CN104089841B - 抗冲磨仿真试验装置和试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抗冲磨仿真试验装置和试验方法。本发明的目的是提供一种抗冲磨仿真试验装置和试验方法，以提高模拟试验的真实性和可靠性，同时不受水流速度的影响，理论上可以实现任意合理存在的速度。本发明的技术方案是：抗冲磨仿真试验装置，其特征在于：它包括带进水口和出水口的试验台，以及置于该试验台上、采用被测试抗冲磨材料制成的测试试件，其中测试试件内部开设有水流通道，该水流通道两端分别与试验台的进水口和出水口连通；所述试验台的进水口处设有一进水管，该进水管另一端经管道连接无级调速泵的出水端，试验台的出水口连接有消能沉淀装置，该消能沉淀装置另一端经管道连接无级调速泵的进水端。本发明适用于水利水电技术领域。

Description

抗冲磨仿真试验装置和试验方法

技术领域

本发明涉及一种模拟表面高速水流冲刷磨损试验方法,特别是一种抗冲磨仿真试验装置和试验方法，主要适用于水利水电技术领域。

背景技术

混凝土过水建筑物，在高速水流冲刷作用下，可能会存在以下三种形式的破坏，分别是推移质破坏、悬移质破坏和汽蚀破坏作用；所谓推移质就是在水流作用下产生贴底式的移动，会在水底表面形成一定摩擦力，根据推移质的比重及表面平整性不同，产生不同的摩擦阻力，对表面产生破坏；所谓悬移质就是在水流作用下会在接近底部位置产生跳跃式的接触，累积大量的悬移质存在，对表面会产生严重的破坏；汽蚀破坏就是在水流局部流向发生突变，有凸起或凹陷处，在突变点的顺流方向会产生负压，负压值达到一定等级后，会使液体产生汽化现象，一个个负压气泡会在顺流而下过程中迅速破灭，每一个气泡破灭点所产生的局部水波冲击破坏力量，其单位能量不亚于子弹的直接冲击，会对水底表面产生严重破坏。最常见的破坏形式为悬移质及汽蚀破坏，产生的原因为含泥沙水流及过水建筑物表面不平整导致的破坏。

随着清洁能源需求的增长，作为清洁能源之一的水力发电也获得蓬勃发展，其排沙泄洪洞，导流洞，溢洪道等过水建筑物表面的冲磨破坏一直困扰工程建设者，始终没法有效解决，只有采取不断修补，不断更新表层材料的形式维持运行，为此数十年来国内外相关科研单位开展了名目众多的抗冲磨材料及抗冲磨试验设备的研究工作，以期寻找一种合适的材料及工艺来延缓或彻底杜绝破坏的发生。

表示抗冲磨性能的标准，国家没有发布过，目前只有行业标准，且多种标准同时存在的局面，分别是水下圆环法，水下钢球法及含水风砂枪法，由于方法不同，最终形成的磨损单位也不同，方法与方法之间没有可比性，对抗冲磨材料的生产研发单位来说，引用标准困难，也不利于国家在抗冲技术领域的提高。

水下圆环法是一种采用圆环形试件，在圆心位置采用齿轮带动水流，对圆环内表面不断冲刷的抗冲磨模拟装置，其缺点为模拟的表面只能是圆弧形，与实际情况大多数为直线型不符，此外齿轮高速转动时，水在离心作用下，会被甩出齿轮，特别是提高线速度至20m/s以上时，会形成空转现象，在测试过程中的一个现象可以反映出来，就是试件磨耗值在越高转速下，反而变小的现象，限制了高流速的模拟试验研究，目前采用补救的方法是对齿轮内空间进行加压处理，在经过大量的数据拟合，以不同压力下等同于多少流速来说明材料的抗冲磨等级，因此高流速下的抗冲磨性能指标说服力较差。

水下钢球法是一种采用高速搅拌轴的形式，带动水中的钢球，对置于底部的圆形试件进行冲磨试验，其缺点为破坏形式只能在圆形试件的外圈，由于在离心力的作用下，钢球会被甩到桶形装置的壁上，使钢球之间产生堆积、挤压及碰撞，因此破坏也只能在外圈产生，能在较低流速下模拟出材料的相对磨耗值，一般最高模拟流速不能大于10m/s，失去了模拟高速水流破坏的意义。

含水风砂枪法是一种采用转动圆环形试件，在圆心位置采用喷射加气加砂水流，对圆环内表面不断冲刷的抗冲磨装置，其缺点为只能靠喷嘴形成的点或线性接触表面，水流与圆环内表面存在一定夹角，在喷的同时，水会产生反弹，也不能反映汽蚀破坏。

现有的以上三种主流的抗冲磨试验方法，只能适用于对不同材料的抗冲磨比较判定上，而对于是否能真实反映实际冲磨破坏情况上都存在一定不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题提供一种抗冲磨仿真试验装置和试验方法，以提高模拟试验的真实性和可靠性，同时不受水流速度的影响，理论上可以实现任意合理存在的速度。

本发明所采用的技术方案是：抗冲磨仿真试验装置，其特征在于：它包括带进水口和出水口的试验台，以及置于该试验台上、采用被测试抗冲磨材料制成的测试试件，其中测试试件内部开设有水流通道，该水流通道两端分别与试验台的进水口和出水口连通；所述试验台的进水口处设有一进水管，该进水管另一端经管道连接无级调速泵的出水端，试验台的出水口连接有消能沉淀装置，该消能沉淀装置另一端经管道连接无级调速泵的进水端。

所述消能沉淀装置包括沿水流方向依次连通的消能管道、第一沉淀池和第二沉淀池，其中消能管道进水端与试验台的出水口相连，第二沉淀池的出水端与无级调速泵的进水端相连。

所述进水管上连有一与混砂水池相连的进水支管。

所述水流通道呈直线等径棒形、直线变径棒形、T形或L形。

所述水流通道表面制有用于模拟气蚀的凹凸部。

所述试验台包括实验台主体、可滑动安装于试验台主体上以适应不同尺寸测试试件的滑块，以及安装于滑块上用于实现其与试验台主体之间锁紧定位的螺栓；所述试验台的进水口直径小于出水口直径。

所述无级调速泵和进水管之间的连接管道上分别设置有压力表和管道流量计。

所述消能管道呈进水端直径小于出水端直径的喇叭状，其中进水端设置有挡流板。

抗冲磨仿真试验方法，其特征在于，包括：

S1、将采用被测试抗冲磨材料制成的测试试件置于试验台上，并保证试验台进水口、测试试件水流通道、试验台出水口所成通道的密封性；

S2、利用无级调速泵调整水流流速，使水流在设定时间内以某一固定流速对水流通道内壁进行冲磨；

S3、检查测试试件水流通道内表面是否发生破坏，若是，转至步骤S4；若否，则转至步骤S2提高水流流速；

S4、记下产生破坏时的压力、时间和流量，作为被测抗冲磨材料临界破坏点的参数。

所述仿真试验方法还包括：

S5、将另一个同期制作的相同测试试件置于试验台上，控制水流以临界破坏点的流速扣除设定安全系数后的流速运行一定时间后，若测试试件水流通道内表面仍完好，则将所述临界破坏点的流速扣除设定安全系数后的流速作为被测试抗冲磨材料的适应水流流速。

本发明的有益效果是：1、本发明采用被测抗冲磨材料制成测试试件，并且该测试试件内部水流通道可根据需要设计成不同的形状，同时利用大流量无级调速泵提供足够的可控压力流来模拟自然状态下的高速水流，能够更加真实的反映不同介质材料在高速水流作用下的临界冲磨破坏，根据设计水流要求，确定适宜安全运行流速。2、所模拟的水流速度可实现精确无级调速，解决因设备的局限性而使装置在高流速和低流速状态下，所模拟出来的效果会不同的问题。3、通过更换不同的测试试件，在同一套装置内能够收集出多样的数据，例如不同水流速度下的清水冲磨，气蚀冲磨、含砂冲磨以及各种拐弯形成的乱流冲磨等效果；也可以模拟同一水流速度下不同被测抗冲磨材料的临界破坏点。4、测试试件制作简单，只需浇铸成型，尺寸小，以半模或一体浇铸即可，且检查方便。5、模拟水流方向和水流通道表面一致，各种缺陷状况一目了然，易于量化和推广应用。6、装置构造简单，除了泵送设备(无级调速泵)需要提供稳定、持续的泵送能力外，其它部件，能够轻易的被制造出来。

附图说明

图1是本发明试验装置的结构示意图。

图2是本发明T形水流通道示意图。

图3是本发明直管形水流通道示意图。

图4是本发明用于模拟气蚀破坏的水流通道示意图。

图5是本发明变径水流通道示意图。

图6是本发明测试试件的截面图。

图7是本发明试验台的结构图。

具体实施方式

本发明采用大流量无级调速泵提供稳定的可控压力流来模拟自然状态下的高速水流，利用高速水流通过直线型小口径通道，可等效于有限元分解后高流速水流通过大型隧洞时产生的界面破坏效果的原理，由大功率可无级调速泵送设备抽水，靠设备产生的高压力使水流快速通过测试试件的小口径水流通道，来模拟自然泄洪时的压力流对表面的破坏，改变水流通道表面的平整性及同一试件的变直径处理，可以模拟出气蚀的产生过程，及一个试件模拟出不同流速；利用虹吸原理，可以通过进水支管添加砂子(例如：刚玉砂)来模拟挟砂水流试验。

如图1、图6所示，本实施例包括带进水口和出水口的试验台5，以及置于该试验台上、采用被测试抗冲磨材料制成的测试试件4，其中测试试件4内部开设有水流通道3，该水流通道两端分别与试验台5的进水口和出水口连通；所述试验台5的进水口处设有一进水管2，该进水管另一端经管道连接无级调速泵1的出水端，试验台5的出水口沿水流方向依次连有消能管道6、第一沉淀池7和第二沉淀池8，第二沉淀池8的出水端与无级调速泵1的进水端相连，形成一个循环。所述无级调速泵1和进水管2之间的连接管道上分别设置有压力表9和管道流量计10；所述试验台5的进水口和出水口均为孔状结构，且进水口直径小于出水口直径；所述消能管道6呈进水端直径小于出水端直径的喇叭状，材质可软可硬，其中进水端设置有一层或多层挡流板，对水能进一步消能。

所述进水管2上连有一与混砂水池相连的进水支管2-1，实际应用中可以利用虹吸原理将砂料添加进去，以模拟挟砂水流试验。

根据实际情况需要，可以将所述水流通道3设计成如图2所示的T形，也可以设计成图3所示的直线等径棒形，也可以设计成图5所示的直线变径棒形，也可以设计成L形等其他形状；如图4所示，还可以在水流通道3表面制造出被标准化的各种缺陷(凹凸部)，来模拟气蚀的发生和破坏。

如图7所示，所述试验台5包括实验台主体5-1、可滑动安装于试验台主体5-1上以适应不同尺寸测试试件4的滑块5-2(作为试验台的出水端)，以及安装于滑块5-2上用于实现其与试验台主体5-1之间锁紧定位的螺栓；实际应用中，可以通过调整滑块5-2的位置来适应不同尺寸的测试试件4。

本发明抗冲磨仿真试验方法，包括：

S1、将采用被测试抗冲磨材料制成的测试试件4置于试验台5上，并保证试验台5进水口、测试试件水流通道3、试验台5出水口所成通道的密封性。所述测试试件4采用模具浇筑成半模或整模，以棒形磨具精确定位出浇筑体的中心位置(即定位出水流通道的位置)；对于半模，脱模后可以拼接成测试试件水流通道3，置于试验台5上，半模合模缝及测试试件4两端挤压缝，采用薄层橡胶片垫衬密封，由螺栓挤紧测试试件4于试验台5上；对于整模，脱模后直接将测试试件4置于试验台5上，在两端与试验台5的接缝处，采用薄层橡胶片垫衬密封，由螺栓挤紧测试试件4于试验台5上。

S2、利用无级调速泵1调整水流流速，使水流在设定时间内以某一固定流速对水流通道3内壁进行冲磨。冲磨过程中，水流由试验台5的进水口进入测试试件4的水流通道3，对其内壁进行冲磨，水流从水流通道3射出后，进入消能管道6，消能降低流速后进入第一沉淀池7沉淀，上层清液由管道导入第二沉淀池8继续沉淀后，再次被大流量无级调速泵1虹吸管抽入管道，实现连续循环的抗冲磨试验测试。

S3、检查测试试件水流通道3内表面是否发生破坏，若是，转至步骤S4；若否，则转至步骤S2提高水流流速。

S4、记下产生破坏时的压力、时间和流量，作为被测抗冲磨材料临界破坏点的参数。

S5、将另一个同期制作的相同测试试件4置于试验台5上，以临界破坏点的各种参数，控制水流以临界破坏点的流速扣除设定安全系数后的流速运行一定时间后，若测试试件水流通道3内表面仍完好，则将所述临界破坏点的流速扣除设定安全系数后的流速作为被测试抗冲磨材料的适应水流流速。例如，被测抗冲磨材料临界破坏点的流速为30m/s，安全系数为30％，则按照30*(1-30％)＝21m/s的流速进行测试，在运行一段时间后，若测试试件水流通道3内表面仍完好，则可认定该被测抗冲磨材料适合应用于21m/s以下流速的过水建筑物表面抗冲磨保护。

Claims (10)

1.一种抗冲磨仿真试验装置，其特征在于：它包括带进水口和出水口的试验台(5)，以及置于该试验台上、采用被测试抗冲磨材料制成的测试试件(4)，其中测试试件(4)内部开设有水流通道(3)，该水流通道两端分别与试验台(5)的进水口和出水口连通；所述试验台(5)的进水口处设有一进水管(2)，该进水管另一端经管道连接无级调速泵(1)的出水端，试验台(5)的出水口连接有消能沉淀装置，该消能沉淀装置另一端经管道连接无级调速泵(1)的进水端。

2.根据权利要求1所述的抗冲磨仿真试验装置，其特征在于：所述消能沉淀装置包括沿水流方向依次连通的消能管道(6)、第一沉淀池(7)和第二沉淀池(8)，其中消能管道(6)进水端与试验台(5)的出水口相连，第二沉淀池的出水端与无级调速泵(1)的进水端相连。

3.根据权利要求1或2所述的抗冲磨仿真试验装置，其特征在于：所述进水管(2)上连有一与混砂水池相连的进水支管(2-1)。

4.根据权利要求1或2所述的抗冲磨仿真试验装置，其特征在于：所述水流通道(3)呈直线等径棒形、直线变径棒形、T形或L形。

5.根据权利要求1或2所述的抗冲磨仿真试验装置，其特征在于：所述水流通道(3)表面制有用于模拟气蚀的凹凸部。

6.根据权利要求1或2所述的抗冲磨仿真试验装置，其特征在于：所述试验台(5)包括实验台主体(5-1)、可滑动安装于试验台主体(5-1)上以适应不同尺寸测试试件(4)的滑块(5-2)，以及安装于滑块(5-2)上用于实现其与试验台主体(5-1)之间锁紧定位的螺栓；所述试验台(5)的进水口直径小于出水口直径。

7.根据权利要求1或2所述的抗冲磨仿真试验装置，其特征在于：所述无级调速泵(1)和进水管(2)之间的连接管道上分别设置有压力表(9)和管道流量计(10)。

8.根据权利要求2所述的抗冲磨仿真试验装置，其特征在于：所述消能管道(6)呈进水端直径小于出水端直径的喇叭状，其中进水端设置有挡流板。

9.一种采用权利要求2所述的抗冲磨仿真试验装置进行仿真试验的方法，其特征在于，包括：

S1、将采用被测试抗冲磨材料制成的测试试件(4)置于试验台(5)上，并保证试验台(5)进水口、测试试件水流通道(3)、试验台(5)出水口所成通道的密封性；

S2、利用无级调速泵(1)调整水流流速，使水流在设定时间内以某一固定流速对水流通道(3)内壁进行冲磨；

S3、检查测试试件水流通道(3)内表面是否发生破坏，若是，转至步骤S4；若否，则转至步骤S2提高水流流速；

S4、记下产生破坏时的压力、时间和流量，作为被测抗冲磨材料临界破坏点的参数。

10.根据权利要求9所述的抗冲磨仿真试验方法，其特征在于，还包括：

S5、将另一个同期制作的相同测试试件(4)置于试验台(5)上，控制水流以临界破坏点的流速扣除设定安全系数后的流速运行一定时间后，若测试试件水流通道(3)内表面仍完好，则将所述临界破坏点的流速扣除设定安全系数后的流速作为被测试抗冲磨材料的适应水流流速。