基于流体机械工况的冲蚀磨损特性研究

基于流体机械工况的冲蚀磨损特性研究【摘要】磨损与冲蚀是机械零部件中最容易出现也是最常见的失效现象之一。圆盘式模式试验台上对于流体机械通常都是采用ht200、45与40cr为主进行了模拟和分析，并且在应用的过程中研究了材料表面的失效现象以及微观处理机理。通过各种试验结果表明，在目前冲蚀现象主要可以分为饱和期、稳定器和上升期三个阶段。本文就对其各方面冲蚀磨损现象和特性进行了深入总结与研究，提出了相关预防控制措施和策略。

【关键词】冲蚀；磨损；液体机械；磨损特征

流体机械内部部件破损现象是造成机械运行隐患和应力分布较差现象的主要原因之一。就当前的冲蚀现象分析而言，在工作中冲蚀磨损是造成流体机械、水轮机和输送含砂水流隐患与差异的主要途径。伴随着科学技术的发展，这种现象逐步引起了国内外学者与工作人员的关注与研究。就目前的工作内容分析而言，其中还存在着较多的不足与问题，在工作中寻求流体机械能抗磨损的长期解决和合理修复方法已成为研究工作重点。通常在工作中都是以流动分析计算继续拧深入总结与研究，同时对流体机械叶片的冲蚀磨损现象和影响规律进行深入的总结和处理。

１．常见的冲蚀磨损现象

1.1气蚀现象

汽蚀现象对于流体机械来说有着严重的影响，不仅能使流体机械的性能曲线下降，使泵的出水量减少，扬程降低，效率下降：同

时还会有较大的振动和噪声影响战舰的作战能力。因此国内外一直把有关于通过改善流体机械叶轮机构来提高船舶推进泵各项性能，降低汽蚀效果作为开发和研究高性能流体机械的重要课题，在研究流体机械性能方法方面国内外也存在着大量先进和丰硕的成果。

1.2恒流堵塞现象

恒流堵塞器是一种用于油田分层注水系统的新型井下分层流量控制装置，它通过机械结构的流量负反馈或压力前馈作用对流量进行自动调节，具有结构简单、体积小、成本低、使用方便、可靠性高等诸多优点，加上可直接应用于原分层注水管柱，因此具有很好的推广价值。但油田注入水存在一定固体悬浮颗粒，且恒流堵塞器阀口处的流速很高，因此不可避免地要发生冲刷磨损现象，进而对其流量调节精度造成不利影响。

2.试验分析

2.1试样制备

在试验的过程中，其形状与尺寸可以结合一下方法进行，通常情况下对于试验中需要采用的材料每一种都需要准备四块或者三块，以备不时之需。同时在实验准备的过程中，通过对于粗糙面为1.6mm的机械零件进行加工和处理，并对其试样的相应参数进行科学、精确的记录。

2.2试验方法

在自制的转盘式磨损试验装置上进行冲蚀磨损试验，循环水系统与地下水池联通。该试验在模拟叶轮的实际工况下，试验圆盘由

电机拖动旋转，含沙水流从喷射箱盖上均布的只内径为3mm的喷嘴直接射向试件，作用在试件上的水流相对速度与圆周速度的夹角即为水流相对冲角而提出了一种新的要求。同时在实验的过程中通过选择相应的喷嘴射流速度来与四周的速度进行不同形态的组合与

控制，进而形成速度与冲角方向的全面结合与管理。就当前的工程施工现状分析而言，通常情况下都是采用不同的角度进行研究。从这些情况中可以看出在冲蚀盘旋转速度超过2694r/min的时候，旋转盘室内的速度压力逐步增加，进而引起的了冲蚀磨损的上升。

2.3试验分析

三种材料的质量损失都随冲蚀磨损时间的增加而增大，但在相同的磨蚀时间内三种材料的损失量不同。从试样的表面形貌上观察，灰铁ht200材料冲蚀40个小时之后后，表面有2～3mm深的沟槽和1～3mm宽的凹坑，呈现严重的冲蚀坑，同时在这个过程中其主要的损失量达到了802.7mg，平均损失量达802.7mg，表层材料大多已剥落。而4钢在冲蚀后，试样表面形成弧形沟槽，表面凹凸不平，鱼鳞坑前浅后深，与水流方向相同，平均损失量为607.87mg，磨损严重。但试样在同样冲蚀时间内，表面形成弧形的磨痕与有方向性的小坑，平均损失量为45，磨损比较轻微。45与钢的抗冲蚀性能显著高于ht200。

3.主要的磨损特征分析与总结

3.1磨屑群体特征

磨损是导致部件失效的最常见的故障，磨屑是其直接产物。润

滑油（或液压油）中的磨屑数目往往达到1012个/cm3，属多粒子系统，对它们的状态特征（如磨屑的形貌、颜色、粒度大小、比例等）的描述应当运用数理统计的数学工具，达到对定性铁谱的量化（这是对现行铁谱技术的提高和发展）。同时，机械部件的失效是一种渐进的过程，对其描述应运用模糊数学的工具，综合磨屑群特征、油料状态、振动噪声、温度诸因素进行模糊综合诊断。本技术对工况现场的油样分析达3000个以上，准确度接近90%。

3.2石棉阻磨材料

用传统的石棉摩阻材料制成的汽车制动器衬片，不但污染环境有致癌作用，而且工作寿命低，其在250℃以上工作时有热衰退现象。因此，近二十年来世界各国都对石棉摩阻材料的生产与使用加以限制，并致力于研究新一代摩阻材料来取代石棉摩阻材料。本研究工作在采用正交设计优化了碳纤维复合摩阻材料的基础上，针对流体机械制动器衬片的实际工况，研究了碳纤维复合摩阻材料的摩擦磨损特性及磨损机制。

3.2.1性能影响分析

碳纤维含量是影响本摩阻材料摩擦磨损性能的重要因素。实验结果表明：当碳纤维含量较低时（15%～19%）摩擦系数与磨损率随碳纤维含量的增加而减少；而当碳纤维含量较高（19%～25%）时摩擦系数与磨损率都随着碳纤维含量的增加而增大。

3.2.2摩擦系数分析

碳纤维与基体的粘接力在很大程度上取决于其表面性质。未经

表面改性处理的碳纤维，由于其表面惰性，与粘接剂的相溶性差，致使摩阻材料的抗剪强度低，当对碳纤维进行表面改性处理后，会使其表面的沉积物减小，表面粗糙度增大，进而提高强度并增大摩擦系数，有利于提高锚固作用。为碳纤维表面经改性处理与未经改性处理的摩擦材料的摩擦系数和磨损率对比。

3.2.3磨损机理

在工作状态下，碳纤维复合摩阻材料制成的制动衬片与制动盘滑摩时，摩阻材料的磨损与比压和滑摩速度成正比。在工作过程中，其接触压和磨损是在内外侧交替进行的，最终会使摩擦衬片沿径向的磨损保持均匀。在制动时，第一阶段因滑动速度较高在摩阻材料表面的磨损机制主要是犁削磨损。随着制动过程的进行，第二阶段磨损除了犁削磨损外还有粘着磨损，磨屑中有显微切屑与片状剥落。由于碳纤维复合摩阻材料表面层强度高，耐疲劳性好，故能有效地抵御制动盘的磨料压入，而使犁削深度和表层材料的转移磨失体积减小。

4.结束语

在冲蚀角、水流绝对速度一定的条件下，切削磨损量与磨粒质量和形状等有关；二次冲蚀磨损量与磨粒破碎程度有关；磨痕形状与水流流态有关。基于以上对三种材料冲蚀时质量损失、磨痕萌生和扩展规律的分析，材料的硬度、韧性、断裂应变能越高，材料抵抗冲击流的剥蚀性能也越高。所以40cr和45钢材料的抗冲蚀性能强于灰铁ht200，且40cr的抗冲蚀性能好于45钢。[科]