相互作用采用雙向耦合法計算，沖蝕模型選擇石英砂與金屬壁面相互作用的Tabakoff模型，在Fluent 中采用UDF 來實現壁面沖蝕磨損計算。為保證模擬結果的準確性，邊界條件為質量出口、速度入口，并對仿生形態表面附近區域的網格進行局部加密。材料的沖蝕率與沖蝕角度緊密相關，塑性材料在沖蝕角為30°時具有較大的沖蝕率[22]。圖7即為沖蝕角為30°時，4 種仿生模型沖蝕磨損分布云圖。由圖可看出，正四邊形槽、V 形槽及半圓形槽仿生模型沖蝕磨損區域主要分布在槽的頂部，中間凹陷區域基本未受到顆粒的沖蝕。第4 種仿生模型凸包形態的沖蝕區域分布得相對較為無序，凸包形態表面和中間平滑區域均發生磨損。為更直觀準確比較四種模型的沖蝕率，分別求取面積加權平均值，具體如圖8 所示。根據圖8 比較4 種仿生模型的平均沖蝕率，可看出，凸包仿生模型的沖蝕率最大，而半圓形、正四邊形和V 形3 種不同槽型仿生模型的沖蝕率則相對較小，并呈現逐個減小的趨勢。由此可得，V 形槽仿生形態模型抗沖蝕性能最好，正四邊形槽次之，半圓形槽較差，凸包最差。

圖7 沖蝕磨損分布云圖Fig.7 Erosion wear distribution cloud map: a) square groove bionic model; b) V-shaped groove bionic model; c) semicircle groove bionic model; d) convex hull bionic model

圖8 4 種仿生模型的平均沖蝕率Fig.8 Average erosion rates of four bionic models

2.4.3 固體顆粒運動軌跡分析

顆粒對試樣的沖蝕磨損是相對復雜的過程，涉及許多方面，著重考慮的一般包含：粒子速度、軌跡及撞擊頻率[23-25]。因此，對顆粒碰撞不同仿生表面后的運動軌跡、速度變化及碰撞頻率進行了統計分析。圖9 為固體顆粒運動軌跡圖，由圖可看出，當顆粒以相同初速度流入時，與不同仿生壁面發生碰撞后，運動軌跡會發生不同程度的偏轉，且與4 種不同仿生壁面碰撞時的速度也不盡相同，顆粒與凸包形態的碰撞速度要明顯大于其余3 種。對于凸包仿生形態表面，空氣流的流徑將隨凸包曲面形態發生曲變而形成渦流。而當空氣流流經槽形仿生形態表面時，由于槽頂與槽間凹陷區域存在高度差，氣流將在槽間做槽頂-槽底-槽頂的往復交錯旋轉運動，槽附近流場受到強烈干擾，部分粒子將直接被吹離槽面，大大減少粒子與試樣的撞擊頻率。同時，槽頂與槽間凹陷區域出現流速差，槽間凹陷區域形成空氣墊，耗散粒子的部分動能，減小粒子對槽面的撞擊速度。通過上述分析可推斷，顆粒與三種槽類形態碰撞的速度和頻率要明顯小于凸包形態。

圖9 粒子運動軌跡圖Fig.9 Motion track diagram of solid particles: a) square groove bionic model; b) V-shaped groove bionic model; c) semicircle groove bionic model; d) convex hull bionic model

通過采樣統計方法進一步分析比較顆粒與三種不同仿生槽形態表面的碰撞頻率，V 形槽、半圓形槽、正四邊形槽仿生形態表面單個顆粒碰撞頻率分別為0.151 次、0.195 次、0.217 次。結合理論模型對此現象進行分析，將顆粒理想化為球體，僅考慮顆粒與表面的彈性碰撞，忽略其他因素的影響。圖10 為顆粒與不同形態表面碰撞的軌跡。由圖10a 可看出，當顆粒以30°入射正四邊形槽時，顆粒與正四邊形槽壁面的實際碰撞角度為60°，顆粒在槽內碰撞3 次后離開正四邊形槽。由圖10b 可看出，當顆粒以30°入射V形槽時，顆粒與V 形槽壁面的實際碰撞角度為90°，顆粒在槽內碰撞1 次后離開V 形槽。由圖10c 可看出，當顆粒以30°入射半圓形槽時，顆粒與半圓形槽壁面的實際碰撞角度發生改變，顆粒在槽內碰撞2 次后離開半圓形槽。由此可推斷，顆粒與4 種仿生表面的碰撞頻率為：凸包形態>正四邊形槽形態>半圓形槽形態>V 形槽形態，與模擬結果相符合。

圖10 顆粒與不同形態表面碰撞軌跡Fig.10 Collision trajectories between particles and surfaces of different shapes: a) square groove bionic model; b) V-shaped groove bionic model; c) semicircle groove bionic model

由以上分析可知，當仿生模型沖蝕率、粒子與仿生模型撞擊速度、頻率越小時，表明模型沖蝕性越好。故可得V 形槽仿生模型抗沖蝕性能最好，半圓形槽和正四邊形槽依次次之，凸包仿生模型抗沖蝕性能最差。

2.5 仿生離心風機葉輪葉片沖蝕試驗

2.5.1 仿生離心風機葉輪葉片設計與制造

基于上述數值模擬結果發現，三種槽仿生形態表面模型的沖蝕性能要明顯優于凸包仿生形態表面模型，故基于三種槽仿生形態設計了9 種仿生葉輪葉片，具體參數如表2 所示。

表2 仿生離心風機葉片設計參數Tab.2 Design parameters of bionic centrifugal fan blades

為避免重復加工葉輪前盤和后盤，并降低試驗成本，采用螺栓連接仿生葉片與原始葉片，通過拆卸仿生葉片測量的方法，即可得到仿生葉片的沖蝕磨損量。為確定離心風機葉片磨損的主要部位，并為下一步設計工作做準備，需對其磨損特性進行可視化研究[26-27]。將紅油漆涂在各葉片上，干燥后，將其置于沖蝕試驗裝置里，觀察并記錄葉片表面顏色變化情況，通過判斷掉色的嚴重性，來推測葉片沖蝕磨損嚴重的部位。結果顯示，葉片在進出風口處部位的掉色最為嚴重，這兩個地方為葉片沖蝕磨損最嚴重部位，故選取在葉片中部開孔。同時為盡可能減少氣流擾動，螺栓位置不宜過于靠近正中部，故選擇如圖11所示的位置。此外，通過進一步對螺栓強度的校驗，確定選用M8 的螺栓。

圖11 螺栓孔位置Fig.11 Bolt hole location

采用V-30 立式數控機床對上述設計的9 種不同的仿生葉輪葉片進行了加工制造，為便于分析比較，也制造了表面光滑的葉輪葉片，圖12 為四種不同表面形態的加工葉片。

圖12 4 種不同表面形態的加工葉片Fig.12 Machined blades with four different surface morphology: a) smooth sample; b) semicircular groove bionic sample; c)V-shaped groove bionic sample; d) square groove bionic sample

2.5.2 仿生離心風機葉輪葉片沖蝕磨損形貌觀測及定量分析

由圖13 可看出，沖蝕試驗后，葉片表面具有許多點狀坑。造成這種現象的原因為，粒子沖蝕葉片表面時，對葉片表面進行了微切削，表面材料發生流失，從而導致葉片表面出現大量凹坑。

圖13 沖蝕試驗后葉片表面體視顯微鏡圖Fig.13 Volume microscopic view of blade surface after erosion: a) smooth sample, b) semicircular groove bionic sample; c)V-shaped groove bionic sample; d) square groove bionic sample

針對單元形態、特征尺寸及間距等對離心風機葉片抗沖蝕性能的影響進行了研究，以葉片的沖蝕磨損量作為試驗指標，并對試驗結果進行了極差分析，具體如表3 所示。

由表3 可看出，當單元形態發生變化時，沖蝕磨損量變動最大，故單元形態為樣件沖蝕磨損的主要影響因素。其中，V 形槽性能要優于半圓形槽和正四邊形槽，與模擬結果相符合。其次是間距，間距為2 mm時的抗沖蝕性能優于間距為3 mm 的值，間距為4 mm時表現最差。單元形態尺寸對仿生葉片抗沖蝕性能的影響較小，故單元形態尺寸為最次要因素，尺寸為4 mm 時的性能優于尺寸為2 mm 的性能，尺寸為3 mm 的性能最差。由表3 可看出RB大于RD，誤差相對較小，因此結果具有可靠性[28]。綜上所述，單元形態、間距、形態尺寸對仿生試樣抗沖蝕性能的影響依次降低，最優組合為：單元形態為V 形槽，間距為2 mm，特征尺寸為4 mm。經計算，最優組合仿生葉片相對于光滑葉片抗沖蝕性能提高了28.97%。

表3 仿生離心風機葉片沖蝕試驗結果分析Tab.3 Analysis of erosion test results of bionic centrifugal fan blades

3 結論

1）沙漠紅柳樹皮為脆性材料，沙漠紅柳樹皮彈性模量（509.17 MPa）大于垂柳樹皮彈性模量（313.19 MPa），沙漠紅柳沖蝕磨損量最大值（21.6 mg）小于垂柳沖蝕磨損量的最小值（24.1 mg），沙漠紅柳具有較優的抗沖蝕性能。

2）沙漠紅柳樹干和樹枝體表分布有大量的縱列形凹槽和大小不一的凸包等特殊形態。

3）基于Fluent 軟件對4 種仿生模型的沖蝕磨損狀況數值模擬結果顯示，V 形槽仿生模型抗沖蝕性能最好，半圓形槽和正四邊形槽依次次之，凸包仿生模型抗沖蝕性能最差。

4）基于對仿生離心風機葉輪葉片的沖蝕試驗發現，單元形態、間距、形態尺寸對仿生試樣抗沖蝕性能的影響依次降低，最優樣件組合為：V 形槽、間距2 mm、特征尺寸4 mm。最優組合樣件的抗沖蝕性能較傳統的光滑件提高了28.97%。