CN108303334B - 一种用于测试材料抗磨损性能的装置和测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于测试材料抗磨损性能的装置和方法，该装置包括盖板、试件垂直支架、试件水平支架、水箱、喷头、压力表、流量计循环泵和管路，试件通过试件垂直支架和试件水平支架安装于水箱内，并位于试验喷头的喷射位置，喷射一定时间后，通过借助恒温箱、电子天平、高速摄像机和Origin软件等对待测试件进行后处理，可以实现对一种或者多种材料的抗磨性能的测试和对比。本发明还可调节试件与喷嘴的距离、角度，使试验可模拟的工况更多，试验结果更加准确。

Description

一种用于测试材料抗磨损性能的装置和测试方法

技术领域

本发明涉及材料抗磨损性能领域，特别涉及一种用于材料抗磨损性能的测试装置和测试方法。

背景技术

我国大多数河流都含有大量的沙石，这会导致水机在实际过程工作中过流部件的损坏，从而大大降低水机的效率和使用寿命。目前，水机过流部件表面进行防磨损材料处理，然后进行试验，这种方法工艺要求较高，试验价格高、周期较长，不利于实际生产的应用。目前，常用摩擦磨损试验机等试验机测试材料抗磨损性能，但这类磨损试验机的测试机理与水力机械中含沙介质的磨损机理不同：摩擦磨损试验机主要机理是通过不断对材料表面进行摩擦，从而对比不同材料的磨损性能；而水力机械中含沙介质的磨损，涉及多相流领域，磨损比较复杂。因此，有必要研究用于测试不同含沙浓度、粒径对材料磨损的试验装置。

经检索，公开号为CN 1687741A，名称为自循环式喷头耐磨损试验装置，公开了一种自循环式喷头耐磨损试验装置，特点是具有自循环、自均匀和定量含沙量，但其无法测量材料的磨损性能，仅可测试喷头的耐磨性能，且通过喷头的准确流量无法测得。

公开号为CN 204556421U，名称为射流冲蚀磨损试验机，公开了一种磨蚀试验机，特点是模拟水轮机过流部件材料的应用环境，研究含沙水对材料表面磨蚀行为及过程，同时可以对材料抗磨蚀性能进行分析研究，但其在试验时，面临一些问题，例如喷头的通过流量以及压力无法测得，试验过程中对水不能实现循环利用，从而导致很大的浪费。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种用于测试材料抗磨损性能的装置和方法，通过制作测试材料试件，并将其置于试验喷头的喷射位置，试验过程中可以根据试验需要调节试件与喷头的喷射角度和距离。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种用于测试材料抗磨损性能的装置，包括盖板、试件垂直支架、试件水平支架、水箱、喷头、压力表、流量计循环泵、管路和整体支架；

所述水箱通过整体支架支撑，水箱内装有含沙水，水箱的顶端开口，所述盖板为圆板，盖板可拆卸的安装于水箱的开口处，并能够密封水箱；所述盖板的上表面上设有角度刻度值，角度范围为0°～180°，盖板上设有第一螺纹孔，所述试件垂直支架和试件水平支架均为圆柱螺栓，所述试件垂直支架与第一螺纹孔通过螺纹连接，试件垂直支架的底端穿过所述盖板并伸入水箱内，通过旋转试件垂直支架调整试件垂直支架伸入水箱内的长度；

所述试件垂直支架的底端设有第二螺纹孔，所述试件水平支架与第二螺纹孔螺纹连接，试件水平支架的一端同轴连接有第一柱状圆环，所述第一柱状圆环位于水箱的垂直中线上，所述第一柱状圆环的侧面开有一对第三螺纹孔，一对所述第三螺纹孔关于试件水平支架的轴线对称；

所述管路包括第一取水管路、第二取水管路、自搅拌管路和喷头管路，所述循环泵的进口通过第一取水管路和第二取水管路分别与水箱的底端连通，所述循环泵的出口与水箱的底端通过自搅拌管路连通，循环泵的出口与水箱的侧壁通过喷头管路连通，所述喷头安装于喷头管路的末端，喷头的喷嘴伸入水箱内，初始状态下，所述喷头与第一柱状圆环的轴线在同一条直线上，所述喷头管路上设有压力表。

优选地，所述水箱的上部分为圆柱体，下部分为半球形，所述水箱的底端开设有第一通孔和第二通孔，所述第一通孔和第二通孔存在高度差，所述第一通孔位于水箱的最底端中心，所述第一取水管路的一端与循环泵的进口的连通，第一取水管路的另一端与第一通孔连通，第二取水管路的一端与循环泵的进口的连通，第二取水管路的另一端穿过第二通孔伸入水箱内，并与半圆形弯管的一端连通，所述半圆形弯管的另一端朝向水箱的底面。

优选地，所述盖板的底面上设有与盖板同轴的第二柱状圆环，所述第二柱状圆环的外径略小于水箱的上部分圆柱内径。

优选地，所有管路的直径均相同，所述水箱的壁厚为管路直径的1/3，所有管路上均设有启闭阀门。

优选地，所述第一通孔和第二通孔之间的高度差为管路直径的3倍。

优选地，所述水箱的侧壁上设有第三通孔，所述喷头的喷嘴穿过第三通孔，第三通孔距离水箱的顶端的距离为管路直径的8倍。

优选地，所述水箱的底端面上设有水平方向的第四通孔，所述自搅拌管路的末端通过第四通孔与水箱相切连通。

优选地，所述试件垂直支架上通过螺纹连接设有螺母，所述螺母的下表面与盖板的上表面贴合；所述试件水平支架上螺纹连接有两个螺母，两个螺母分别位于试件垂直支架的两侧，并与试件垂直支架贴合，从试件垂直支架的两侧压紧试件垂直支架，以增强试件水平只支架的稳定性。

优选地，所述喷头管路上还设有流量计。

一种利用上述用于测试材料抗磨损性能的装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将待测试件进行标号，除表面污渍后，对其进行清洗，放入烘干箱内烘干，然后用电子天平对其进行称重，两次称重的误差小于0.01g，最后记录初始数据，并对待测试件进行拍照；

步骤二：连接好装置的各条管路，将含沙水注入水箱内，将待测试件固定在试件水平支架上的第一柱状圆环内，根据试验需要调节试件垂直支架和试件水平支架使待测试件处于试验需要的喷射距离和喷射角度，然后启动循环泵和并开启各个管路上的启闭阀门；

步骤三：试验进行设定时间后，对待测试件进行清洗，在烘干箱内烘干，待冷却至室温后，用电子天平对其进行称重，两次称重的误差小于0.1mg，然后记录数据，对称重后的试件进行拍照；

步骤四：重复步骤二和步骤三，同一试件在同样的介质中测试4～5小时；

步骤五：以时间为横坐标、磨损质量或磨损速度为纵坐标，并在关键点观察试件表面变化情况。

本发明的有益效果：

1)本发明通过制作测试材料试件，并将其置于试验喷头喷射位置，喷射一定时间后，通过借助恒温箱、电子天平、高速摄像机和Origin软件等对待测试件进行后处理，可以实现对一种或者多种材料的抗磨性能的测试和对比；

2)本发明可调节试件与喷嘴的距离、角度，使试验可模拟的工况更多，试验结果更加准确；

3)本发明在喷头管路上安装流量计使得对喷嘴流量的控制更加精确，流量的可控性较高。

附图说明

图1为本发明所述一种用于测试材料抗磨损性能的装置的结构示意图。

图2为本发明所述盖板与试件垂直支架和试件水平支架的连接示意图。

图3为本发明所述试件垂直支架的结构示意图。

图4为本发明所述试件水平支架的结构示意图。

图5为本发明实施例中试件累计损失质量随时间变化曲线图。

图6为本发明实施例中试件初始表面形态图。

图7为本发明实施例中试件最终表面形态图。

图中：

1.盖板；101.第二柱状圆环；2.试件垂直支架；3.试件水平支架；301.第一柱状圆环；4.水箱；5.喷头；6.压力表；7.流量计；8.循环泵；9.整体支架；10.第一取水管路；11.自搅拌管路；12.喷头管路；13.弯管；14.第二取水管路。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的一种用于测试材料抗磨损性能的装置，包括盖板1、试件垂直支架2、试件水平支架3、水箱4、喷头5、压力表6、流量计7、循环泵8、管路和整体支架9；

水箱4的上部分为中空圆柱体，下部分为中空半球形，水箱4内装有含沙水，水箱4的顶端开口，如图2所示，盖板1为圆板，盖板1的下表面上设有第二柱状圆环101，第二柱状圆环101与盖板1同轴，其外径略小于水箱4的内径，盖板1盖合在水箱4的顶端，第二柱状圆环101伸入水箱4内，并且第二柱状圆环101的外壁与水箱4的内壁紧密贴合，防止盖板1左右晃动，并且密封水箱4。盖板1的上表面上设有角度刻度值，角度范围为0°～180°，盖板1上设有第一螺纹孔，如图3和图4所示，试件垂直支架2和试件水平支架3均为圆柱螺栓，试件垂直支架2垂直设置，并与第一螺纹孔通过螺纹连接，试件垂直支架2的底端穿过所述盖板1并伸入水箱4内，试件垂直支架2上通过螺纹连接设有螺母，螺母的下表面与盖板1的上表面贴合，通过旋转试件垂直支架2调整试件垂直支架2伸入水箱4内的长度。

试件垂直支架2的底端设有第二螺纹孔，试件水平支架3水平设置并与第二螺纹孔螺纹连接，试件水平支架3的一端同轴连接有第一柱状圆环301，第一柱状圆环301位于水箱4的垂直中线上，第一柱状圆环301的侧面开有一对第三螺纹孔，一对所述第三螺纹孔关于试件水平支架3的轴线对称，待测试件安装于第一柱状圆环3内，通过两个螺栓分别与一个第三螺纹孔螺纹连接，从待测试件的两侧压紧待测试件。试件水平支架3上螺纹连接有两个螺母，两个螺母分别位于试件垂直支架2的两侧，并与试件垂直支架2贴合。旋转试件水平支架3，可调节待测试件与喷头5的距离。

水箱4的底端开设有第一通孔和第二通孔，所述第一通孔和第二通孔存在高度差，第一通孔位于水箱4的底端中心，第一取水管路10的一端与循环泵8的进口的连通，另一端与第一通孔连通，第二取水管路14的一端与循环泵8的进口的连通，另一端穿过第二通孔伸入水箱4内，并与半圆形弯管13的一端连通，所述半圆形弯管13的另一端朝向水箱4的底面，循环泵8含电机。

水箱4的底端面上设有水平方向的第四通孔，自搅拌管路11的一端与循环泵8的进口连通，另一端通过第四通孔与水箱4相切连通，使水箱4内的沙粒浓度均匀。水箱4的侧壁上设有第三通孔，喷头管路12的一端与循环泵8的出口连通，另一端与喷头5连通，喷头5的喷嘴穿过第三通孔，伸入水箱4内，初始状态下，喷头5与第一柱状圆环301的轴线在同一条直线上，并且喷头5位于盖板1的0°方向，喷头5与第三通孔可拆卸连接，喷头管路8由上设有压力表6和流量计7，分别用于测量喷头管路8上的压力和流量。

与循环泵8进口和出口连接的管路上均设有长度为四倍管路直径的软管，用于降低循环泵8对整个管路产生的振动。所有管路的直径均相同，所有管路上均设有启闭阀门。水箱4的壁厚为管路直径的1/3，第一通孔和第二通孔之间的高度差为管路直径的3倍，第三通孔距离水箱4的顶端的距离为管路直径的8倍。

循环泵8与整体支架9采用螺栓连接，水箱4与整体支架9采用焊接连接，整体支架9与地面采用膨胀螺栓连接。

一种使用上述用于测试材料抗磨损性能的装置的测试方法，包括以下步骤：

步骤一：将待测试件进行标号，除表面污渍后，对其进行清洗，放入烘干箱内烘干60min，烘干温度为温度105°，然后用电子天平对其进行称重，两次称重的误差小于0.01g，最后记录初始数据，并对待测试件进行拍照；

步骤二：将待测试件固定在试件水平支架3上的第一柱状圆环301内，根据试验需要调节试件垂直支架2和试件水平支架3使待测试件处于试验需要的喷射距离和喷射角度，然后启动循环泵8和并开启各个管路上的启闭阀门；

步骤三：试验进行30min后，对待测试件进行清洗，在烘干箱内烘干60min，烘干温度为温度105°，待冷却至室温后，用电子天平对其进行称重，两次称重的误差小于0.1mg，然后记录数据，对称重后的试件进行拍照；

步骤四：重复步骤二和步骤三，同一试件在同样的介质中测试4～5小时；

步骤五：以时间为横坐标、磨损质量或磨损速度为纵坐标，并在关键点观察试件表面变化情况。

采用本领域常用的三种抗磨损材料环氧树脂砂浆、复合树脂砂浆和聚氨酯，试验过程中通过调整箱盖控制试件与喷嘴的入射角度，本实例采取喷头5初始指向盖板上0°刻度位置处，得到累计损失质量随时间变化曲线，如图5所示。

从图5中可以看出，三种材料随着时间的增加累计损失质量都逐渐变大，环氧树脂砂浆和复合树脂砂浆的累计磨损质量都大于聚氨酯。环氧树脂砂浆初始的累计磨损质量要大于复合树脂砂浆，但是在1320min后，复合树脂砂浆的累计质量超过了环氧树脂砂浆，说明复合树脂砂浆在短时间内的磨损性能要优于环氧树脂砂浆，但两种材料的抗磨损性能都差于聚氨酯涂层。

为更加直观观察涂层表面形态变化，图6和图7给出了三种材料初始状态和经过1800min后的表面形态。如图6和图7所示，三种涂层材料经过1800min后的试验，表面都出现了比较明显的变化，因此，综合以上专利实施的结果，认为本专利可以有效模拟材料的抗磨损性能，其他角度跟0°的专利实施一致。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于测试材料抗磨损性能的装置，其特征在于，包括盖板(1)、试件垂直支架(2)、试件水平支架(3)、水箱(4)、喷头(5)、压力表(6)、循环泵(8)、管路和整体支架(9)；

所述水箱(4)通过整体支架(9)支撑，水箱(4)内装有含沙水，水箱(4)的顶端开口，盖板(1)可拆卸的安装于水箱(4)的开口处，并能够密封水箱(4)；所述盖板(1)的上表面上设有角度刻度值，角度范围为0°～180°，盖板(1)上设有第一螺纹孔，所述试件垂直支架(2)和试件水平支架(3)均为圆柱螺栓，所述试件垂直支架(2)与第一螺纹孔通过螺纹连接，试件垂直支架(2)的底端穿过所述盖板(1)并伸入水箱(4)内，通过旋转试件垂直支架(2)调整试件垂直支架(2)伸入水箱(4)内的长度；

所述试件垂直支架(2)的底端设有第二螺纹孔，所述试件水平支架(3)与第二螺纹孔螺纹连接，试件水平支架(3)的一端同轴连接有第一柱状圆环(301)，所述第一柱状圆环(301)位于水箱(4)的垂直中线上，所述第一柱状圆环(301)的侧面开有一对第三螺纹孔，一对所述第三螺纹孔关于试件水平支架(3)的轴线对称；

所述循环泵(8)的进口通过第一取水管路(10)和第二取水管路(14)分别与水箱(4)的底端连通，所述循环泵(8)的出口与水箱(4)的底端通过自搅拌管路(11)连通，循环泵(8)的出口与水箱(4)的侧壁通过喷头管路(12)连通，所述喷头(5)安装于喷头管路(12)的末端，喷头(5)的喷嘴伸入水箱(4)内，初始状态下，所述喷头(5)与第一柱状圆环(301)的轴线在同一条直线上，所述喷头管路(12)上设有压力表(6)。

2.根据权利要求1所述的用于测试材料抗磨损性能的装置，其特征在于，所述水箱(4)的上部分为圆柱体，下部分为半球形，所述水箱(4)的底端开设有第一通孔和第二通孔，所述第一通孔和第二通孔存在高度差，所述第一通孔位于水箱(4)的最底端中心，所述第一取水管路(10)的一端与循环泵(8)的进口的连通，另一端与第一通孔连通，第二取水管路(14)的一端与循环泵(8)的进口的连通，另一端穿过第二通孔伸入水箱(4)内，并与半圆形弯管(13)的一端连通，所述半圆形弯管(13)的另一端朝向水箱(4)的底面。

3.根据权利要求2所述的用于测试材料抗磨损性能的装置，其特征在于，所述盖板(1)为圆板，所述盖板(1)的底面上设有与盖板(1)同轴的第二柱状圆环(101)，所述第二柱状圆环(101)的外径小于水箱(4)的上部分圆柱内径。

4.根据权利要求2所述的用于测试材料抗磨损性能的装置，其特征在于，所有管路的直径均相同，所述水箱(4)的壁厚为管路直径的1/3，所有管路上均设有启闭阀门。

5.根据权利要求4所述的用于测试材料抗磨损性能的装置，其特征在于，所述第一通孔和第二通孔之间的高度差为管路直径的3倍。

6.根据权利要求4所述的用于测试材料抗磨损性能的装置，其特征在于，所述水箱(4)的侧壁上设有第三通孔，所述喷头(5)的喷嘴穿过第三通孔，第三通孔距离水箱(4)的顶端的距离为管路直径的8倍。

7.根据权利要求1所述的用于测试材料抗磨损性能的装置，其特征在于，所述水箱(4)的底端面上设有水平方向的第四通孔，所述自搅拌管路(11)的末端通过第四通孔与水箱(4)相切连通。

8.根据权利要求1所述的用于测试材料抗磨损性能的装置，其特征在于，所述试件垂直支架(2)上通过螺纹连接设有螺母，所述螺母的下表面与盖板(1)的上表面贴合；所述试件水平支架(3)上螺纹连接有两个螺母，两个螺母分别位于试件垂直支架(2)的两侧，并与试件垂直支架(2)贴合，压紧试件垂直支架(2)。

9.根据权利要求1所述的用于测试材料抗磨损性能的装置，其特征在于，所述喷头管路(12)上还设有流量计(7)。

10.一种利用权利要求1～9任意一项所述的用于测试材料抗磨损性能的装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将待测试件进行标号，除表面污渍后，对其进行清洗，烘干，然后对其进行称重，两次称重的误差小于0.01g，最后记录初始数据，并对待测 试件进行拍照；

步骤二：连接好装置的各条管路，将含沙水注入水箱(4)内，将待测试件固定在试件水平支架(3)上的第一柱状圆环(301)内，根据试验需要调节试件垂直支架(2)和试件水平支架(3)使待测试件处于试验需要的喷射距离和喷射角度，然后启动循环泵(8)并开启各个管路上的启闭阀门；

步骤三：试验进行设定时间后，对待测试件进行清洗，烘干，待冷却至室温后，对其进行称重，两次称重的误差小于0.1mg，然后记录数据，对称重后的试件进行拍照；

步骤四：重复步骤二和步骤三，同一试件在同样的介质中测试4～5小时；

步骤五：以时间为横坐标、磨损质量或磨损速度为纵坐标，并在关键点观察试件表面变化情况。

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