基于流體機械工況的沖蝕磨損特性研究

【摘要】磨損與沖蝕是機械零部件中最容易出現(xiàn)也是最常見的失效現(xiàn)象之一。圓盤式模式試驗臺上對于流體機械通常都是采用HT200、45與40Cr為主進行了模擬和分析，并且在應用的過程中研究了材料表面的失效現(xiàn)象以及微觀處理機理。通過各種試驗結果表明，在目前沖蝕現(xiàn)象主要可以分為飽和期、穩(wěn)定器和上升期三個階段。本文就對其各方面沖蝕磨損現(xiàn)象和特性進行了深入總結與研究，提出了相關預防控制措施和策略。

【關鍵詞】沖蝕；磨損；液體機械；磨損特征

流體機械內(nèi)部部件破損現(xiàn)象是造成機械運行隱患和應力分布較差現(xiàn)象的主要原因之一。就當前的沖蝕現(xiàn)象分析而言，在工作中沖蝕磨損是造成流體機械、水輪機和輸送含砂水流隱患與差異的主要途徑。伴隨著科學技術的發(fā)展，這種現(xiàn)象逐步引起了國內(nèi)外學者與工作人員的關注與研究。就目前的工作內(nèi)容分析而言，其中還存在著較多的不足與問題，在工作中尋求流體機械能抗磨損的長期解決和合理修復方法已成為研究工作重點。通常在工作中都是以流動分析計算繼續(xù)擰深入總結與研究，同時對流體機械葉片的沖蝕磨損現(xiàn)象和影響規(guī)律進行深入的總結和處理。

１．常見的沖蝕磨損現(xiàn)象

1.1氣蝕現(xiàn)象

汽蝕現(xiàn)象對于流體機械來說有著嚴重的影響，不僅能使流體機械的性能曲線下降，使泵的出水量減少，揚程降低，效率下降：同時還會有較大的振動和噪聲影響戰(zhàn)艦的作戰(zhàn)能力。因此國內(nèi)外一直把有關于通過改善流體機械葉輪機構來提高船舶推進泵各項性能，降低汽蝕效果作為開發(fā)和研究高性能流體機械的重要課題，在研究流體機械性能方法方面國內(nèi)外也存在著大量先進和豐碩的成果。

1.2恒流堵塞現(xiàn)象

恒流堵塞器是一種用于油田分層注水系統(tǒng)的新型井下分層流量控制裝置，它通過機械結構的流量負反饋或壓力前饋作用對流量進行自動調節(jié)，具有結構簡單、體積小、成本低、使用方便、可靠性高等諸多優(yōu)點，加上可直接應用于原分層注水管柱，因此具有很好的推廣價值。但油田注入水存在一定固體懸浮顆粒，且恒流堵塞器閥口處的流速很高，因此不可避免地要發(fā)生沖刷磨損現(xiàn)象，進而對其流量調節(jié)精度造成不利影響。

2.試驗分析

2.1試樣制備

在試驗的過程中，其形狀與尺寸可以結合一下方法進行，通常情況下對于試驗中需要采用的材料每一種都需要準備四塊或者三塊，以備不時之需。同時在實驗準備的過程中，通過對于粗糙面為1.6mm的機械零件進行加工和處理，并對其試樣的相應參數(shù)進行科學、精確的記錄。

2.2試驗方法

在自制的轉盤式磨損試驗裝置上進行沖蝕磨損試驗，循環(huán)水系統(tǒng)與地下水池聯(lián)通。該試驗在模擬葉輪的實際工況下，試驗圓盤由電機拖動旋轉，含沙水流從噴射箱蓋上均布的只內(nèi)徑為3mm的噴嘴直接射向試件，作用在試件上的水流相對速度與圓周速度的夾角即為水流相對沖角而提出了一種新的要求。同時在實驗的過程中通過選擇相應的噴嘴射流速度來與四周的速度進行不同形態(tài)的組合與控制，進而形成速度與沖角方向的全面結合與管理。就當前的工程施工現(xiàn)狀分析而言，通常情況下都是采用不同的角度進行研究。從這些情況中可以看出在沖蝕盤旋轉速度超過2694r/min的時候，旋轉盤室內(nèi)的速度壓力逐步增加，進而引起的了沖蝕磨損的上升。

2.3試驗分析

三種材料的質量損失都隨沖蝕磨損時間的增加而增大，但在相同的磨蝕時間內(nèi)三種材料的損失量不同。從試樣的表面形貌上觀察，灰鐵HT200材料沖蝕40個小時之后后，表面有2～3mm深的溝槽和1～3mm寬的凹坑，呈現(xiàn)嚴重的沖蝕坑，同時在這個過程中其主要的損失量達到了802.7mg，平均損失量達802.7mg，表層材料大多已剝落。而4鋼在沖蝕后，試樣表面形成弧形溝槽，表面凹凸不平，魚鱗坑前淺后深，與水流方向相同，平均損失量為607.87mg，磨損嚴重。但試樣在同樣沖蝕時間內(nèi)，表面形成弧形的磨痕與有方向性的小坑，平均損失量為45，磨損比較輕微。45與鋼的抗沖蝕性能顯著高于HT200。

3.主要的磨損特征分析與總結

3.1磨屑群體特征

磨損是導致部件失效的最常見的故障，磨屑是其直接產(chǎn)物。潤滑油（或液壓油）中的磨屑數(shù)目往往達到1012個/cm3，屬多粒子系統(tǒng)，對它們的狀態(tài)特征（如磨屑的形貌、顏色、粒度大小、比例等）的描述應當運用數(shù)理統(tǒng)計的數(shù)學工具，達到對定性鐵譜的量化（這是對現(xiàn)行鐵譜技術的提高和發(fā)展）。同時，機械部件的失效是一種漸進的過程，對其描述應運用模糊數(shù)學的工具，綜合磨屑群特征、油料狀態(tài)、振動噪聲、溫度諸因素進行模糊綜合診斷。本技術對工況現(xiàn)場的油樣分析達3000個以上，準確度接近90%。

3.2石棉阻磨材料

用傳統(tǒng)的石棉摩阻材料制成的汽車制動器襯片，不但污染環(huán)境有致癌作用，而且工作壽命低，其在250℃以上工作時有熱衰退現(xiàn)象。因此，近二十年來世界各國都對石棉摩阻材料的生產(chǎn)與使用加以限制，并致力于研究新一代摩阻材料來取代石棉摩阻材料。本研究工作在采用正交設計優(yōu)化了碳纖維復合摩阻材料的基礎上，針對流體機械制動器襯片的實際工況，研究了碳纖維復合摩阻材料的摩擦磨損特性及磨損機制。

3.2.1性能影響分析

碳纖維含量是影響本摩阻材料摩擦磨損性能的重要因素。實驗結果表明：當碳纖維含量較低時（15%～19%）摩擦系數(shù)與磨損率隨碳纖維含量的增加而減少；而當碳纖維含量較高（19%～25%）時摩擦系數(shù)與磨損率都隨著碳纖維含量的增加而增大。

3.2.2摩擦系數(shù)分析

碳纖維與基體的粘接力在很大程度上取決于其表面性質。未經(jīng)表面改性處理的碳纖維，由于其表面惰性，與粘接劑的相溶性差，致使摩阻材料的抗剪強度低，當對碳纖維進行表面改性處理后，會使其表面的沉積物減小，表面粗糙度增大，進而提高強度并增大摩擦系數(shù)，有利于提高錨固作用。為碳纖維表面經(jīng)改性處理與未經(jīng)改性處理的摩擦材料的摩擦系數(shù)和磨損率對比。

3.2.3磨損機理

在工作狀態(tài)下，碳纖維復合摩阻材料制成的制動襯片與制動盤滑摩時，摩阻材料的磨損與比壓和滑摩速度成正比。在工作過程中，其接觸壓和磨損是在內(nèi)外側交替進行的，最終會使摩擦襯片沿徑向的磨損保持均勻。在制動時，第一階段因滑動速度較高在摩阻材料表面的磨損機制主要是犁削磨損。隨著制動過程的進行，第二階段磨損除了犁削磨損外還有粘著磨損，磨屑中有顯微切屑與片狀剝落。由于碳纖維復合摩阻材料表面層強度高，耐疲勞性好，故能有效地抵御制動盤的磨料壓入，而使犁削深度和表層材料的轉移磨失體積減小。

4.結束語

在沖蝕角、水流絕對速度一定的條件下，切削磨損量與磨粒質量和形狀等有關；二次沖蝕磨損量與磨粒破碎程度有關；磨痕形狀與水流流態(tài)有關。基于以上對三種材料沖蝕時質量損失、磨痕萌生和擴展規(guī)律的分析，材料的硬度、韌性、斷裂應變能越高，材料抵抗沖擊流的剝蝕性能也越高。所以40Cr和45鋼材料的抗沖蝕性能強于灰鐵HT200，且40Cr的抗沖蝕性能好于45鋼。 [科]