沖蝕實驗平臺的研究進展

王彥淞 朱聰聰

（徐州工程學院機電工程學院 江蘇徐州 221018）

材料受高速粒子流以一定的角度撞擊而產生的損傷現象被稱為沖蝕磨損[1-2]。沖蝕磨損隨著粒子和載體種類的不同發生在各種場合，容易引起嚴重的材料破壞，導致巨大的經濟損失[3-4]。當載體為氣體時，根據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，此兩類沖蝕損傷常見于渦輪葉片、火力發電站煤鍋爐和高速飛行器、導彈、蒸汽機等場合，氣固型噴砂沖蝕常應用于噴砂除銹等場合；當載體為液體時，根據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，此兩類沖蝕損傷常見于建筑設備、礦山設備、石油鉆探使用的水輪機葉片、輸送物料彎管和螺旋槳、水泵機葉輪、輸送液體管線閥門等場合，泥漿型沖蝕常用于磨料水射流加工。沖蝕種類較多，但氣固型噴砂沖蝕發生的場合較多，所以本文主要綜述氣固型沖蝕試驗機的研究進展，旨在為后續研究提供一定的借鑒。

一、沖蝕試驗設備的研究進展

氣固型沖蝕試驗機主要有噴射式、懸臂式和真空自由落體式沖蝕試驗機等種類。

（一）噴射式沖蝕試驗機

噴射式沖蝕試驗機主要依賴高速氣流產生的負壓使粒子高速運動撞擊到材料表面，造成材料損傷，此種情形為實際工況中常見的設備損傷情形。該類沖蝕試驗機主要通過控制沖蝕角度、沖蝕距離和沖砂量來研究各參數對材料沖蝕損傷的影響。該設備原理、結構簡單，且容易控制工藝參數，粒子運動速度可完全由氣體壓強控制。但粒子速度未知，且粒子速度對材料沖蝕損傷較大，所以需要專用設備（如高速攝像機）和處理技術對粒子的運動狀態進行檢測和分析。由于粒子運動速度較大快，所以對該類沖蝕設備的安全性能要求較高，在設計、制作該設備時，需考慮到設備結構和材料強度是否達到安全要求。如圖1 所示，馬松林[5]等人設計了一套噴射式沖蝕實驗設備，通過噴嘴（拉瓦爾管）的結構設計使得粒子加速至300m/s 以上，改進了絲杠的螺旋傳動使得供砂量精確連續可控。通過高速攝像機獲得了沖蝕過程中粒子的運動軌跡，便于分析粒子速度進而改進噴嘴結構，最終達到試驗要求。并對粒子速度和供砂量進行標定，結果表明粒子速度和供砂量符合實驗要求。

圖1 沖蝕系統實物圖

圖2 彈射裝置及角形顆粒

上述設備適用于研究大量粒子的沖蝕磨損實驗，但若需研究單個粒子運動狀態及沖蝕機理，如用高速攝像機進行拍攝，大量粒子運動必會造成干擾。所以需要一種專門用于研究單粒子沖蝕的設備。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驗設備，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材料沖蝕損傷的影響，較全面揭示了單個角形粒子的沖蝕機理。該設備可實現粒子速度的自由控制，且可通過高速攝像機拍攝粒子的動態沖蝕過程。

綜上可知，噴射式沖蝕試驗設備結構簡單，且容易控制試驗參數，對多粒子和單個粒子沖蝕實驗，已有專門的設備被制作并應用于試驗研究。且該類設備有較大的改進空間，如加入溫度控制和監測模塊，可研究環境溫度對材料抗沖蝕性能的影響；加入磨料過濾、回收模塊，可對磨料進行循環利用；加入電控模塊，可實現對沖蝕參數的自動化控制和檢測等。

（二）懸臂式沖蝕試驗機

懸臂式沖蝕試驗機主要通過懸臂旋轉帶動粒子運動達到加速目的，即粒子運動速度由懸臂長度和角速度控制。試樣隨轉盤轉動，可同時對多個試樣進行試驗，通過控制轉盤轉速控制試樣的沖蝕時間。若對該裝置進行真空處理，則可消除重力加速度的影響，對粒子的濃度控制更加方便。該裝置適合旋轉類機械的沖蝕磨損研究，如葉片、葉輪等。較方便控制沖蝕角度、沖蝕距離和沖蝕速度。但由于懸臂長度的限制，若要粒子達到較高速度，則需對懸臂角速度有較高要求，因此對于該類設備的強度和安全性能應特別注意。

（三）真空自由落體式沖蝕試驗機

由上述對三種沖蝕實驗設備的綜述可知，噴射式沖蝕試驗機的原理、結構簡單，且容易控制較多的沖蝕參數，改進空間較大。懸臂式和真空自由落體式結構簡單，容易測得粒子速度，但不如噴射式靈活，所以人們大都采用噴射式試驗裝置。但由于存在系統誤差，通過計算得到的粒子速度仍需要專業設備進行測量，所以噴射式沖蝕試驗機常常搭配高速攝像機使用。

二、結束語

本文分別綜述了噴射式沖蝕試驗機、懸臂式沖蝕試驗機和真空自由落體式沖蝕試驗機的原理、結構和優缺點，噴射式沖蝕試驗機可以較容易控制沖蝕角度、沖蝕距離和沖砂量等試驗參數，但需要其他設備進行粒子速度的監測；懸臂式沖蝕試驗機和真空自由落體式沖蝕試驗機容易控制粒子速度，但若使粒子高速運動，對設備的結構要求較高。由此可知，噴射式沖蝕試驗機的應用范圍較廣。

除了針對研究上述實驗參數而研發的沖蝕試驗機外，對于研究溫度、酸堿度等因素對材料抗沖蝕性能的影響的沖蝕試驗機的報道較少。因此可對常見的沖蝕試驗機進行改進，如加入溫控模塊和溫度檢測模塊，可研究發動機葉片在高溫環境下的沖蝕磨損，進一步接近實際工況；加入進水口，可研究三相流環境下的沖蝕情況；研究腐蝕-沖蝕綜合作用下材料的損傷。