风沙对钢结构涂层的冲蚀磨损性能研究
西北强风沙环境混凝土冲蚀磨损与防护材料试验研究
西北强风沙环境混凝土冲蚀磨损与防护材料试验研究西北地区盛行强风沙环境，这种恶劣气候条件对建筑材料的影响尤为显著。
特别是混凝土，作为建筑物的主要材料之一，其长期暴露在西北地区的强风沙环境下，会经受到冲蚀磨损。
因此，本次试验研究旨在探索混凝土在该环境下的冲蚀磨损情况，并寻找相应的防护材料。
本次试验采用了西北地区常见的沙尘暴条件，模拟了强风沙环境。
首先，我们制备了不同配比的混凝土样品，然后将它们置于模拟器中，暴露在强风沙环境中。
通过一定时间的模拟暴露后，我们对样品进行了精细的观察和测量。
通过观察发现，强风沙环境会对混凝土表面造成冲蚀磨损，尤其是在暴露时间较长的情况下。
这种磨损主要表现为混凝土表面的颗粒脱落和表面平整度下降。
同时，我们发现混凝土中的含水率对磨损程度也有一定的影响，过高或过低的含水率都会导致混凝土的磨损加剧。
为了寻找合适的防护材料，我们对不同的试验样品进行了对比。
首先，我们使用了一种常见的聚合物涂料作为防护材料，涂覆在混凝土表面。
通过对比发现，这种涂料对于抵抗冲蚀磨损具有一定的效果，可以降低混凝土表面的磨损程度。
除了聚合物涂料，我们还尝试了其他的防护材料，如微纳米材料和纳米陶瓷涂层等。
通过对比试验，我们发现微纳米材料在防护方面效果更好，能够更好地保护混凝土表面，减轻冲蚀磨损的程度。
综上所述，西北地区强风沙环境会对混凝土造成冲蚀磨损的影响。
为了应对这一问题，选择合适的防护材料具有重要的意义。
本次试验研究中，我们发现聚合物涂料和微纳米材料都能够在一定程度上抵抗混凝土的冲蚀磨损。
因此，在西北地区建设中，采用这些防护材料对混凝土进行保护是非常必要和有效的措施，能够延长建筑物的使用寿命，提高其抗风沙能力综上所述，强风沙环境对混凝土表面造成了冲蚀磨损，导致颗粒脱落和表面平整度下降。
混凝土中的含水率也对磨损程度有影响，过高或过低的含水率会加剧磨损。
在寻找合适的防护材料方面，聚合物涂料和微纳米材料都能有效减轻冲蚀磨损的程度，其中微纳米材料具有更好的防护效果。
风沙环境下混凝土、砂浆和水泥石的固体颗粒冲蚀磨损试验研究
（ １ ）
ｐｔ
式 中 ：Ａ Ｍ 为 冲 蚀 前 后 试 样 的 质 量 损 失 量 ，ｍｇ ； ＭＰ为沙流 量 ，ｇ・ ｍｉ ｎ ～ ；ｔ 为 冲蚀 时 间 ，ｍｉ ｎ 。
２ 试 验 结 果 及 分 析
图 ２ 实际设备
２ ． １ 风 沙流 速度 对 冲蚀率 的影 响
ａ ＝Ｏ ． ５ ０ １ ８ ，６ 一－ －５ ． ６ ３ ９ ２ 。据此可 以求 出冲蚀率
为 零 时 ，风沙 流 的速 度分 别 为 １ ３ ． ５ ４和 １ １ ． ２ ４ ｍ・
ｓ ＿ 。 ，也就是说在风 沙流速度低于一定值 时，短期 内不会 对 材料 造 成 冲蚀 磨 损 。在进 行 室 内试 验 时 ， 为 了减小 试 验误差 ，加 速试 验进 程 ，往往 选 择较 大
料 ，冲蚀 颗粒 的法 向速 度分 量是 造成材 料 流失 的主 要 因 素ｒ １ 。低 角 度 冲 蚀 时 ，速 度 的 法 向分 量 小 ， 冲击 能量 低 ，需要 多次 冲击 才 能造 成 材 料 的流失 ，
因此低角度冲蚀时冲蚀率低 ；而高角度冲蚀时 ，速 度的法向分量大 ，冲击能量高，因此 冲蚀率就高。 和其 他 ３种材 料相 比 ，砂浆 的 冲蚀 率更 加依 赖 于冲
ＥＲ＝ ＝ ＝删 ＋ ｂ （ ２ ）
沙。距地面高度 １ ｍ 以下 的沙粒 收集箱所 收集 的 沙粒 中， 粒径在 ０ ． １ ～１ ． ０ ｍ ｍ 的沙所 占比例约 为
８ Ｏ ；粒 径 在 ０ ． １ ｍｍ 以 下 的约 为 １ ８占 ２ 左右 。因此本次试验选
兰 新铁 路 （ 新疆 段 ）穿 越百 里 风 区、三 十里 风 区 、吐鲁番 西部 风 区 、哈密 北 戈壁 风 区和哈 密南 戈 壁 风 区五大 风 区［ 】 ］ 。风 区地 段风 力强 劲 ，风 期 长 。
风沙环境下不同强度等级砂浆冲蚀磨损试验研究
风沙环境下不同强度等级砂浆冲蚀磨损试验研究王彦平;龚卓;王起才【摘要】针对戈壁风沙流环境特点,采用气流挟沙喷射法,对不同强度等级砂浆进行冲蚀磨损实验,研究冲蚀参数和砂浆强度对冲蚀磨损的影响.实验结果表明,砂浆试样的冲蚀率随冲蚀速度的增大而增大;在低速冲蚀时,强度对冲蚀率影响较小,而在高速冲蚀时,影响较大;各试样速度指数在2.1～2.8之间,与脆性材料的冲蚀磨损预测值相一致.砂浆靶材在45°攻角冲蚀时冲蚀率最低,而在90°攻角冲蚀时冲蚀率最高,符合脆性材料的冲蚀规律.砂浆试样的冲蚀量随冲蚀时间近似呈线性关系增大,不存在冲蚀孕育期.砂浆试样的冲蚀磨损机制为选择性冲蚀磨损.【期刊名称】《兰州交通大学学报》【年(卷),期】2015(034)001【总页数】5页(P44-48)【关键词】砂浆;冲蚀参数;冲蚀磨损【作者】王彦平;龚卓;王起才【作者单位】兰州交通大学机电工程学院,甘肃兰州730070;兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州730070;兰州交通大学机电工程学院,甘肃兰州730070;兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州730070【正文语种】中文【中图分类】TU528.51新建兰新铁路第二双线新疆段地处大温差、戈壁恶劣环境，在混凝土桥梁墩身浇筑的过程中，尽管对新浇筑的混凝土采用了特殊的养护方式[1-2]，但在混凝土桥梁墩身表面仍产生了大量的微裂纹.加之该线穿越五大风区[3]，处在风区地段的混凝土桥梁墩身常年受到强风携带沙粒的冲蚀磨损，从而加速了混凝土桥梁墩身表面微裂纹的扩展，进而会加剧混凝土桥梁墩身结构的碳化、冻融破坏和氯离子渗透引起的钢筋锈蚀等劣化，从而严重地降低了混凝土桥梁墩身结构的耐久性，影响混凝土桥梁的使用寿命，同时也增加了混凝土桥梁使用过程中的维护费用.混凝土桥梁墩身施工时的振捣，造成桥梁墩身表面材料主要为水泥和细骨料，即砂浆.因此，研究砂浆在风沙流环境下的冲蚀磨损机理和影响因素，可为该环境下混凝土桥梁墩身的冲蚀磨损防护材料研究提供依据.目前，对于含沙水流对水工混凝土及其修补砂浆的冲蚀磨损[4-5]，人们做了大量研究，也取得了积极的研究成果，而对于风沙流环境下, 混凝土结构及修补材料的冲蚀磨损研究还很少[6].本文采用气流挟沙喷射法[7]，模拟风沙流环境，对不同强度等级混凝土砂浆进行冲蚀磨损试验, 研究冲蚀角度、速度和时间以及砂浆强度等级对砂浆冲蚀磨损的影响，并分析砂浆的冲蚀磨损机理.1.1 配合比设计及试样制备根据规范[8]设计砂浆的配合比(见表1).水泥为甘肃祁连山水泥集团股份有限公司生产的标号为42.5的普通硅酸盐水泥，砂选用中砂，细度模数为2.8，水选用食用自来水.配制4种强度等级的砂浆，其强度等级分别为M30，M25，M20和M15，试样是尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体.试样成型后24 h后脱模，并放置于标准养护室(20±2 ℃，相对湿度>95%)养护至28 d，测试试样28 d的抗压强度(每组至少3个试样)，其结果如表1所示.1.2 冲蚀磨损实验冲蚀磨损实验在改造后的喷砂试验机上进行，其原理示意图及实物图(见图1).该实验装置主要由4部分组成，即空气压缩机、供沙系统、喷枪系统和实验箱.由压缩机提供的压缩空气和砂在喷枪系统混合后，经直径8 mm的碳化硼喷嘴加速，以一定速度冲蚀试样，冲蚀颗粒的速度可通过压缩空气的压力来调节，实验箱中的试样夹具用于夹紧试样，且可以在0°～90°范围内调整冲蚀角度.实验采用有棱角且平均直径为325～425 μm的石英砂为冲蚀颗粒，石英砂的扫描电子显微镜照片如图2所示.在表2所示实验条件下进行各试样的冲蚀磨损实验.冲蚀前后采用精度为0.01 g，量程为3 kg的电子天平秤试样的质量.冲蚀前后的质量差，即试样的质量损失记为△M(mg)，每个条件下至少进行3次实验，取其平均值用于计算.试样冲蚀率ER(mg·g-1)按式(1)计算：式中：MP为石英砂的流量，g·min-1；t为冲蚀试样的时间，min.2.1 冲蚀速度对砂浆冲蚀磨损的影响图3是各试样在冲蚀攻角为90°，冲蚀时间为3 min的条件下, M30， M25，M20和M15砂浆试样的冲蚀率随风沙流速度的变化关系曲线.由图3可见，砂浆试样的冲蚀率均随着风沙流速度的增大而显著增加.这主要是因为，当石英砂的速度增加时，石英砂的动能增加，即石英砂的冲击能量增加，从而引起砂浆试样的冲蚀率显著增大[7].在冲蚀条件相同的情况下，砂浆的强度越高，其相应的冲蚀率越低；冲蚀速度小时，不同强度等级砂浆的冲蚀率差别不大，但在高速度冲蚀时，冲蚀率差别明显，如在冲蚀速度为31 m·s-1 时，M15砂浆的冲蚀率是M30砂浆冲蚀率的2.46倍，可见砂浆的强度是影响砂浆冲蚀抗力的主要因素之一.究其原因是强度等级高的砂浆其配合比中水泥的含量较高，而水泥水化后形成的水泥石具有良好的抗冲蚀能力，同时水泥含量的增加使骨料之间的结合强度更大，从而提高了砂浆的冲蚀抗力.当冲蚀颗粒的冲击速度较小时，冲蚀颗粒与靶材之间可能只出现单纯的弹性碰撞，短期内观察不到明显的冲蚀破坏.因此冲蚀磨损实验往往在较高的冲蚀速度下进行，以便能在短期内得到实验数据.当冲蚀速度高于冲蚀临界值[6]时，靶材的冲蚀率ER 与颗粒冲蚀速度ν之间存在乘幂关系[9]：式中：n为速度指数；K为实验常数.按照式(2)对不同强度等级砂浆的冲蚀率随冲蚀速度的曲线进行拟合得到速度指数n值，发现n在2.1～2.8之间，且拟合曲线对试验数据的拟合程度较好，确定系数R2≥0.96.多数研究者认为典型的脆性材料，如玻璃、陶瓷等，其速度指数在2.0～3.2之间，可见，砂浆材料的冲蚀速度指数与典型脆性材料的冲蚀速度指数相一致[9].2.2 冲蚀角度对砂浆冲蚀磨损的影响冲蚀角是冲蚀材料表面与入射砂粒轨迹之间的夹角，材料的冲蚀率和冲蚀颗粒的冲蚀角度有密切的关系.典型的脆性材料，如陶瓷、玻璃等，其最大冲蚀率出现在正向冲蚀角90°，典型的塑性材料，如纯金属和合金，其最大冲蚀率出现在15°～30°冲蚀角内，而其它材料，如玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，其最大冲蚀率出现在45°～60°冲蚀角内[10].图4是在冲蚀时间为3 min，风沙流速度为25 m·s-1时，不同冲蚀角度下M30和M15试样冲蚀率的对比图.由图4可以看出，M30和M15砂浆试样在45°攻角冲蚀时冲蚀率最小，在90°攻角冲蚀时冲蚀率最大，与脆性材料的冲蚀规律相符合[9].对于脆性材料，冲蚀颗粒速度的法相分量是产生冲蚀的主要原因，在低角度冲蚀时，冲蚀颗粒速度的法相分量小，即使材料产生冲蚀的能量小，所以冲蚀率低；而在高角度冲蚀时，冲蚀颗粒速度的法相分量大，因此高攻角下砂浆材料的冲蚀率就高.2.3 冲蚀时间对砂浆冲蚀磨损的影响图5是不同强度等级砂浆试样在风沙流速度为25 m·s-1，冲蚀攻角为90°的条件下，试样的冲蚀量随冲蚀时间变化的关系曲线图.由图5可见，在冲蚀条件相同时，不同强度等级砂浆的冲蚀量均随冲蚀时间的延长而增大，且近似呈线性关系.这表明砂浆属于脆性材料，不存在冲蚀孕育期[11].砂浆是由水泥石和细骨料构成的混合物.砂浆的表面主要为硬化水泥石，当其受到风沙流的反复冲蚀时，水泥石自身以及水泥石与细骨料之间会产生微裂纹，随着冲蚀的进行，裂纹不断扩展，当裂纹扩展到试样表面时，便发生砂浆表面水泥石或细砂颗粒的剥落，产生冲蚀磨损.当砂浆表面的水泥石产生大量磨损后，这时可将砂浆看成是由细砂与水泥石构成的细骨料砂浆和粗砂的混合物，此时冲蚀磨损出现选择性，包括细骨料砂浆的冲蚀磨损和粗砂的冲蚀磨损.冲蚀首先明显地发生在细骨料砂浆上，这主要是因为细砂和硬化水泥石的结合面较小，且细砂粒径与冲蚀颗粒相近，所以在冲蚀颗粒的冲蚀下，细砂与水泥石的结合面上极易产生裂纹，裂纹的扩展便造成细骨料砂浆的大量冲蚀，因此水泥用量和水泥石与细骨料之间的结合强度对细骨料砂浆的冲蚀磨损影响很大.随着冲蚀的进行，当表面细骨料砂浆逐渐冲蚀掉后，砂浆中的粗砂不断露出表面，由于粗砂硬度高，能较好地抵抗冲击砂粒的冲蚀作用，并可能使冲击砂粒发生破碎，从而消耗冲击砂粒的一部分动能；还有，粗砂粒径大，在砂浆中的埋入深度大，短期内不容易冲蚀掉，当其凸出于试样表面时，在一定程度上阻止了其背后细骨料砂浆的磨损，产生了所谓的“投影效应”[12]，如图6所示，砂浆在冲蚀角90°，冲蚀速度25 m·s-1的条件下，冲蚀6 min后的表面照片.因此，短期内砂浆的冲蚀磨损为选择性磨损.1) 砂浆试样的冲蚀率随冲蚀速度的增大而增大；在低速冲蚀时，强度对冲蚀率影响较小，而在高速冲蚀时，影响较大；各试样速度指数在2.1～2.8之间，与脆性材料的冲蚀磨损预测值相一致.2) 砂浆靶材在45°攻角冲蚀时冲蚀率最低，而在90°攻角冲蚀时冲蚀率最高，符合脆性材料的冲蚀规律.3) 砂浆试样的冲蚀量均随冲蚀时间的延长而增大，且近似呈线性关系，不存在冲蚀孕育期.4) 砂浆试样的冲蚀磨损机制为选择性冲蚀磨损.基金项目：王彦平(1974-),男,甘肃会宁人,副教授,博士研究生,主要研究方向为土木工程材料与结构.E-mail:*****************.cn【相关文献】[1] 于本田,王起才,周立霞,等.兰新铁路第二双线混凝土采用橡塑板保温保湿试验研究[J].兰州交通大学学报,2012,31(4):7-10.[2] 张戎令,王起才,刘树红,等.极端大温差、干旱戈壁地区桥墩养护方法研究[J].兰州交通大学学报,2014,33(4):49-55.[3] 陈建军,蒋富强,杨印海,等.戈壁铁路沿线灾害特征与挡风沙措施及功效研究[J].中国铁道科学,2010,31(5):15-20.[4] Yu W L.Improving the abrasion resistance of hydraulic-concrete containing surface crack by adding silica fume[J].Construction and Building Materials,2007,21(5):972-977.[5] 尹延国,胡献国,崔德密.水工混凝土冲击磨损行为与机理研究[J].水力发电学报,2001,75(4):57-64.[6] 王彦平,居春常,王起才.风沙环境下混凝土、砂浆和水泥石的固体颗粒冲蚀磨损试验研究[J].中国铁道科学,2013,34(5):22-27.[7] 郝贠洪,邢永明,赵燕茹,等.风沙环境下钢结构涂层侵蚀机理及评价方法[J].建筑材料学报,2011,14(3):345-361.[8] 中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ/T98-2010砌筑砂浆配合比设计规程[S].北京:光明日报出版社,2011:10-16.[9] Goretta K C,Gutierrez M F,Chen N,et al.Solid-particle erosion and strength degradation of Si3N4/BN fibrous monoliths[J].Wear,2004,256(3/4):233-242.[10] 王彦平,居春常,王起才.冲击参数对兰新铁路混凝土结构冲蚀磨损的影响[J].硅酸盐通报,2013,32(4):607-612.[11] Tewari U S,Harsha A P,Hager A M,et al.Solid particle erosion of carbon fibre-and glass fibre-epoxy composites[J].Composites Science and Technology,2003,63(3/4):549-557. [12] 邢志国,吕振林,谢辉.SiC/环氧树脂复合材料冲蚀磨损性能的研究[J].摩擦学学报,2010,30(3):291-295.。
风力机叶片涂层的沙尘冲蚀模型试验研究
风力机叶片涂层的沙尘冲蚀模型试验研究风力机叶片涂层的沙尘冲蚀模型试验研究摘要：随着风力发电技术的发展，风力机叶片的性能优化成为提高发电效率和降低运维成本的重要方向之一。
在风力机叶片运行过程中，沙尘冲蚀是主要的降低叶片寿命并影响发电效率的因素之一。
本论文通过建立沙尘冲蚀模型及进行相应的试验研究，旨在寻找减缓风力机叶片沙尘冲蚀的可行方法。
1. 引言风力机叶片的沙尘冲蚀问题已经成为当前风力发电行业中的研究热点之一。
由于风力机叶片常处于开放环境中，长期暴露于大气环境的沙尘颗粒与叶片表面发生摩擦和撞击，导致叶片表面磨损和脱落，进而降低叶片的工作效率和寿命。
2. 沙尘冲蚀模型沙尘冲蚀模型是研究风力机叶片沙尘冲蚀问题的基础。
本论文根据沙尘颗粒运动规律及其对叶片的冲击力分析，建立了沙尘冲蚀模型。
该模型考虑了风速、颗粒直径、颗粒形状等因素对沙尘冲蚀影响，并利用计算流体力学模拟了颗粒在叶片表面的冲击情况。
3. 沙尘冲蚀试验设计为验证沙尘冲蚀模型的准确性，设计了一系列沙尘冲蚀试验。
在试验中，选择不同风速和沙尘浓度条件下的风力机叶片样品进行冲蚀实验，并测量叶片质量损失、表面磨损程度以及发电效率变化等参数。
4. 试验结果与分析根据试验结果发现，叶片在高风速以及高沙尘浓度条件下的沙尘冲蚀程度更严重。
叶片表面出现了较为明显的磨损和划痕，磨损面积与风速和沙尘浓度呈正相关。
此外，沙尘冲蚀也导致了叶片的几何形状发生了变化，进而影响了叶片的气动性能。
5. 减缓沙尘冲蚀的方法基于试验结果，本论文提出了一些减缓风力机叶片沙尘冲蚀的方法。
首先，可以选择合适的叶片涂层材料，增强叶片表面的抗冲蚀性能。
其次，通过改变叶片的几何形状，减少沙尘颗粒与叶片表面的接触面积，降低沙尘冲蚀的程度。
另外，定期清洗叶片表面，并定期进行涂层修复，也能有效延长叶片的使用寿命。
6. 结论通过沙尘冲蚀模型的建立和相应的试验研究，本论文深入分析了风力机叶片在沙尘环境中的损伤情况。
风沙环境下钢结构涂层侵蚀机理及评价方法
风 沙 环 境 下钢 结构 涂 层侵 蚀 机 理及 评 价 方 法
郝 负 洪 ， 邢 永 明 ， 赵 燕 茹 燕 兰 ，
（． １ 内蒙古 工业 大学 土 木工 程学 院 ， 内蒙 古 呼和 浩特 ０ ０ ５ ；２ 内蒙古 工业 大学 理 学院 ， １０ １ ． 内蒙古 呼 和浩 特 Ｏ Ｏ ５ ） １ Ｏ １ 摘 要 ：通过 对钢 结构 涂层 在模 拟 风 沙环 境 中的冲蚀 试验 ， 究 了涂层 受风 沙 冲蚀磨 损 特 性 、 研 冲蚀 行
Ａｂｓｒ ｃ ：Ｔｈ ｏ ｈ ｔ ｅ ｅ ｏｓｏ ｅ ｔ ｏｆ ｔ ｅ ｓ ｒ ｔ ｅ ｃ ａ ｉ ｕ ｔａ ｔ ｒ ｕｇ ｈ ｒ ｉ ｎ ｔ ｓ ｓ ｅ ｌ ｔ ｕｃ ｕｒ ｏ ｔｎｇ ｎｄｅ ｓ ｎｄ ｔ ｍ ｎｖ ｒ ｎｍｅ ，ｔ ｅ ｏ ｉ ｒ ａ ｓ ｏｒ ｅ ｉｏ ｎｔ ｈｅ ｒ ｓｏｎ ｃ ｒ ｃ ｅ ｉ ｔｃ ｈａ ａ ｔ ｒ ｓ ｉｓ，ｅ ｏｓｏ ｈａ ｉ ｒ ａ ｄ ｍ ｅ ｈａ ｓ ｆ ｒｔ ｏ ｔｎｇ ｗａ ｔ ｄｉｄ．Ｔｈｅ ｒ ｓ ｔ ｈ ｒ ｉ ｎ ｂｅ ｖ ｏ ｎ ｃ ｎｉｍ ｏ ｈｅ ｃ ａ ｉ ｓ ｓ ｕ ｅ ｅ ｕｌｓ ｓ ｏｗ ｈａ ｈｅ ｅ ｔ ｔｔ —
为和侵 蚀机 理． 结果表 明 ： 涂层 冲蚀 磨损 质 量损 失 随冲蚀 速 度 的 增 大 而增加 ； 角度 冲蚀 主要 ， 角度 冲 蚀 主要 为 冲蚀 挤 压 变形 作 用 ， 料 柔 韧 性起 决定 作 用 ， 高 材
由 于涂 层硬 度相 对较 低 而柔韧 性 相 对 较 高， 在低 冲 角 下其 受 冲蚀 程 度 严 重． 出 了涂层 冲蚀 程 故 提
第 １ ４卷 第 ３期 ２１ ０ １年 ６月
建 筑 材 料 学 报
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ０Ｆ ＢＵＩ ＤＩ Ｌ ＮＧ ＡＴＥ ＡＬ Ｍ ＲＩ Ｓ
强风沙环境下混凝土结构冲蚀磨损防护材料试验研究
强风沙环境下混凝土结构冲蚀磨损防护材料试验研究强风沙环境下混凝土结构冲蚀磨损防护材料试验研究引言：随着工业化进程的加快和城市建设的不断增加，环境污染和自然资源破坏问题变得越来越严重。
其中，强风沙环境对于建筑物、桥梁和其他混凝土结构物的冲蚀磨损造成了严重的威胁。
为了有效保护这些结构物的稳定性和安全性，近年来，人们在防护材料方面进行了广泛的试验研究。
本文旨在探讨一种适用于强风沙环境下的混凝土结构冲蚀磨损防护材料，并介绍相关的试验研究成果。
1. 强风沙环境下的冲蚀磨损特点强风沙环境的存在使得风沙和颗粒物在高速风的作用下对混凝土结构造成了冲蚀和磨损。
冲蚀是指颗粒物撞击混凝土表面后的破坏和剥离现象，而磨损则是指大量颗粒物在表面的摩擦作用下导致表面材料的消耗。
这些冲蚀和磨损过程不仅造成混凝土结构外观的破坏，还会影响结构物的力学性能和使用寿命。
2. 冲蚀磨损防护材料的要求在强风沙环境下，混凝土结构冲蚀磨损防护材料需要具备以下特点：（1）耐磨性：能够承受沙尘颗粒的高速撞击和表面磨损。
（2）抗冲蚀性：能够有效抵御颗粒物对混凝土表面的剥离和破坏。
（3）防粘性：减少沙尘颗粒黏附在表面的情况，降低磨损程度。
（4）耐候性：能够长期耐受强风沙环境的侵蚀，保持较长的使用寿命。
3. 试验方案本试验选取常用的混凝土结构材料，通过控制试验条件模拟强风沙环境下的冲蚀磨损情况。
同时，选取不同的防护材料进行比较研究，包括聚合物涂料、硅烷疏水剂和聚酰胺膨润土等。
4. 试验结果与分析通过试验研究发现，不同的防护材料在冲蚀磨损防护方面具有不同效果。
聚合物涂料具有良好的耐磨性和抗冲蚀性，但由于其较差的透气性，容易导致在表面形成温室效应。
硅烷疏水剂虽然能够改善表面的抗粘附性和耐冲蚀性，但在强风沙环境中其效果并不理想。
聚酰胺膨润土由于具备较好的抗冲蚀性和防粘性，能够较好地适应强风沙环境下的冲蚀磨损。
5. 结论本次试验研究表明，在强风沙环境下，混凝土结构冲蚀磨损防护材料的选择非常重要。
风沙环境下风力机叶片的冲蚀磨损特性研究
风沙环境下风力机叶片的冲蚀磨损特性研究全日制工程硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract .............................................................................................................. .. II 第1章绪论 (1)1.1 研究意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.3 主要研究内容 (6)第2章基本理论 (7)2.1 气固两相流数值模拟 (7)2.1.1 气固两相流的模拟方法 (7)2.1.2 气固两相流的基本方程以及相间的耦合 (7)2.2 气固两相流的数学模型 (9)2.2.1 均相流动模型 (9)2.2.2 分相流动模型 (9)2.2.3 双流体模型 (10)2.2.4 颗粒轨道模型 (10)2.3 离散相模型 (10)2.3.1 颗粒轨道计算模型 (11)2.3.2 磨损率计算模型 (11)2.4 颗粒的受力分析 (11)2.5 冲蚀理论 (13)2.5.1 塑性材料的冲蚀理论 (13)2.5.2 脆性材料的冲蚀理论 (14)2.6 翼型空气动力特性 (14)第3章网格划分及数值方法 (16)3.1 风轮几何建模及计算域网格划分 (16)3.1.1 风力机叶片几何建模 (16)3.1.2 计算域建立及网格划分 (17)3.2 初始条件及边界条件设置 (20)第4章风沙环境下风力机叶片冲蚀磨损的数值研究 (21) 4.1 叶片表面磨损分布规律 (21)4.2 颗粒直径对叶片冲蚀磨损的影响 (22)4.2.1 颗粒直径对磨损位置的影响 (22)4.2.2 颗粒与叶片碰撞后的运动轨迹 (25)风沙环境下风力机叶片的冲蚀磨损特性研究4.2.3 颗粒直径对磨损量的影响 (27)4.3 颗粒浓度对叶片冲蚀磨损的影响 (28)4.3.1 颗粒浓度对磨损位置的影响 (28)4.3.2 颗粒浓度对磨损量的影响 (30)4.4 来流风速对叶片冲蚀磨损的影响 (31)4.4.1 来流风速对磨损位置的影响 (31)4.4.2 来流风速对磨损量的影响 (35)4.5 本章小结 (36)第5章前缘磨损对风力机翼型气动性能的影响 (37) 5.1 几何模型和数学模型 (37)5.1.1 研究对象和前缘磨损模型 (37)5.1.2 计算域网格划分 (39)5.1.3 湍流模型 (40)5.1.4 边界条件 (40)5.2 计算方法可靠性验证 (41)5.3 计算结果及分析 (41)5.3.1 升、阻力特性分析 (41)5.3.2 流动特性分析 (42)5.3.3 翼型周围流场分析 (44)5.4 本章小结 (45)第6章结论与展望 (47)6.1 结论 (47)6.2 展望 (48)参考文献 (49)致谢 (54)附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录 (55)全日制工程硕士学位论文摘要风力发电机组长期暴露在恶劣的风沙环境下，使得风力机叶片发生冲蚀磨损，严重威胁到风力机的安全稳定运行及能量输出。
风力机叶片涂层风洞冲蚀磨损试验及模型研究
风力机叶片涂层风洞冲蚀磨损试验及模型研究风力机叶片涂层风洞冲蚀磨损试验及模型研究摘要：随着风力发电技术的迅猛发展，风力机叶片作为关键部件之一，其性能和寿命受到广泛关注。
然而，在复杂气候和工作环境下，叶片常常会受到严重的冲蚀磨损。
本研究通过在风洞中进行冲蚀磨损试验，并建立了相应的模型，旨在探究有效的叶片涂层材料和设计方案，提高风力机叶片的耐久性和可靠性。
关键词：风力机叶片，冲蚀磨损，风洞试验，涂层材料，模型研究1. 引言风力发电作为一种清洁、绿色的可再生能源，已经成为全球能源转型的重要组成部分。
作为风力机的关键部件，叶片直接影响着风力机的性能和运行寿命。
然而，在恶劣的气候条件下，如风沙、海洋环境等，风力机叶片常常受到冲蚀磨损的严重影响，导致性能下降和寿命缩短。
因此，寻找有效的叶片涂层材料和设计方案，提高风力机叶片的耐久性和可靠性成为当前研究的热点和难点。
2. 实验设计本研究通过在风洞中进行冲蚀磨损试验，模拟实际工作环境，探究不同涂层材料对叶片冲蚀磨损的影响。
首先，选择常见的叶片涂层材料，如聚氨酯、聚酯和陶瓷材料，并制备相应的涂层试样。
然后，在风洞中设置适当的风速和颗粒物浓度，模拟叶片在不同工作条件下的冲蚀磨损情况。
试验期间，采用高速摄像机记录叶片表面的冲蚀磨损过程，并利用计算机图像处理技术进行分析。
3. 结果与讨论经过一系列试验，我们观察到不同涂层材料对叶片冲蚀磨损具有不同的影响。
聚氨酯材料表现出较好的抗冲蚀性能，其表面耐磨损程度相对较低。
而聚酯材料在高速风流冲蚀下表现较差，表面磨损明显。
陶瓷涂层在冲蚀磨损试验中具有良好的性能，表面几乎没有明显的损伤。
进一步的分析表明，涂层的硬度和耐磨损性能是影响冲蚀磨损的重要因素，因此，选择硬度高且耐磨损性能好的涂层材料对于提高叶片的耐久性至关重要。
4. 模型研究为了更进一步理解冲蚀磨损机理，我们建立了一种叶片涂层冲蚀磨损的数值模型。
该模型基于传热和传质方程，考虑了风速、颗粒物浓度、涂层材料的物理特性等因素，并通过计算机模拟得到了叶片表面的冲蚀磨损形态和机理。
风沙环境下钢结构表面涂层冲蚀行为与侵蚀机理研究
第30卷 第1期摩擦学学报Vol.30 No.1 2010年1月Tribol ogy Jan.,2010风沙环境下钢结构表面涂层冲蚀行为与侵蚀机理研究郝贠洪1,23,邢永明2,杨诗婷2(1.内蒙古工业大学土木工程学院,内蒙古呼和浩特 010051;2.内蒙古工业大学理学院,内蒙古呼和浩特 010051)摘 要:风沙环境的侵蚀和劣化作用严重影响着基础设施的安全耐久性.本文根据风沙环境特点,利用气流挟沙喷射法对钢结构涂层进行冲蚀试验,研究了涂层在风沙环境下的冲蚀磨损特性、冲蚀行为和侵蚀机理.结果表明:涂层磨损量随沙剂量和冲蚀速度的增加而增加;侵蚀机理为在低角度冲蚀下,涂层主要受微切削作用,而在高角度冲蚀下,主要受冲蚀挤压变形作用,由于涂层强度低而韧性较好,其在低角度冲蚀下的磨损更为严重.关键词:风沙;涂层;冲蚀;侵蚀;钢结构中图分类号:TH117.3文献标志码:A文章编号:1004-0595(2010)01-0026-06Erosi on-wear Behavi or of Steel Structure Coati n gSubject to Sandstor mHAO Yun-hong1,23,X I N G Yong-m ing2,Y ANG Shi-ting2(1.School of C ivil Engineering,Hohhot010051,China2.School of Science,InnerM ongolia U niversity of Technology,Hohhot010051,China)Abstract:Sandst or m has a great influence on the security and durability of infrastructure by er oding.Based on analysis of the sandst or m-envir on ment,the sedi m ent-air injecti on method was used t o measure er osi on-resistance of steel-structure coating,The results showed that the er osi on-wear rate of the coating increased with increasing er osi on-wear s peed and durati on.Er osi on mechanis m was that the coating was da maged by m icr o-cutting at l ow er osi on angle,and als o degraded by the i m pact of squeeze def or mati on at high er osi on angle.Because of its l ow strength and high t oughness, er osi on-wear of the coating at l ow er osi on angle was more severe than that at high er osi on angle.Key words:sandst or m,coating,er osi on,wear,steel-structure 中国北方地区属全球四大沙尘暴区之一的中亚沙尘暴区,而内蒙古中西部地区正处于该沙尘暴高活动区的中心地段,强沙尘暴(风速不小于20m/s,能见度为50～200m)在每年冬、春和夏初受气候影响更为严重.该地区基础设施中的工程结构材料,尤其是建在沙漠及周边的桥梁、输电塔和通信塔等钢结构体系,其安全耐久性受风沙环境侵蚀作用的影响更为显著.风沙环境的侵蚀主要是沙粒的冲蚀磨损过程.冲蚀磨损已成为工程结构材料破坏和失效的1个重要原因[2-8].目前关于工程结构材料冲蚀磨损的研究主要集中在含沙水流(液固两相流)对水工混凝土的影响方面,在试验方法、冲蚀机理、磨损估算和材料抗磨措施等方面取得了一些进展[9-12].对于风沙环境(气固两相流)下,工程结构材料的冲蚀行为、磨损特性及冲蚀机理的研究还不够深入.本文针Received17February2009,revised16Aguest2009,accep ted12Dece mber2009,Available online28January2010. 3Corres ponding author.Tel.:+86-471-6575700,E-mail address:haoyunhong_hyh@对风沙环境特点,采用气流挟沙喷射法[13],对钢结构材料表面有机防护涂层进行冲蚀试验,研究其在不同环境参数下的磨损特性,并通过对磨损表面微观形貌观测,研究和探讨涂层材料的冲蚀行为和机理,为揭示风沙环境对钢结构表面涂层的侵蚀规律,准确评价基础设施安全耐久性提供有价值的依据.1 实验部分1.1 试验方法采用气流挟沙喷射法,由于其可以较真实地模拟实际风沙环境特征,并且具有试验参数易于控制、操作简单易行,设备投资小,试验成本低等特点,是1种比较理想的模拟试验方法.1.2 风沙环境特性分析沙粒特征和风速是风沙环境侵蚀作用的2个主要影响因素.1.2.1 沙粒特征分析试验用沙取自内蒙古鄂尔多斯高原北部的库布其沙漠.库布其沙漠是中国第七大沙漠,是影响内蒙古中西部地区乃至北京地区沙尘天气的主要沙源之一,选取该沙漠沙粒有较好的工程背景和实际意义.(1)采用筛分法试验分析沙颗粒粒径分布情况,结果见表1所示.表1 试验用沙的颗粒粒径分布Table1 S i ze d istr i buti on of s and parti clesD iameter of sand/mm Range/%>0.5000.00～1.340.500～0.250 2.54～4.830.250～0.10055.34～71.280.100～0.07416.66～23.08<0.074 6.69～11.93其粒径分布大于0.250mm的颗粒不到5%,而小于0.074mm只有不足10%,主要分布在0.074～0.250mm之间,含量高达85%以上.(2)沙粒形状分析.采用LE I CA-DML M/ 11888605光学显微镜观测分析,结果表明沙粒形状近似呈圆形、椭圆形的可达80%以上,如图1所示. 1.2.2 试验风速段设置在冲蚀磨损试验中,由于沙粒在管道中的加速,我们认为在喷枪出口处沙粒和风的速度相近,称为风沙流速度.根据风力等级表(如表2所示)设置试验风沙流速度,分别设为9、12、16、19、23、26、31和35m/s .Fig.1 Mor phol ogy of sand particles,400×图1 沙粒形貌图,×400表2 风力(风速)等级表Table2 Grade of w i n d-speedGrade ofwind-s peedRange of wind-s peed/(m・s-1)Test wind-s peed/(m・s-1)58.0～10.79610.8～13.812713.9～17.116817.2～20.719920.8～24.4231024.5～28.4261128.5～32.6311232.7～36.9351.3 试验装置试验装置如图2所示.试验装置由高压气源系统、可控下沙率的供沙系统、冲蚀系统和冲蚀室4部分组成.其中冲蚀室由冲蚀箱、试件夹具和沙回收室等组成,夹具可以根据试验要求,在0°～90°范围内调节冲蚀角度,喷嘴到试件的距离也可进行调节,沙回收室可将喷沙回收.此外,利用测速仪来测定冲蚀时试件表面处的气流速度,通过调节气压阀可以调节气流速度,沙粒速度近似等于气流速度.Fig.2 Sche matic diagram of the er osi on-wear device图2 冲蚀磨损试验装置示意图72第1期郝贠洪,等:风沙环境下钢结构表面涂层冲蚀行为与侵蚀机理研究1.4 试件制备试件基体材料采用普通低碳钢板,尺寸选用30mm×30mm×1mm,试件涂层材料选用天津灯塔油漆涂料有限公司生产的防锈漆和面漆.试件制备步骤:①试样基体经打磨处理后,用丙酮棉签擦洗干净;②喷2道底漆和3道面漆,喷涂工艺要求按《钢结构工程施工及验收规范》(G B50205-2001)进行.试件涂层的力学性能利用CS M公司微米压痕仪测量,结果如表3所示.表3 试件涂层的力学性能Table3 M echan i ca l properti es of the coa ti n g Para meter of p r operties Specificati onMaterial Bott om-paint:F53-31Phenolichongdan antirust paintTop-paint:TG L-1high chl orinatedpolyethylene paintThickness/μm800～1000Elastic modulus/GPa0.016Poiss on′s rati o0.45Density/(g・cm-3) 1.6Hardness/MPa 2.32 冲蚀磨损的测量与评定方法2.1 涂层材料失重量本文采用涂层材料的失重量来评价磨损程度,利用OHAUS-EP214C精密分析天平(精度为0.1mg)确定其失重量.2.2 冲蚀磨损形貌分析方法利用H I T ACH I-S3400N扫描电子显微镜,观测涂层的冲蚀磨损部位微观形貌,探讨分析涂层材料受侵蚀的行为和机理.3 分析与讨论3.1 不同沙剂量对涂层失重量的影响图3是试件在冲蚀攻角为90°,风沙流速度为12m/s条件下,在不同沙剂量情况下的涂层冲蚀失重量/失重率曲线图.由图(a)可知,下沙率Ms为120g/m in时涂层冲蚀失重量要大于下沙率M s为45g/m in时的失重量.由图(b)可观察到涂层在冲蚀过程中的孕育期、上升期和稳定期的3个不同阶段.而且不同的沙剂量会影响涂层冲蚀过程的孕育期、上升期和稳定期的历时.当Ms为45g/m in时,孕育期约30s,上升期约150s,在冲蚀时间约180s后进入稳定期;当M s为120g/m in时,孕育期约20s,上升期约70s,在冲蚀时间约90s后进入稳定期.大剂量的孕育期和上升期历时要小于小剂量的情况.在孕育期内,涂层材料表面层产生塑性变形,只有少数冲击强度很大的沙粒子在材料表面局部微区形成冲蚀坑,此时材料的失重量很小;在上升期中,持续的冲击作用使材料表面发生硬化,并在冲蚀坑附近萌生疲劳裂纹,裂纹由表面向内部扩张,造成冲蚀坑周边的材料小块剥落.由于裂纹萌生需要的冲击力和裂纹扩展所需的驱动力都比产生蚀坑所需的冲击力小很多,因此,冲击强度小的粒子也能造成材料的小块剥落,从而导致失重加剧;在冲蚀的稳定期,涂层材料表面已经破坏,在凹凸不平的表面上较难形成新的蚀坑,此时裂纹的萌生和扩展是造成涂层材料损失的主要途径,故涂层材料失重趋于稳定.82摩 擦 学 学 报第30卷3.2 风沙流冲蚀角度对涂层失重量的影响图4所示为试件在冲蚀时间为10m in,下沙率为90g/m in,风沙流速度为23m /s 的条件下,涂层材料的冲蚀失重量随着冲蚀攻角α变化的关系曲线图.由图4可以看出,在约30°攻角下,冲蚀失重量达到最大值,约90°时,冲蚀失重量最小,这是由于在低攻角冲蚀时,硬度是决定材料耐冲蚀性能的主要因素,而在高攻角冲蚀时,材料的耐冲蚀性能主要取决于其韧性.试件涂层为塑性材料,其硬度低而韧性高,故其在低攻角冲蚀下的冲蚀失重量要大于高攻角的冲蚀失重量.Fig .4 Relati onshi p bet w een er osi on mass l ossand er osi on angle图4 涂层冲蚀失重量与冲蚀角度关系3.3 风沙流冲蚀速度对涂层失重量的影响图5是试件分别在冲蚀攻角为30°和90°(沙粒速度与涂层平面的夹角),冲蚀时间为10m in,下沙率为90g/m in 的条件下,涂层材料的冲蚀失重量与风沙流速度(m /s )变化的关系曲线图.由图5中可见,无论是低攻角(30°)冲蚀,还是高攻角(90°)冲 Fig .5 Relati onshi p bet w een er osi on mass l ossand er osi on s peed图5 涂层冲蚀量与冲蚀速度关系蚀,冲蚀量均随着风沙流速度的增大而显著增加.因为此时去除材料所需能量的唯一来源是沙粒的动能,沙粒的速度增大,其动能相应增加,导致涂层材料冲蚀加剧.图6是涂层在冲蚀攻角为30°,冲蚀时间为10m in,下沙率为90g/m in 的条件下,涂层材料的冲蚀量与风沙流速度(m /s )关系的拟合曲线图.经曲线拟合分析,二者近似呈指数关系:y =axb(2)式中:系数a ≈(1.9168～1.9678)×10-4、b ≈119901～2.3225,系数a 、b 的取值受涂层材料的性能和角度因数的影响.Fig .6 Curve -fitting f or relati onshi p bet w een er osi onmass l oss and er osi on s peed图6 涂层冲蚀量与冲蚀速度关系的拟合曲线4 涂层的冲蚀损伤机理分析风沙环境对涂层侵蚀实质是涂层材料受风沙流冲蚀磨损的破坏过程.要分析冲蚀磨损破坏,就得分析冲蚀的动力特性,此时去除材料所需能量的唯一来源是沙粒的动能,而沙粒的动能又取决于风沙流的运动参数和其本身的特性.沙料的运动速度对冲蚀磨损性能的影响最大,呈指数关系.图5和图6的冲蚀磨损试验结果表明:涂层材料的冲蚀磨损质量损失与沙粒的动能间存在较好的相关性,从而表明入射颗粒的动能是影响钢结构涂层材料冲蚀磨损的重要因素.风沙流的冲蚀角度决定着涂层材料冲蚀损伤的机理[14].当风沙流以某角度向涂层冲击时,可将其分解为平行和垂直于涂层表面2个方向的运动.即其作用力可分解成平行和垂直于涂层表面的2个分力,平行分力(冲蚀角小)对涂层表面是剪切作用,表面材料的破坏以微切削为主;垂直分力(冲蚀角92第1期郝贠洪,等:风沙环境下钢结构表面涂层冲蚀行为与侵蚀机理研究大)能使试件表面受正压力的作用,破坏以挤压变形为主.通过以上分析可以得出,风沙流对钢结构涂层的冲蚀磨损过程中同时存在微切削作用和挤压变形作用.4.1 涂层在低冲蚀角时的磨损表面形貌分析图7是涂层在冲蚀角为30°,冲蚀速度23m /s 、冲蚀时间为10m in 的冲蚀条件下,冲蚀磨损表面的SE M 形貌.Fig .7 SE M m icr ograph of er oded coating surface图7 涂层冲蚀磨损表面SE M 形貌在低角度冲蚀时,涂层大部分损坏表面都出现波纹状或顺风沙流方向的犁耕状沟槽及鱼鳞状剥落坑的形貌.分析可以得到,破坏形貌产生的主要原因是微切削痕迹,同时伴有微裂纹,微裂纹扩展产生微破坏区,部分材料从表面剥离留下清晰的剥落坑,造成了涂层的破坏.这表明在低角冲蚀条件下,涂层的冲蚀磨蚀机理以微切削为主,微切削作用主要取决于风沙流作用于涂层表面的水平作用力,即剪切应力.由于沙粒硬度远高于涂层硬度,剪切应力越大,切削作用越强,破坏越严重.另外,垂直方向的应力分量虽然较小,也可使涂层材料表面产生初始微裂纹并使其扩展和交叉并最终导致微破坏.裂纹源可能是涂层材料内部初始的孔穴和微裂纹等缺陷.总之,由于涂层材料的初始缺陷特征,促进了裂纹的产生与扩展,加剧了磨损的进程.由此可见,当冲蚀角度较低时,涂层材料的冲蚀磨损机理主要表现为硬质沙粒水平速度方向的切削作用;另外,还有其垂直方向的冲蚀导致的微裂纹、微破坏与剥落.切削磨损以及破坏与剥落不是独立的2个方面,而是同时存在于涂层的整个冲蚀磨损过程中,并相互促进和加剧磨损.4.2 涂层在高冲蚀角时的磨损表面形貌分析随着冲蚀角度的增大,涂层受水平作用力逐渐减小,而垂直作用力逐渐增大,使得由切削作用产生的磨损分量逐渐减弱.图8(a )是涂层在60°冲蚀角度下冲蚀磨损表面的SE M 形貌.切削磨损作用减轻,磨损表面由切削作用产生的切削沟槽痕迹己不明显,沙粒的切削作用逐渐转变为凿削,表面有凿削坑和裂纹扩展与交叉而产生断裂的痕迹.当风沙流的冲蚀角度增至90°时,涂层受水平作用力减小为零,切削作用消失.此时,试样表面所受的作用力全部为垂直于表面的正压应力.涂层大部分损坏表面都出现了蜂窝状冲蚀楔入坑(尺寸在10～50μm 不等),坑的四周有材料被挤压突出,如图8(b )所示.由于在此条件下,材料表面不存在切削作用,而受到的正向冲蚀力大,局部区域的应力集中更加明显,但试件涂层的韧性很好,因此涂层磨蚀轻微,冲蚀率较小.由前面的分析可知,涂层在风沙流冲蚀状态下,其冲蚀磨损机理主要表现为2个方面:在低角度冲蚀条件下,硬质沙粒水平方向的切削作用起主导地位,由微切削及裂纹萌生和扩展共同作用导致材料03摩 擦 学 学 报第30卷的流失;在高角度冲蚀条件下,切削作用减弱或不存在,而受冲蚀挤压变形作用,由于涂层的韧性很好,因此涂层的磨蚀轻微,冲蚀率较小.在大多数情况下,它们同时存在于涂层的整个冲蚀磨损过程中并相互促进而加剧磨损.因此,为了提高涂层材料的耐冲蚀磨损性能,不仅要提高涂层材料的强度与硬度,以抵抗硬质磨粒的切削作用,还要提高涂层材料的抗断裂能力,尽量提高其韧性.根据断裂力学观点,从能量角度而言,提高材料的韧性,就是要提高断裂时的能量消耗.这样,一方面可以提高裂纹扩展时可能通过的各个相的断裂能;另一方面可增加裂纹扩展途径的曲折度及微观区的尺寸.从应力分析角度而言,要尽量减少应力集中,可以通过提高涂层材料的结构致密性,减少材料本身存在的缺陷等途径.无论是提高强度、硬度还是韧性,都与涂层材料的组成和结构有关.5 结论a. 涂层在冲蚀过程中,其孕育期和上升期较短,且随着沙剂量增加,孕育期和上升期缩短.b. 涂层的冲蚀磨损量随风沙流冲蚀角度的变化而变化,低攻角度的失重量大于高攻角度的失重量,且在攻角为30°时,涂层失重量最大.c. 风沙流速度是影响涂层材料冲蚀磨损的决定因素,涂层材料的冲蚀失重量随风沙流速度的增加而增加,二者近似呈指数关系.d. 涂层在风沙流冲蚀状态下,其冲蚀磨损机理主要表现为2个方面:在低攻角冲蚀条件下,硬质沙粒水平方向的切削作用起主导地位,由微切削及裂纹萌生和扩展共同作用导致材料的流失,此时硬度是决定材料耐冲蚀性能的主要因素;而在高攻角冲蚀条件下,由于切削作用逐渐减弱或消失,而主要受冲蚀挤压变形作用,此时材料的耐冲蚀性能主要取决于其韧性.由于试件涂层材料为塑性材料,其硬度低而韧性较好,故在低攻角冲蚀时其失重量较高攻角更为严重.6 致谢本研究得到国家自然科学基金(10662005)和内蒙古自治区自然科学基金(2009MS0706)的支持,在此表示感谢.参考文献:[1] B itter.The effects of air polluti on on electrical contact material:a field study[J].W ear,1968(11):123-128.[2] Finnie.Er osi on of surfaces by s olid particles[J].W ear,1960,387-403.[3] Laszl o.A 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张总研究风沙环境下钢结构涂层的侵蚀机理
张总研究风沙环境下钢结构涂层的侵蚀机理研究风沙环境下钢结构涂层的侵蚀机理摘要：随着我国钢结构技术的稳步发展，钢结构在建筑上的应用越来越广泛。
但由于钢结构容易锈蚀的特点，其防锈保护环节也就显得尤为重要。
在钢结构表面进行涂层对钢结构建筑的防锈防腐，以及维护钢结构的强度和使用都有非常好的效果。
本文将研究涂层在风沙环境下的冲蚀磨损特性、冲蚀行为和侵蚀机理。
关键词：风沙环境；钢结构涂层；侵蚀机理一、风沙环境下钢结构涂层的侵蚀机理概述风沙环境的侵蚀主要是沙粒的冲蚀磨损过程。
冲蚀磨损已成为工程结构材料破坏和失效的一个重要原因。
目前关于工程结构材料冲蚀磨损的研究主要集中在含沙水流(液固两相流)对水工混凝土的影响方面，在试验方法、冲蚀机理、磨损估算和材料抗磨措施等方面取得了一些进展。
本文针对风沙环境特点，采用气流挟沙喷射法，对钢结构材料表面有机防护涂层进行冲蚀试验，研究其在不同环境参数下的磨损特性，并通过对磨损表面微观形貌观测，研究和探讨涂层材料的冲蚀行为和机理，为揭示风沙环境对钢结构表面涂层的侵蚀规律，准确评价基础设施安全耐久性提供有价值的依据。
风沙环境对涂层侵蚀实质是涂层材料受风沙流冲蚀磨损的破坏过程。
要分析冲蚀磨损破坏，就得分析冲蚀的动力特性，此时去除材料所需能量的唯一来源是沙粒的动能，而沙粒的动能又取决于风沙流的运动参数和其本身的特性。
沙料的运动速度对冲蚀磨损性能的影响最大，呈指数关系。
风沙流的冲蚀角度决定着涂层材料冲蚀损伤的机理。
当风沙流以某角度向涂层冲击时，可将其分解为平行和垂直于涂层表面两个方向的运动。
即其作用力可分解成平行和垂直于涂层表面的两个分力，平行分力对涂层表面是剪切作用，表面材料的破坏以微切削为主；垂直分力(冲蚀角大)能使试件表面受正压力的作用，破坏以挤压变形为主。
通过以上分析可以得出，风沙流对钢结构涂层的冲蚀磨损过程中同时存在微切削作用和挤压变形作用。
在低角度冲蚀时，涂层大部分损坏表面都出现波纹状或顺风沙流方向的犁耕状沟槽及鱼鳞状剥落坑的形貌。
钢结构涂层受风沙冲蚀程度评价和相似性分析
钢结构涂层受风沙冲蚀程度评价和相似性分析郝贠洪;任莹;段国龙;朱敏侠;杨风利;张宏杰【摘要】针对内蒙古中西部地区钢结构体系表面涂层长期遭受风沙冲蚀这一现状,采用气流挟沙喷射法,对钢结构涂层受风沙冲蚀磨损的程度进行了研究及分析;提出了评价涂层冲蚀磨损程度的计算方法,并应用相似性理论将试验结果与实际工况进行了对比分析.结果表明:涂层的冲蚀磨损质量损失随冲蚀速度的增加而增加;最大冲蚀磨损质量损失出现在冲蚀角度为45°时,最小冲蚀磨损质量损失出现在冲蚀角度为90°时;所提出的涂层冲蚀磨损程度评价公式计算结果与试验结果基本吻合;试验条件为下沙率360 g/min,冲蚀速度30 m/s,冲蚀时间12 min的涂层冲蚀磨损结果,相当于强沙尘暴密集区的钢结构涂层受到5.05～83.0个月的冲蚀磨损.【期刊名称】《建筑材料学报》【年(卷),期】2015(018)005【总页数】6页(P773-777,783)【关键词】钢结构;涂层;风沙;冲蚀程度评价;相似性理论【作者】郝贠洪;任莹;段国龙;朱敏侠;杨风利;张宏杰【作者单位】内蒙古工业大学土木工程学院,内蒙古呼和浩特010051;内蒙古工业大学土木工程学院,内蒙古呼和浩特010051;内蒙古工业大学土木工程学院,内蒙古呼和浩特010051;内蒙古工业大学土木工程学院,内蒙古呼和浩特010051;中国电力科学研究院,北京100055;中国电力科学研究院,北京100055【正文语种】中文【中图分类】TQ633.1内蒙古中西部地区位于中国北部边疆，自西向东分布着六大沙漠和沙地，沙尘暴频繁发生［1－3］.该地区沙漠周边建有大量的通信塔、桥梁、输电塔架等钢结构设施，这些钢结构设施表面的涂层长期受到风沙环境的侵蚀作用而过早失效，使得钢结构外露锈蚀，导致结构的安全性和耐久性降低.钢结构涂层受风沙环境的侵蚀，实质上是沙粒子对涂层的冲蚀磨损破坏.目前，对于风沙环境下钢结构涂层的冲蚀磨损机理、冲蚀磨损程度评价研究已经取得了一定的进展［4－7］，但关于冲蚀时间与实际工况的相似性分析未见报道.本文通过气流挟沙喷射法模拟了风沙环境对钢结构涂层的冲蚀磨损情况，对试验数据进行理论分析，提出了评价涂层冲蚀磨损程度的评价公式，并运用相似性理论，将试验结果与实际工况进行了对比分析.所得结果可为工程实际中准确评价钢结构涂层受风沙侵蚀程度提供理论依据.1 试验部分1.1 沙粒特征及风沙冲蚀力学参数（1）试验用沙取自内蒙古中西部鄂尔多斯北部高原库布齐沙漠，由筛分试验可知，其中粒径为0.05～0.25mm的沙粒含量1）本文涉及的含量等均为质量分数.达到了87%以上，粒径为0.25mm以上和0.05mm 以下的沙粒含量都不足10%.使用光学显微镜对沙粒形状进行观测后发现，沙粒基本呈圆形或椭圆形，只有少数的尖角粒子，这主要是由于沙粒在沙漠中长时间运动过程中相互撞击和磨损造成的. （2）风沙冲蚀力学参数主要包括冲蚀速度、冲蚀角度、冲蚀浓度和冲蚀时间.根据内蒙古中西部地区的风沙环境特征，冲蚀速度v 设定为13，16，18，20，23，26和30 m／s；冲蚀角度α 设定为15°，30°，45°，60°，75°和90°；冲蚀浓度采用下沙率M 来表示，设定为90，150和240g／min；冲蚀时间t设定为12min.1.2 涂层制备涂层材料为奔腾铁红醇酸防锈漆（底漆）和晨虹白色磁漆（面漆）.试样基体为普通碳素钢薄钢板，尺寸为40mm×40mm.按照GB 50205—2001《钢结构工程施工质量验收规范》中“钢结构涂装工程”工艺要求进行喷涂.涂层的干膜厚度为1 mm.按照GB／T 6739—1996《涂膜硬度铅笔测定法》测定的涂层硬度为较低的B 级.按照GB／T 1731—1993《漆膜柔韧性测定法》，采用漆膜弹性仪来测定涂层的柔韧性，结果为4mm，说明其柔韧性较好.1.3 冲蚀试验装置及测量方法试验装置由高压气源系统、供沙系统、冲蚀系统三部分组成［8］.利用精密电子天平（可读性d＝0.000 1g）测量冲蚀试验前后钢结构涂层的质量变化，据此确定冲蚀磨损质量损失.1.4 冲蚀试验结果图1 涂层冲蚀磨损质量损失与冲蚀角度的关系Fig.1 Relationship between erosion mass loss and erosion angle图1是在下沙率M 为90，150，240g／min，冲蚀速度v为20m／s，时间t为12min的条件下，涂层的冲蚀磨损质量损失wt与冲蚀角度α的关系图.由图1可知，α为45°时涂层的冲蚀磨损质量损失达到最大，α 为90°时涂层的冲蚀磨损质量损失最小.这主要是因为，在低冲角时，涂层的硬度决定了冲蚀磨损质量损失，在高冲角时，涂层的柔韧性决定了冲蚀磨损质量损失.本试验涂层的硬度较低，柔韧性较好，因此低冲角时的冲蚀磨损质量损失大于高冲角时的冲蚀磨损质量损失. 图2 是在下沙率M 为150g／min，时间t 为12min条件下得出的冲蚀磨损质量损失wt随冲蚀速度v变化的曲线.由图2可知，随着冲蚀速度的增大，涂层的冲蚀磨损质量损失也不断增加，这是由于冲蚀速度增大会加大沙粒的冲蚀动能，加剧涂层的冲蚀磨损.图2 涂层冲蚀磨损质量损失与冲蚀速度的关系Fig.2 Relationship between erosion mass loss and erosion speed2 冲蚀磨损程度评价公式以Bitter的冲蚀变形磨损理论［9－10］和文献［5］中的评价公式为基础，并根据涂层的物理力学性能以及冲蚀试验结果，对文献［5］中的评价公式进行了调整，提出以下评价公式：式中：wt，wc，wd分别为总冲蚀磨损质量损失、切削冲蚀磨损质量损失、变形冲蚀磨损质量损失，g；ms为沙尘质量，g；ε1，ε2为调整系数，ε1＝0.95，ε2＝1.05；α0为临界冲蚀角，α0＝π／2n，其中n 为水平回弹率因素（当α＝α0时，sin（nα0）＝1，则有n＝π／2α0），另外，当α＜α0时，切削冲蚀磨损质量损失大于变形冲蚀磨损质量损失，当α＞α0时，变形冲蚀磨损质量损失大于切削冲蚀磨损质量损失；ψ 为切削冲蚀磨损能耗因数，m2／s2；η 为变形冲蚀磨损能耗因数，m2／s2.根据试验数据计算得出：ψ＝1.16×106 m2／s2；η＝1.36×107 m2／s2；n＝1.23；α0＝73.17°.2.1 冲蚀磨损质量损失与冲蚀角度的关系设冲蚀速度为20m／s，冲蚀时间为12min，下沙率分别为90，240g／min；采用式（1），（2）计算不同冲蚀角度下的冲蚀磨损质量损失并与试验数据进行对比，结果如图3所示.图3 不同下沙率时冲蚀磨损质量损失的计算数据与试验数据对比Fig.3 Comparison of calculated data with tested data of erosion mass loss at different sand－doses由图3可见，2种下沙率下，计算数据与试验数据2条曲线的走势都比较接近，说明由评价公式得出的计算结果与试验结果基本吻合.因此利用本文提出的评价公式进行钢结构涂层的冲蚀磨损程度评价是可靠的.2.2 冲蚀磨损质量损失与冲蚀速度的关系设下沙率为150g／min，冲蚀时间为12min，冲蚀角度α分别为45°，60°和90°，采用式（1），（2）计算不同冲蚀速度下的冲蚀磨损质量损失并与试验数据进行对比，结果如图4所示.由图4可见，3种冲蚀角度下，计算数据与试验数据2条曲线的走势都比较接近，说明由本文提出的评价公式得出的计算结果与试验结果基本吻合.因此利用本文提出的评价公式进行钢结构涂层的冲蚀磨损程度评价是可靠的.3 冲蚀试验结果相似性分析利用相似性理论把试验结果与实际工况进行对比，找到模拟试验结果与实际风沙环境对涂层冲蚀磨损的相关性，是将试验结果应用于钢结构耐久性评估的一个关键问题［11］.经统计1990年～2012年内蒙古中西部地区发生沙尘暴次数最多的年份为1990年和2004年，各有15次，最少是1991年、1994年和1997年，各有1次.根据气象统计［12－14］，大范围爆发强沙尘暴的标准是3个及以上观测站的风速≥20m／s，区域起沙量达7.8mg／（m2·s），1次沙尘暴中高风速持续时间大部分在30min以内.如果考虑100m2 范围内对1个钢结构构件的影响，经计算该范围内的下沙率Mp应达到46.8g／min.以试验中冲蚀速度vm＝30m／s，下沙率Mm＝360g／min，冲蚀时间t＝12 min 为例.根据动能公式：可知，决定风沙粒子流动能的2个因素是其质量和速度.现在速度是固定的，即模型速度vm＝30m／s，原型速度vp＝20m／s；模型中沙粒质量是随着时间的增加而增加的.因此，根据相似性理论［15－16］，先计算风沙持续1min时各物理量的相似比.图4 不同冲蚀角度时冲蚀磨损质量损失的计算数据与试验数据对比Fig.4 Comparison of calculated data with tested data of erosion mass loss at different erosion angles由此可见，计算结果与相似理论相符.以内蒙古中西部地区1年发生1次强沙尘暴为例，模型的冲蚀时间t＝12min，原型的1次沙尘暴持续时间t＝30min.则模型与原型的动能比为：即试验中沙粒的动能约相当于实际沙粒动能的7倍.换言之，12min的冲蚀磨损试验对涂层的冲蚀损伤，相当于该地区按照1年发生1次强沙尘暴的频率，钢结构涂层经受了83.0个月的冲蚀磨损.由于沙尘暴年发生次数不定，所以对沙尘暴发生次数进行了假设.按照冲蚀速度为30m／s，下沙率为360g／min，冲蚀时间不同的试验结果，可以推算出实际工况下钢结构涂层经受风沙冲蚀磨损的时间，如表1所示.表1 按不同冲蚀时间下的试验结果推算的实际工况下冲蚀磨损时间Table 1 Actual condition erosion time calculated by the experimental results at different erosion time由表1可知，试验中冲蚀时间越长，则由试验结果推算的实际工况中冲蚀磨损时间越长.由于实验室中不同下沙率对涂层的冲蚀磨损程度不同，按照冲蚀速度为30m／s，冲蚀时间为12min，下沙率不同的试验结果，可以推算出实际工况下钢结构涂层受风沙冲蚀磨损的时间，见表2.由表2可知，试验中的下沙率越大，由试验结果推算的实际工况中冲蚀磨损时间越长.表2 按不同下沙率下的试验结果推算的实际工况下的冲蚀磨损时间Table 2Actual condition erosion time calculated by the experimental results at different sand－dose4 结论（1）钢结构涂层的冲蚀磨损质量损失随着冲蚀速度的增加而增加.（2）在冲蚀角度为45°时涂层的冲蚀磨损质量损失最大，而在90°时最小.（3）由本文提出的评价公式计算的结果与试验结果基本吻合，说明利用该评价公式进行钢结构涂层的冲蚀磨损程度评价是可靠的.（4）运用相似性理论对试验结果进行了分析，推算出了钢结构涂层在实际工况下的冲蚀磨损时间.参考文献：［1］黄宁，郑晓静.风沙运动力学机理研究的历史、进展与趋势［J］.力学与实践，2007，29（4）：10－16.HUANG Ning，ZHENG Xiaojing.Research history，achievements and 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强风沙地区输电线路新型耐磨金具性能研究
强风沙地区输电线路新型耐磨金具性能研究摘要：金具是连接和组合电力系统中各类装置，以传递机械、电气负荷及起到某种防护作用的金属构件。
对于架空输电线路连接金具，应具有匹配的力学性能以及较高的可靠性和耐久性。
我国新疆等西北部大风多风地区以及其他特殊气候地区如山区微地形气象区、沿海季风区，风力强劲，有时伴随扬沙、沙尘暴等恶劣天气，架空输电线路途经上述地区时，大风可引起导线摇摆晃动，进而使连接金具之间发生剧烈摩擦，沙尘颗粒则会对金具表面产生冲击侵蚀，使金具表面发生磨损。
鉴于此，本文对强风沙地区输电线路新型耐磨金具性能进行分析，以供参考。
关键词：耐磨金具；35CrMo；45Mn2；GCr15；台架磨损试验引言电力公司在设计电力线时必须选用优质金属，以确保电路整体电力的稳定性和效率。
电力公司的购买者必须积极了解目前市场上可用的黄金材料的发展情况，并选择采用高比例环保技术的稳定、安全的电网。
1耐磨材料的选择我国架空输电线路连接金具多数采用抗拉强度不低于375MPa的碳素结构钢或合金结构钢制造，少数采用铸钢、可锻铸铁或球墨铸铁制造，常用钢材牌号包括35、45、40Cr、Q345R等。
所选牌号钢主要考虑其机械强度，而耐磨性能并未引起重视。
由于对所选牌号钢的耐磨性能考虑较少，在大风多风区以及微地形、微气象等特殊地区中发现传统连接金具的耐磨性能较差，严重影响了架空输电线路的运行寿命。
根据架空输电线路连接金具性能要求和前期调研分析，初步选取合金结构钢和滚动轴承钢作为新型耐磨金具材料体系，执行标准分别为GB/T3077-2015《合金结构钢》和GB/T18254-2016《高碳铬轴承钢》。
通过对比分析标准中所列钢种，优选出合金结构钢35CrMo、45Mn2及高碳铬轴承钢GCr15这3种材料作为新型耐磨金具的候选材料。
2风沙环境中电力金具磨损研究现状强风沙尘地区的特高压输电线以及连接输电线正常运行的金具常年受到强风沙尘等苛刻条件的作用，为保证电力系统的稳定运行，需要研究金具的磨损机理，进而研制出抗磨损的金具。
钢结构镀锌涂层冲蚀磨损表面形貌及粗糙度
钢结构镀锌涂层冲蚀磨损表面形貌及粗糙度钢结构镀锌涂层冲蚀磨损表面形貌及粗糙度摘要：我国西北地区风沙特殊环境对该地区钢结构的耐久性和安全性影响严重。
利用风沙环境侵蚀实验系统、扫描电子显微镜(SEM)和激光共聚焦显微镜(LSCM)研究钢结构镀锌涂层受风沙冲蚀磨损损伤行为和损伤形貌，并分析其表面粗糙度。
结果表明：涂层材料的冲蚀损伤行为更加依赖于冲蚀角度，在不同冲蚀角度下风沙流对涂层材料的冲蚀磨损过程同时存在类似表面划伤和挤压变形剥落；涂层材料的冲蚀坑深度随着冲蚀速度的增大而增加，在90°时冲蚀坑深度大于45°时的冲蚀坑深度；在相同的冲蚀速度下，45°时表面平均粗糙度Sa和均方差Sq较90°时大，在相同的冲蚀角度下，Sa和Sq均随速度的增大而增大。
在冲蚀中后期，粒子对凹凸不平的表面冲蚀磨损破坏严重，试件表面峰谷的形成和破坏导致冲蚀率增加。
关键词：风沙环境；镀锌涂层；冲蚀磨损；冲蚀形貌；粗糙度0 引言我国西北地区分布着广泛的沙漠，沙漠及周边地区分布着众多通信塔、输电铁塔和铁路电车输电塔等镀锌钢结构体系，由于长期遭受风沙的侵蚀作用，这些钢结构涂层受风沙冲蚀磨损破坏严重，使得其容易锈蚀，导致构件承载力下降，安全性和耐久性降低。
基于以上固体粒子冲蚀磨损问题，国内外学者对其进行了大量的研究。
目前，国外关于固体颗粒对材料的冲蚀磨损研究主要集中在金属材料、管道、工程塑料、钢结构涂层、混凝土和玻璃等方面，主要研究了不同试验工况下不同材料的冲蚀磨损对比，冲蚀形貌分析和固体颗粒对材料的冲蚀模拟研究[1-3]，关于材料受单颗粒子冲击研究也较多[4-6]。
而国内关于工程材料受单颗粒子冲击研究主要集中在玻璃、陶瓷和混凝土方面[7-9], 关于风沙环境对工程材料的冲蚀磨损研究主要集中在混凝土和钢结构油漆涂层方面，研究在试验方法、冲蚀磨损机理、评价指标和材料的抗冲蚀磨损措施等方面取得了一些进展[10-13]，而对于工程中常用的镀锌涂层受风沙气固两相流的冲蚀磨损损伤形貌和粗糙度研究很少。
风沙粒子冲击钢结构论文
风沙粒子冲击钢结构论文1风沙粒子冲击钢结构涂层应力理论分析沙粒子冲击钢结构涂层的问题可通过接触力学中的经典赫兹接触理论来分析。
运用经典赫兹接触理论需满足以下条件：①匀质材料；②小应变；③接触面尺寸与接触物体表面曲率半径相比很小；④表面无摩擦。
风沙粒子冲击钢结构涂层后，根据赫兹理论给出接触区与接触中心距离为r的点的法向压力分布。
2风沙粒子冲击钢结构涂层应力FEM数值模拟与理论分析2、1风沙粒子冲击后涂层表面接触区应力模型参数在2、1节已给出，风沙粒子冲击涂层后接触区半径及接触区径向应力理论值可由式(2)和式(5)求出。
有限元模拟加载圆半径为40μm，理论计算结果为46。
3μm，将加载圆半径均分为13个点(将点与接触中心距离进行编号，如图3所示)，图4所示为风沙粒子冲击涂层后接触区径向应力FEM解。
由图4可以看出在加载圆内部，径向应力为压应力，最大压应力产生在接触中心，该压应力限制了涂层材料的径向受压能力。
随着离接触中心距离的增加，压应力的减小速度加快。
图5为涂层受冲击后其表面接触区径向应力理论解与FEM的结果对比。
由图5可以看出：最大压应力都产生在接触中心，且最大压应力的理论值和模拟值分别为5、1MPa和6。
4MPa；在圆边界40μm处拉应力出现模拟值最大值，约为0。
6MPa，理论分析解的最大值则为0。
8MPa。
该接触区表面的最大拉应力对于涂层材料的受拉性能具有重要的参考意义(涂层材料的受拉性能一般非常弱)。
在设计钢结构涂层时，应该尽量选用受拉能力大于该最值的材料。
如果选用材料的强度不够，在此拉应力最大值的环状区域极易受到拉力撕裂的损伤，且破坏形式为环状撕裂破坏。
2、2风沙粒子冲击后涂层内部沿Z轴的应力如图1所示，模拟风沙粒子垂直冲击涂层，其界面上主要受到垂直于界面方向的应力和平行于界面方向的切应力影响，而垂直于界面方向的应力即为沿Z轴方向的应力。
沿Z轴方向的应力理论值可由式(9)求得，图6为冲击后涂层内部沿Z方向的应力FEM解。
风沙冲蚀作用下钢结构涂层的应力计算与分布特征
表面技术第51卷第6期风沙冲蚀作用下钢结构涂层的应力计算与分布特征蔺鹏臻a，魏亚鹏b，陈星b（兰州交通大学 a.甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室 b.土木工程学院，兰州 730070）摘要：目的合理计算风沙冲蚀作用下钢结构涂层的应力，并客观反映其分布特征。
方法基于接触力学和结构动力学理论，建立风沙侵蚀钢结构涂层时的冲蚀荷载表达式，利用位势理论推导出在冲蚀荷载作用下钢结构涂层的应力计算公式，并结合西北地区风沙流特征对钢结构涂层不同位置处的应力分布规律进行分析。
结果涂层的面漆和中间漆厚度宜分别取165~210 μm和145~165 μm。
面漆应具有良好的抗拉、抗压和抗剪性能，以防止发生表面开裂和次表层塑性屈服现象；中间漆的抗剪和抗压强度应分别不小于250 kPa 和800 kPa。
钢结构建筑物的最小迎风面积应尽可能垂直于风向，以降低风沙对钢结构建筑物的冲蚀破坏。
结论在风沙冲蚀作用下钢结构涂层宜设置底漆、中间漆和面漆3层，且底漆、中间漆和面漆的厚度应依次增大；面漆抗压和抗剪强度均要优于中间漆和底漆，以防止表面开裂和次表层塑性屈服。
关键词：应力分析；应力分布；冲蚀荷载；涂层；风沙；钢结构中图分类号：TH117 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2022)06-0214-07DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2022.06.018Stress Calculation and Distribution Characteristics of Steel StructureCoatings under the Action of Sand ErosionLIN Peng-zhen a, WEI Ya-peng b, CHEN Xing b(a. Key Laboratory of Road & Bridge and Underground Engineering of Gansu Province,b. School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)ABSTRACT: In order to reasonably calculate the stress of the steel structure coating under the action of sand erosion, and objectively reflect its distribution characteristics. Based on the theories of contact mechanics and structural dynamics, the expression of the erosion load when the steel structure coating is eroded by wind sand is established, and the stress calculation formula of the steel structure coating under the erosion load is derived by using the potential theory. At the same time, combined with the characteristics of wind-sand flow in the northwest region, the stress distribution law at different positions of the steel structure coating was studied. The research results show that the thickness of the topcoat and intermediate paint of the coating should be within the range of 165-210 μm and 145-165 μm, respectively. The topcoat should have good tensile, compressive and收稿日期：2021–04–20；修订日期：2021–09–12Received：2021-04-20；Revised：2021-09-12基金项目：国家自然科学基金重大项目（11790281）；甘肃省交通运输厅科技项目（甘交科技函2020-08）Fund：Major Project of National Natural Science Foundation of China (11790281); Science and Technology Project of Gansu Provincial Department of Transportation (Ganjiao Science and Technology Letter 2020-08)作者简介：蔺鹏臻（1977—），男，博士，教授，主要研究方向为钢结构理论及应用。
强风沙环境下高速列车车体冲蚀特性研究
强风沙环境下高速列车车体冲蚀特性研究
韩鸿;金阿芳;热依汗古丽·木沙
【期刊名称】《机床与液压》
【年(卷),期】2024(52)2
【摘要】为研究高速列车在不同车速下受到强风沙的冲蚀效应,基于欧拉-拉格朗日体系,利用DPM模型将风和空气设为连续相,将沙子颗粒设为离散相,对不同车速、沙粒粒径和风速下的高速列车的冲蚀效应进行了数值模拟。
结果表明:随着列车车速的增加,冲蚀率开始的增速较缓,后来急剧增加;随着颗粒直径的增加,冲蚀率开始时增长较快,后面增长较为平缓。
随着风速的增加,列车的冲蚀率开始时增长较缓慢,同时随车速的增大,列车的冲蚀率也逐渐增大。
为研究高速列车车体处实际的冲蚀效应,在忽略涂层的情况下,采用冲蚀磨损实验机与数值模拟结合的方法,研究颗粒形状与质量流量对冲蚀效应的影响。
结果表明:当颗粒形状因子增加时,车体的侵蚀率下降,而决定车体的冲蚀磨损主要是微切削磨损,当质量流速增加时,磨损率先增加后下降。
【总页数】9页(P146-154)
【作者】韩鸿;金阿芳;热依汗古丽·木沙
【作者单位】新疆大学机械工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】U270.1
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风沙对钢结构涂层的冲蚀磨损性能研究郝贠洪;段国龙;任莹;冯玉江;宿廷;杨风利;张宏杰【摘要】采用气流挟沙喷射法,在不同的冲蚀速度、角度、浓度和时间等风沙冲蚀参数下,对钢结构涂层进行了风沙冲蚀的模拟试验,对试验材料质量损失、抗冲蚀磨损性能和微观失效表面进行了分析.结果表明:钢结构涂层的耐磨性较差;冲蚀率随冲蚀速度呈指数增长,在冲蚀角度为45°时存在低速和高速2个冲蚀阶段;涂层的质量损失在冲角为45°时最大,90°时最小,表现出从脆性材料向塑性材料过渡的特征;低冲角时,材料破坏方式以微切削作用为主,决定材料耐冲蚀性能的主要因素是其硬度;在高冲角时,材料破坏方式以挤压凿削作用为主,决定材料耐冲击性能的主要因素是其柔韧性;涂层质量损失随下沙率的增大在300 g/min时出现峰值;涂层累积质量损失随时间大致呈线性增长,冲蚀过程存在明显的潜伏期、加速期和稳定期.【期刊名称】《建筑材料学报》【年(卷),期】2015(018)004【总页数】6页(P596-600,607)【关键词】风沙;冲蚀磨损;钢结构;涂层;微切削【作者】郝贠洪;段国龙;任莹;冯玉江;宿廷;杨风利;张宏杰【作者单位】内蒙古工业大学土木工程学院,内蒙古呼和浩特010051;内蒙古工业大学土木工程学院,内蒙古呼和浩特010051;内蒙古工业大学土木工程学院,内蒙古呼和浩特010051;内蒙古工业大学土木工程学院,内蒙古呼和浩特010051;内蒙古工业大学土木工程学院,内蒙古呼和浩特010051;中国电力科学研究院,北京100055;中国电力科学研究院,北京100055【正文语种】中文【中图分类】TQ633.1内蒙古中西部地区是中国沙尘暴的多发区［1］，该地区的桥梁、通信塔和输电塔架等钢结构体系的表面涂层受风沙冲蚀严重，使钢结构表面外露锈蚀，造成钢结构体系的耐久性和安全性下降，给国民经济造成了巨大损失.冲蚀磨损是造成材料损失和设备破坏的一个重要原因［2－5］，目前关于风沙的冲蚀磨损研究主要集中在仿生功能表面［6－8］的抗冲蚀磨损，对于工程材料的冲蚀磨损研究则主要集中于含沙水流对水工混凝土材料的冲蚀磨损［9－11］，而有关风沙环境（气固两相流）下工程结构材料的冲蚀磨损性能研究还不够深入，可查阅的资料也较少［12－15］.本文针对内蒙古中西部地区的风沙环境特征，采用气流挟沙喷射法［16］，模拟风沙环境下钢结构涂层的冲蚀过程，分析不同风沙冲蚀参数作用下涂层的冲蚀磨损变化规律，并利用扫描电镜观测其冲蚀失效表面，分析其失效机理；分析涂层在潜伏期、加速期和稳定期这3个冲蚀阶段的历时和特征.研究结果可为钢结构涂层的设计、应用和防护提供依据.1 试验部分1.1 钢结构涂层制备涂层材料为奔腾铁红醇酸防锈漆（底漆）和晨虹白色磁漆（面漆）.采用BSTAIR 型空气压缩机和K－3型喷漆枪进行喷涂.基体试样为普通碳素钢薄钢板，尺寸为40mm×40mm×1mm，在喷涂前打磨除锈并用丙酮棉签擦洗干净.涂层喷涂按照GB 50205—2001《钢结构工程施工质量验收规范》中“钢结构涂装工程”工艺要求进行，喷2道防锈漆（厚约400μm）和3道面漆（厚约600μm），涂层平均厚度为1 000μm.1.2 性能试验（1）涂层硬度按照ISO 15184—1998《色漆和清漆使用铅笔测定漆膜硬度》进行测定.（2）涂层柔韧性按照GB／T 1731—1993《漆膜柔韧性测定法》，采用柔韧性测定仪进行测定.（3）涂层与基材的结合强度采用GB／T 16777—2008《建筑防水涂料试验方法》，在电子万能拉力机上进行测定，对5个试样进行5次测量，结果取平均值.（4）涂层摩擦系数按照GB 10006—1988《塑料薄膜和薄片摩擦系数测定方法》，在摩擦系数测试仪上进行测定，法向力为（1.96±0.02）N，两试样表面以（100±10）mm／min的速度相对移动.（5）涂层的耐磨性按照ISO 77842—1997《色漆和清漆—耐磨耗测定—第二部分：旋转研磨橡皮轮法》，采用Taber试验仪进行测定，测量参数为：转盘转速60r／min，采用CS17 型橡胶砂轮，加压负荷为7.5N.（6）采用气流挟沙喷射法模拟风沙环境下钢结构涂层的冲蚀磨损，试验装置见图1；所用沙粒取自内蒙古中西部地区鄂尔多斯高原北部的库布其沙漠，粒径主要为0.05～0.25mm，沙粒形状近似圆形或椭圆形；风沙流的冲蚀速度V 为13，16，18，20，23，26和30m／s，冲蚀角度α为15°，30°，45°，60°，75°和90°，冲蚀浓度用下沙率M 来表征，由低浓度到高浓度分别设定为90，150，240，300，360和460g／min；采用冲蚀质量损失及冲蚀率来评定涂层的冲蚀磨损程度，利用OHAUS－EP214C 精密分析天平（精度为0.1mg）确定其质量损失S，冲蚀率为质量损失（mg）与冲蚀用沙量（g）之比，用ε表示.图1 冲蚀装置原理图Fig.1 Principle diagram of the erosion device2 结果与讨论2.1 涂层的力学性能与磨损性能涂层的力学性能与磨损性能见表1.由表1 可见，涂层的柔韧性较好；涂层与基材的平均结合强度较低，只有2.3MPa，这主要是由于涂层与钢结构基材之间的热膨胀系数失配造成的.一般而言，有机材料的热膨胀系数高于金属材料10倍以上.漆膜属于软质涂层，铅笔硬度为B，硬度较低，剪切强度较低，因而其摩擦系数较低，只有0.37～0.42，粒子冲击时易造成切削破坏.涂层磨损的Taber指数为81.9×10－3 mg／r，高于HG／T 3831—2006《喷涂聚脲防护材料》的规定（≤80×10－3 mg／r），说明其磨损率较大，耐磨性较差.表1 涂层的力学和磨损性能Table 1 Mechanical and wear properties of the coating2.2 风沙流冲蚀速度对涂层冲蚀磨损的影响图2是在冲蚀角度α为45°和90°，下沙率M 为150g／min，时间t为12min的条件下，涂层冲蚀率ε与风沙冲蚀速度V 的变化关系曲线.由图2 可知，涂层冲蚀率随着冲蚀速度的增大而增加.这是由于当冲蚀速度增加时，相应的动能也增加，沙粒对材料表面所做的功增多，从而能克服涂层分子间的结合力，使更多的分子结构被破坏所致.图2 冲蚀率ε与冲蚀速度V 的关系Fig.2 Relationship between erosion rate and erosion speed此外，根据冲蚀率随冲蚀速度的变化趋势可知，45°时冲蚀过程出现了低速冲蚀和高速冲蚀这2个变化阶段：当V＜16m／s时，属于低速冲蚀阶段，此时沙粒的能量不高，与涂层表面碰撞后，沙粒速度的水平分量很小，不可能在材料表面留下长的切削痕迹和犁沟，磨损量较少；当V≥16m／s时，属于高速冲蚀阶段，此时沙粒速度高，能量大，能在涂层表面上划过较长距离，这一过程持续进行，使得涂层表面初始产生的变形凸起被推平，材料损失相对较多.冲蚀角度为90°时，由于沙粒速度不存在水平分量，因此不能明显区分低速和高速阶段.图2中冲蚀率ε与冲蚀速度V 近似存在指数关系：经曲线拟合可知，式中的系数K≈2.167 3×10－5～20.539 1×10－5，n≈2.10～2.26.K 和n 均与磨粒、被冲蚀材料和冲蚀角等因素有关.根据Finnie等对大多数具有延展性材料的研究结果表明，指数n 为2.0～3.0.说明本次试验结果符合延展性材料的规律，本涂层属于延展性材料.2.3 风沙流冲蚀角度对涂层冲蚀磨损的影响图3是在下沙率M 分别为90，150，240g／min，冲蚀速度V 为20m／s，冲蚀时间t为12min的条件下，涂层的冲蚀质量损失S 与冲蚀角度α 的变化关系曲线.由图3可知，在α＝45°时涂层的冲蚀质量损失最大，α＝90°时涂层的冲蚀质量损失最小.典型的塑性材料最大冲蚀质量损失出现在15°～30°处，典型的脆性材料最大冲蚀质量损失出现在接近90°处.钢结构涂层的最大冲蚀质量损失出现在45°左右，说明钢结构涂层既未表现出典型脆性材料的冲蚀磨损特征，也未表现出典型塑性材料的冲蚀磨损特征，而表现出了从脆性材料向塑性材料过渡的特征.图3 冲蚀质量损失S 与冲蚀角度α 的关系Fig.3 Relationship between erosion mass loss and erosion angle图4是α为15°，45°，75°，90°时涂层冲蚀磨损的SEM 形貌.由图4可知，在低冲角时，涂层失效表面产生波纹状或顺风沙方向的犁沟状沟痕，划痕长且方向性明显，同时划痕周围伴有微裂纹，微裂纹扩展产生微破坏区，部分材料从表面剥离留下清晰的剥落坑，造成了涂层的破坏.因此在低冲角时，冲蚀破坏以微切削作用为主.当α＝75°时，涂层表面因切削产生的沟痕已不明显，而划痕则短而深，这是由于沙粒的切削作用逐渐转变为凿削，涂层表面有凿削坑和裂纹扩展与交叉而产生断裂的痕迹.当α＝90°时，涂层表面出现蜂窝状冲蚀楔入坑，坑周围有材料被挤压突出，材料的破坏方式以沙粒对涂层的挤压凿削作用为主.综上可知，低冲角时材料的破坏方式以微切削作用为主，决定材料耐冲蚀性能的主要因素是其硬度；在高冲角时，材料破坏方式以挤压凿削作用为主，决定材料耐冲蚀性能的主要因素是其柔韧性；涂层因硬度低而柔韧性较好，因此其在低冲角时的冲蚀质量损失要大于高冲角时的冲蚀质量损失.2.4 风沙浓度对涂层冲蚀磨损的影响风沙浓度用下沙率M（g／min）来表示，图5 是在不同的冲蚀角度下，当冲蚀速度V 为23m／s，时间t为12min时，涂层的冲蚀质量损失S 与下沙率M 的关系曲线.由图5可知，在不同冲蚀角度下，随着下沙率的增大，冲蚀质量损失先升后降，在M ＝300g／min时达到最大值.原因主要是随着下沙率增大，沙粒冲击涂层的动能增大，某一时刻冲击涂层表面的沙粒数量增多，涂层材料被反复切削、挤压和凿削的次数增多，因而材料损失量也增多；当M ≥300g／min时，冲蚀质量损失呈下降趋势，这是由于当冲蚀沙粒增至一定数量时，沙粒间的相互碰撞以及回弹沙粒会使沙粒冲击涂层的动能大大削弱，造成冲蚀质量损失下降.图4 冲蚀角度不同时的涂层冲蚀磨损表面SEM 形貌Fig.4 SEM morphology of erosion surface of the coating at different erosion angles图5 冲蚀质量损失S 与下沙率M 的关系Fig.5 Relationship between erosion mass loss and sand－dose2.5 冲蚀时间对涂层冲蚀磨损的影响图6 是冲蚀速度V 为26m／s，下沙率M 为300g／min，冲蚀角度α为45°，90°的条件下，对涂层每隔5s进行一次称重所得的涂层累积质量损失L与时间t 的关系图.由图6可知，涂层的累积质量损失随时间大致呈线性增长趋势，低冲角下线性增长的趋势明显快于高冲角下的线性增长趋势，即低冲角下的涂层累积质量损失要大于高冲角下的涂层累积质量损失.图6 涂层累积质量损失L 与时间t的关系Fig.6 Relationship between cumulative mass loss and erosion time图7为涂层冲蚀率ε随时间t的变化关系图.由图7可知，涂层的冲蚀过程存在明显的潜伏期、加速期和稳定期.冲蚀角度为45°时，冲蚀时间0～25s为潜伏期，25～100s为加速期，100s之后进入稳定期；冲蚀角度为90°时，冲蚀时间0～50s为潜伏期，50～170s为加速期，170s之后进入稳定期.潜伏期内，45°时冲蚀率为0，但是在90°时出现冲蚀率为负值的情况，这主要是由于入射的沙粒嵌入涂层，导致涂层增重，从而产生负值，而增重的大小与冲击角度有关，一般低冲角下嵌入增重的趋势明显小于高冲角时，本文中45°时没有产生嵌入增重的现象.另外，同等冲蚀条件下，低冲角时的潜伏期和加速期历时要小于高冲角时的潜伏期和加速期历时.图7 涂层冲蚀率ε与时间t的关系Fig.7 Relationship between erosion rate and erosion time冲蚀磨损在上述3个阶段的冲蚀机理为：（1）潜伏期，为冲蚀的初始阶段，低冲角时冲蚀率为0，涂层只发生弹塑性变形，表面留下细微的划痕；高冲角时由于沙粒嵌入涂层，冲蚀率可能出现负数的情况，涂层发生弹塑性变形，表面产生细微的冲蚀坑.无论是低冲角还是高冲角，在划痕或冲蚀坑的附近都伴有微裂纹产生及其疲劳扩展，但无材料损失.（2）加速期，冲蚀率不断上升，涂层不断吸收冲击能量导致塑性耗尽，此时低冲角下的微切削作用和高冲角下的挤压凿削作用所造成的材料损失占主导地位，前者会形成较深的犁沟状沟痕，后者则形成较深较大的冲蚀坑；沟痕和冲蚀坑附近的微裂纹迅速扩展交叉，以致断裂剥落，形成剥落坑，造成材料损失.（3）稳定期，此阶段内涂层表面已被完全破坏，在凹凸不平的表面上较难造成有效的微切削和凿削.此时的涂层损失主要是微裂纹的产生和发展所导致的疲劳破坏.3 结论（1）钢结构涂层的柔韧性较好，与基材的结合强度较低；硬度较低，摩擦系数较低，耐磨性较差.（2）钢结构涂层在冲蚀角度为45°时的冲蚀质量损失最大，90°时的冲蚀质量损失最小，冲蚀率随风沙流速度的增加近似呈指数增长.在冲蚀角度为45°时，存在低速和高速两个冲蚀阶段.（3）涂层冲蚀机理为：低冲角时，材料破坏方式以微切削作用为主，决定材料耐冲蚀性能的主要因素是其硬度；在高冲角时，材料破坏方式以挤压凿削作用为主，决定材料耐冲击性能的主要因素是其柔韧性.（4）高风沙浓度时钢结构涂层的冲蚀质量损失受冲蚀沙粒间的相互碰撞以及回弹沙粒的影响较大.（5）钢结构涂层的累积质量损失随时间延长大致呈线性增长趋势，涂层的冲蚀过程存在明显的潜伏期、加速期和稳定期.参考文献：［1］王式功，董光荣，陈惠忠，等.沙尘暴研究的进展［J］.中国沙漠，2000，20（4）：349－356.WANG Shigong，DONG Guangrong，CHEN Huizhong，et al.Advances in studying sand dust storms of China［J］.Journal of Desert Research，2000，20（4）：349－356.（in Chinese）［2］ALLEN C，BALL A.A review of the performance of engineering materials under prevalent 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