CN102331380B - 旋转缩放型磨蚀-空蚀耦合试验方法及其设备 - Google Patents

Abstract

旋转缩放型磨蚀-空蚀耦合试验方法及其设备：被测试件内缘制成突起形，摆放在密封磨蚀-空蚀腔内，与磨蚀-空蚀腔内旋转叶轮配合形成缩放型水流通道；灌装含沙水流；开动旋转驱动电机和循环水泵，含沙水流从空心叶片中喷出并高速旋转流动；对混凝土试件表面形成冲磨破坏和空蚀破坏；试验后取出试件称重并量测磨蚀深度；排出含沙水流。磨蚀-空蚀耦合试验设备设有磨蚀-空蚀腔，腔内设有空心结构的旋转喷水沙叶轮，被测试件内缘的突起与旋转叶轮配合，在磨蚀-空蚀腔内形成缩放型水流通道。本发明可测试混凝土在高速含沙水流磨蚀-空蚀耦合作用下的抗冲磨防空蚀能力，最大流速可达40m/s～60m/s，占地面积小，冲磨效率高。节能环保。

Description

旋转缩放型磨蚀-空蚀耦合试验方法及其设备

技术领域

本发明涉及一种试验方法和仪器，更详细的说是一种用于测试混凝土抗高速含沙水流的旋转缩放型磨蚀-空蚀耦合试验方法，以及这种方法所述使用的设备。

背景技术

在高速含沙水流作用下，水工混凝土常同时遭受磨蚀和空蚀（又称为气蚀）破坏，受损严重。磨蚀是指水工材料在含冲磨介质的高速水流作用下，由于冲磨介质与材料发生摩擦磨损导致的材料破坏；空蚀是指在水流在遇到压强突然降低时，发生汽化，此过程称之为空化，空化在水中形成的空泡称之为“空穴”，空泡在溃灭时产生很大的瞬时压强，当这种溃灭发生在固体表面时，水流中不断溃灭的空泡会形成高压强反复作用，破坏固体表面，这个过程称之为空蚀。

了解水工材料的的抗冲耐磨特性，尤其是材料在目前实际工程的高速含沙水流条件下的抗冲耐磨特性，对于开发新型材料和预测不同磨蚀条件下水工材料的使用寿命具有重要意义。

高速含沙水流的磨蚀作用相对比较容易模拟，现有技术已经可以做到40m/s～60m/s的高速含沙水流冲磨，如葛洲坝试验检测仪器有限公司开发的“离心式混凝土抗冲磨试验机”（专利公开号：CN201689027U），含沙水流流速最大可达60m/s，其基本原理属于高速含沙水流喷射一类，其较高的流速通过叶片旋转获得。再如中国水利水电科学研究院开发的高速水流冲刷仪可以实现20m/s、30m/s、40m/s可调流速下的高速水沙冲磨（田军涛，姜福田，高速水流冲刷仪的研制和混凝土冲磨机理的探讨，中国水利水电科学研究院学报，2006）。

高速水流的空蚀试验也有很多设备可以做：1）文丘里管型空蚀设备。其原理是当水流流经文丘里型管道时，喉部流速大到一定程度后，该处所产生的低压可使流经该处的水流空化，形成固定性空穴，在固定性空穴内表面附着的游移型空泡将在其尾部溃灭，如固定性空穴尾部放置材料试件，则试件表面由于游移型空泡溃灭而发生空蚀破坏。2）振动式空蚀设备。这类设备是用电磁或超声波使容器内静止的水产生振荡型空化致使水中的试件表面产生空蚀，又称“无主流空化”。有磁致伸缩振动空蚀设备和超声波振动空蚀设备两种。3）旋转圆盘空蚀设备。这种设备简称转盘装置，是丹麦Rasmussen于1956年开始采用的，这种设备的原理是在转盘上距轴心不同距离处开有贯穿转盘厚度的小孔或嵌在转盘上的突体，当转盘在置于外套中试验水体内高速旋转时，在小孔或突体后部将产生尾流空化，其中游移型空泡将在尾流末端沿着转盘溃灭，嵌入盘面空泡溃灭处的试件表面将产生空蚀破坏，这样就可以测定各种试件材料或涂料的相对抗空蚀性能。一般圆盘的最大圆周速度均大于40m/s，这种设备的特点是所产生的空化状态为具有强大破坏力的涡旋型空化，类似于在水轮机、水泵或闸门槽中遇到的流态，它的空蚀能力高于文德里管形空蚀设备，其缺点是设备中的水流流态要比文德里管形空蚀设备或磁致伸缩仪复杂。4）冲击式空蚀设备。这种试件的剥蚀破坏是由于水体冲击试件所产生。这类设备可以比较当材料表面受到水体冲击时其抗空蚀程度。包括高速射流冲击试验设备和水滴冲击试验设备。5）往复式活塞型空蚀设备。这种设备属于静压式试验设备，设备的气缸内灌满水，并且密封，因此当活塞有容器顶部凸轮带动时，活塞可向下移动；凸轮则可使活塞轴突然释放，从而大气压力可驱使活塞突然向上运动，这样就会造成水体内的空泡成长，成长起来的空泡在下一次活塞向下移动过程中发生溃灭，使气缸壁材料产生空蚀破坏。

上述5种设备中，振动式空蚀设备、冲击式空蚀设备、往复式活塞型空蚀设备由于不方便加沙、散热不易控制、沙在水中的流速不易控制的原因，不易改装成磨蚀-空蚀耦合设备。

目前能对水工材料进行磨蚀-空蚀耦合作用性能试验的设备主要有四类：磁致伸缩仪、转盘气蚀仪、水洞、含沙水流喷射法。其中，磁致伸缩仪用于水工混凝土磨蚀方面的试验资料比较少见。

转盘气蚀仪是在旋转圆盘式空蚀设备的基础上做改进，将水换成水沙混合物，实现磨蚀-空蚀耦合作用。这种设备的特点是所产生的空化状态为具有强大破坏力的涡旋型空化，常用来模拟水轮机等结构中的空蚀现象。其缺点是圆盘上不适合嵌入体积较大的混凝土试件，因此不适合于检测水工混凝土这种最主要的水工材料的抗冲磨性能。

水洞是指将水流通道中的一段作为试验段，水流方向与磨蚀面互相平行，通过改变断面尺寸，形成喉口，制造空化、空蚀条件，而且可通过设置通气孔形成掺气水流，其实质是在文丘里管型空蚀仪的基础上将高速水流改为高速含沙水流，其水流条件与泄水建筑物中的水流条件比较接近。但是，一方面由于管路体型较大，需要大功率的水泵来保持较高的水流速度，能耗较大，另一方面由于高速含沙水流的磨蚀能力很强，若流速过大，管路及变截面部分管壁的磨蚀比较严重，这就限制了设备允许的最大流速。王世夏等人所做实验中，流速达到了30m/s（王世夏，含沙高速水流掺气抗磨特性，泄水工程与高速水流，1994年第2期），与我国实际工程中存在的40m/s以上高流速相比，仍有一定差距。

邓军发明的发明专利“高速含沙水流水利工程材料抗冲耐磨实验装置” （ ZL 200620035068.4）是在高速水流管路的末端逐渐减小管路断面尺寸，形成高速水流喷口，在喷口外加沙，喷射水沙与试件表面基本平行。目的是综合评价磨蚀、空蚀及掺气对泄水建筑物的破坏作用，且可以保证较高流速下，管路及喷嘴不会产生较大磨损。但该专利发明人的另外一篇论文指出，采用这种装置进行试验，从磨损面的特征来看，没有气蚀现象发生；且其数据显示，强度等级为C50～C55的混凝土12h最大磨损量为33g，相当于每m²混凝土磨损1kg需要约7h（邓军、许唯临、刁明军等，50m/s流速量级含沙水流磨蚀实验，2005水力学与水利信息学进展，第二届全国水利学与水利信息学学术大会，2005年10月15日，成都，中国水力发电工程学会），这说明其磨损效率仍较低，这可能是由于其水流方向与试件表面基本平行。

同时，现有能同时测试混凝土抵抗磨蚀-空蚀耦合作用性能的试验方法和仪器存在装置体型庞大、耗电量大等缺陷。以水洞型装置为例，其占地面积至少需要40m²，每个试件的耗电量至少800 kWh。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种旋转缩放型磨蚀-空蚀耦合试验方法，以及这种方法所述使用的设备。这种方法和设备能同时进行磨蚀、空蚀试验，该方法与设备的实验结果与实际工况更加吻合，所能考察的最大水流流速可以达到240m/s～60m/s。同时，与现有设备相比，本发明具有试验效率高、设备体型较小、能耗小的特点。

本发明提供的技术方案是：一种旋转缩放型磨蚀-空蚀耦合试验方法，其特征在于，步骤如下：

⑴.将被测试件（简称试件）的俯视图制成以下形状：内、外缘为同心弧线的梯形，其中内缘（内侧）弧线上增加有向圆心方向的突起，该突起为左右不对称设置（突起的左右两侧的边长和角度均不相同）；为了叙述方便，该被测试件的形状定义为“突起形”；

重复地说：所述的“内、外缘为同心弧线的梯形”是指：每个被测试件为同一圆环的一部分，所有被测试件可以组成一个圆环，但其内缘设有突起。

⑵.将步骤⑴制成的被测试件摆放在密封的磨蚀-空蚀腔内；被测试件内缘与磨蚀-空蚀腔内的旋转叶轮配合形成缩放型水流通道（即，按照水流的方向，该通道的截面积呈现变大、变小再变大的不断变化之中）；

⑶.在磨蚀-空蚀腔内灌装含沙水流（也称为“水沙流”）；

⑷.开动旋转驱动电机和循环水泵，磨蚀-空蚀腔内的含沙水流（水沙流）在循环水泵的驱动下进入空心轴中，再从空心叶片中喷出；并在旋转叶轮的驱动下沿着叶轮与试件形成的缩放型水流通道高速旋转流动；含沙水流在缩放型通道中高速运动时，对混凝土试件表面形成冲磨破坏，同时由于通道断面尺寸不断变化，压力也不断变化，水流会不断地空化、溃灭，对混凝土试件表面形成空蚀破坏；

⑸.试验结束后，关闭旋转驱动电机和水泵，打开磨蚀-空蚀腔上盖，取出试件称重并量测磨蚀深度；

⑹. 打开出水口，含沙水流会顺管道排出。

以上方法的优化方案中可以增加以下步骤：

⑷-1.在步骤⑷中增加步骤⑷-1：对所述的旋转驱动电机进行冷却；本发明推荐采用旋转驱动电机外部的水箱进行水冷却。

⑷-2.在步骤⑷中增加步骤⑷-2：在循环水管外设置冷却水槽，对循环水管中循环流动的含沙水流进行冷却；

所述的步骤⑷、步骤 ⑷-1、步骤 ⑷-2是同时进行的。

在步骤⑹之后增加步骤⑺：

⑺. 待含沙水流排干净后，再用自来水将整个管路冲洗干净。

完成本申请第二个发明任务的方案是：以上旋转缩放型磨蚀-空蚀耦合试验方法所使用的装置：一种旋转缩放型磨蚀-空蚀耦合试验设备，设有磨蚀-空蚀腔，该磨蚀-空蚀腔内装有含沙水，其特征在于，所述的磨蚀-空蚀腔内设有由旋转驱动电机带动的旋转喷水沙叶轮，该旋转喷水沙叶轮为空心结构，并在叶轮的外缘设有喷口：由循环水管、循环水泵组成的含沙水循环系统与旋转喷水沙叶轮的空心轴及叶轮外缘的喷口连通；同时，被测试件内缘的突起与旋转叶轮配合，在所述的磨蚀-空蚀腔内形成缩放型水流通道。

更具体和更优化地说，以上方法与设备的具体方案及工作原理是：被测试件内边缘为突起形，突起左右两侧的边长和角度不相同，被测试件内侧与旋转叶轮配合形成缩放型水流通道，为空化、空蚀提供了条件；该设备由旋转驱动电机、电机冷却水箱、磨蚀-空蚀腔、旋转喷水沙叶轮、突起型试件、螺旋循环水管、冷却水槽、水泵以及支撑架组成；旋转叶轮由多个叶片和挡水板组成，叶片为空心结构；磨蚀-空蚀腔内装有含沙水，含沙水可以经由循环水管、水泵和旋转喷水叶轮循环使用，循环过程中可以控制旋转喷水叶轮的进水速率和循环水管的出水速率使磨蚀-空蚀腔内保持一定水位；磨蚀-空蚀腔的上盖是一个整体，通过固定螺栓和密封橡胶圈使腔内形成密封空间；循环水管置于冷却水槽中，可降低由水流冲刷产生的热量；旋转驱动电机为水下电机，置于冷却水箱中，防止电机因高速运行时间长而发烫。

试验时，先将磨蚀-空蚀腔的上盖提起，将突起型试件按顺序呈圆圈状摆放在磨蚀-空蚀腔内，盖好上盖，旋紧固定螺栓，使上盖与底板处密封；从上盖预留的加料孔中向磨蚀-空蚀腔内注入一定量的水和沙，关闭加料孔；开动旋转驱动电机和水泵，水沙流会在水泵的驱动下进入空心轴中，并从空心叶片中喷出；由于水沙流进入磨蚀-空蚀腔的速度和水沙流从磨蚀-空蚀腔底孔流入循环管路中的速度基本相同，磨蚀-空蚀腔内水位基本保持恒定，水沙流在高速旋转的叶轮带动下，沿着叶轮与试件形成的缩放型水流通道高速流动，由于叶轮与试件之间的间距较小，水流速度近似等于叶轮最外缘的线速度。含沙水流在缩放型通道中高速运动时，对混凝土试件表面形成冲磨破坏，同时由于通道断面尺寸不断变化，压力也不断变化，水流会不断地空化、溃灭，对混凝土试件表面形成空蚀破坏。试验结束后，关闭电机和水泵，打开磨蚀-空蚀腔上盖，取出试件称重并量测磨蚀深度；打开出水口，含沙水流会顺管道排出，待排干净后，再用自来水将整个管路冲洗干净。

为了更好地实现发明的目的，本发明还采用了以下优化技术措施：

1、为了延长设备实用寿命，避免旋转叶轮受到严重的磨蚀、空蚀破坏，并且降低噪音，所设计叶轮表面覆盖一层耐磨材料，喷水沙叶片表面也覆盖一层耐磨材料，该耐磨材料可拆装，易更换。

2、为了提高叶轮转速，减少水流阻力，在旋转叶轮上装有圆形挡水板，挡水板与叶轮转轴之间是空腔，只有挡水板外侧的叶片外露部分受到水流阻力。这样旋转叶轮可以高速旋转，叶轮外缘最大转速可达60m/s。

本发明与已有技术相比，具有以下优点：

1、设备结构合理，体型较小。本发明所述设备占地面积不到4m²，节省空间。

2、使用效率高。本发明所述设备配备了合理的冷却系统，使整机发热量小，可以连续运转并且可同时冲磨多个试件，大大提高了设备使用效率。

3、磨蚀效率高。采用本发明所述设备进行磨蚀-空蚀耦合试验，对于C50级混凝土，每m²混凝土磨损1kg只需要约0.3h。

4、节能环保。本发明所述设备平均每个试件的耗电量不超过100 kWh，且采用循环水路冷却系统，可以大大节约用水。

附图说明

图1是本发明的突起形试件与旋转喷水沙叶轮的平面布置图（A-A断面）；

图2是突起形试件5的放大图；

图3是整机结构示意图；

图4是喷水沙叶轮与挡水板的三视图（只画一个叶片）；

图5是空心叶片示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出实施例并对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据上述本发明的内容做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例给出的被测试件5内边缘为突起形，突起左右两侧的边长不相同，夹角如附图2所示，被测试件5内侧与旋转喷水砂叶轮4配合形成缩放型水流通道。

本实施例给出的旋转缩放型磨蚀-空蚀耦合试验设备是由旋转驱动电机1、冷却水箱2、磨蚀-空蚀腔上盖3、旋转喷水沙叶轮4、冷却水槽6、螺旋循环水管7、水泵8以及固定螺栓10和密封橡胶圈11组成。

旋转喷水沙叶轮4上部与旋转驱动电机1相连，下部与水泵8相连；磨蚀-空蚀腔下部与循环水管7相连，循环水管外围是冷却水槽6；旋转驱动电机1外围有散热用冷却水箱2。

旋转喷水沙叶轮4由9个叶片4-1和挡水板12组成，叶片4-1为空心结构，叶片外有可拆装橡胶耐磨套14。

挡水板12（也称为挡水环）呈环状，与中间的空心轴13一起形成一个空腔结构，使水沙与空心叶片4-1的接触仅限于挡水板12与试件5之间的部分，这样可以减少叶轮旋转过程中由水沙带来的阻力，便于实现更高的旋转速度。

叶片的空心结构也见图5。

磨蚀-空蚀腔内装有含沙水，含沙水可以经由循环水管7、水泵8和旋转喷水沙叶轮4循环使用，循环过程中可以控制旋转喷水叶轮4的进水速率和循环水管7的出水速率使磨蚀-空蚀腔内保持一定水位。

磨蚀-空蚀腔的上盖3通过固定螺栓10和密封橡胶圈11使腔内形成密封空间。

本发明的工作步骤如下：

先将磨蚀-空蚀腔的上盖3提起，将突起型试件5按顺序呈圆圈状摆放在磨蚀-空蚀腔内，盖好上盖，旋紧固定螺栓10，使上盖与底板处密封；从上盖预留的加料孔中向磨蚀-空蚀腔内注入一定量的水和沙，关闭加料孔；开动旋转驱动电机1和水泵8，开始试验。试验结束后，关闭电机1和水泵8，打开磨蚀-空蚀腔上盖3，取出试件5称重并量测磨蚀深度；打开出水口9，含沙水流会顺管道排出，待排干净后，再用自来水将整个管路冲洗干净。

采用本实施例所述设备进行磨蚀－空蚀耦合试验的试验结果与单一磨蚀或者单一空蚀试验结果对比见表1。

表1 磨蚀－空蚀耦合作用与单一磨蚀或单一空蚀作用的对比

Claims (9)

1. 一种旋转缩放型磨蚀-空蚀耦合试验方法，其特征在于，步骤如下：

⑴.将被测试件的俯视图制成以下形状：内、外缘为同心弧线的梯形，其中内缘弧线上增加有向圆心方向的突起，该突起为左右不对称设置；

⑵.将步骤⑴制成的被测试件摆放在密封的磨蚀-空蚀腔内；被测试件内缘与磨蚀-空蚀腔内的旋转喷水沙叶轮配合形成缩放型水流通道；

⑶.在磨蚀-空蚀腔内灌装含沙水流；

⑷.开动旋转驱动电机和循环水泵，磨蚀-空蚀腔内的含沙水流在循环水泵的驱动下进入旋转喷水沙叶轮的空心轴中，再从空心叶片中喷出；并在旋转喷水沙叶轮的驱动下沿着旋转喷水沙叶轮与被测试件形成的缩放型水流通道高速旋转流动；含沙水流在缩放型水流通道中高速运动时，对混凝土的被测试件表面形成磨蚀破坏，同时由于缩放型水流通道断面尺寸不断变化，压力也不断变化，水流会不断地空化、溃灭，对混凝土的被测试件表面形成空蚀破坏；

⑸.试验结束后，关闭旋转驱动电机和循环水泵，打开磨蚀-空蚀腔上盖，取出被测试件称重并量测磨蚀深度；

⑹. 打开出水口，含沙水流会顺管道排出。

2. 根据权利要求1所述的旋转缩放型磨蚀-空蚀耦合试验方法，其特征在于，在步骤⑷中增加有步骤⑷-1：对所述的旋转驱动电机进行冷却；所述的步骤⑷与步骤 ⑷-1同时进行。

3. 根据权利要求1所述的旋转缩放型磨蚀-空蚀耦合试验方法，其特征在于，在步骤⑷中增加有步骤⑷-2：在循环水管外设置冷却水槽，对循环水管中循环流动的含沙水流进行冷却；所述的步骤⑷与步骤⑷-2同时进行。

4. 根据权利要求1~3之一所述的旋转缩放型磨蚀-空蚀耦合试验方法，其特征在于，在步骤⑹之后增加步骤⑺：待含沙水流排干净后，再用自来水将整个管道冲洗干净。

5. 权利要求1所述的旋转缩放型磨蚀-空蚀耦合试验方法所使用的一种旋转缩放型磨蚀-空蚀耦合试验设备，设有磨蚀-空蚀腔，该磨蚀-空蚀腔内装有含沙水流，其特征在于，所述的磨蚀-空蚀腔内设有由旋转驱动电机带动的旋转喷水沙叶轮，该旋转喷水沙叶轮为空心结构，并在旋转喷水沙叶轮的外缘设有喷口：由循环水管、循环水泵组成的含沙水流循环系统与旋转喷水沙叶轮的空心轴及旋转喷水沙叶轮外缘的喷口连通；同时，被测试件内缘的突起与旋转喷水沙叶轮配合，在所述的磨蚀-空蚀腔内形成缩放型水流通道；

所述的旋转喷水沙叶轮上装有圆形挡水板，挡水板与旋转喷水沙叶轮的空心轴之间是空腔，只有挡水板外侧的叶片外露部分受到水流阻力；

使用时，需要将被测试件的俯视图制成以下形状：内、外缘为同心弧线的梯形，其中内缘弧线上增加有向圆心方向的突起，该突起为左右不对称设置。

6. 根据权利要求5所述的旋转缩放型磨蚀-空蚀耦合试验设备，其特征在于，所述的旋转驱动电机采用水下电机，并置于冷却水箱中。

7. 根据权利要求5所述的旋转缩放型磨蚀-空蚀耦合试验设备，其特征在于，所述的循环水管采用螺旋形循环水管，并置于冷却水槽中。

8. 根据权利要求5所述的旋转缩放型磨蚀-空蚀耦合试验设备，其特征在于，所述的旋转喷水沙叶轮表面覆盖一层耐磨材料，空心叶片表面也覆盖一层耐磨材料。

9. 根据权利要求5~8之一所述的旋转缩放型磨蚀-空蚀耦合试验设备，其特征在于，所述的磨蚀-空蚀腔设有上盖，该上盖是一个整体，通过固定螺栓和密封橡胶圈使磨蚀-空蚀腔内形成密封空间。

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