CN109142119B - 一种用于测试材料抗磨损和抗空蚀性能的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于测试材料抗磨损和抗空蚀性能的装置，测试桶设有测试液，测试桶内悬挂被测试件，还包括喷射系统；所述喷射系统包括砂浆泵、气体压缩泵、喷头和筛气导水管；所述砂浆泵的进口与测试桶连接，所述砂浆泵的出口依次与筛气导水管和喷头连接，所述喷头安装在测试桶上；所述砂浆泵的出口与筛气导水管之间设有进气口，所述进气口与气体压缩泵连接；所述进气口与所述砂浆泵的出口之间设有回流管路，所述回流管路与测试桶底部连接；所述筛气导水管内设有若干均布的长直筛气孔。本发明可以通过控制不同射流速度、对被测试材料喷射含有不同浓度气液固三相的测试液，可以模拟在不同情况下，被测试材料的抗磨损和抗空蚀性能。

Description

一种用于测试材料抗磨损和抗空蚀性能的装置

技术领域

本发明涉及材料抗磨损和抗空蚀性能领域，特别涉及一种用于测试材料抗磨损和抗空蚀性能的装置。

背景技术

大多数河流都含有大量的沙石，这会导致输水设备在输水过程中由于固体颗粒造成的磨损，导致过流部件的损坏；在一些输水设备的一些特殊部位(泵和水轮机内叶轮表面、管道拐角内壁等)处，被输送流体内会存在水蒸气、空气、特殊化工气体等气体相组成的空泡，在流体流动的过程中，由于流体局部压力增大、流体内部相互冲击、设备振动等原因，这些空泡会在过流部件表面溃灭，空泡周围的流体迅速涌入空泡所在的空间，形成局部高速射流，对过水部件表面形成极大的空蚀破坏。当被输送流体内同时含有固相和气相时，输水过程中，在过流部件的一些表面就同时存在磨损和空蚀，从而大大降低设备的工作效率和使用寿命。与此同时，在不同的工作温度、工作压力下，被输送流体对过流部件表面的磨损和空蚀程度也不相同。

目前，输水设备过流部件表面进行抗磨损或者抗空蚀材料处理，然后进行试验，这种方法很难同时测试材料的抗磨损和抗空蚀性能，并且工艺要求较高，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；而输水设备中含沙介质的磨损和空蚀，涉及多相流领域，磨损比较复杂。因此，有必要研究用于测试在不同射流速度、冲击角度和距离、固体颗粒浓度、气体浓度、固体颗粒粒径、气泡大小、工作压力、工作温度的情况下，材料磨损和空蚀程度的试验装置。

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的专利，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抗磨损和抗空蚀性能，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。

公告号为CN 204556421U，名称为射流冲蚀磨损试验机的专利，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。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种用于测试材料抗磨损和抗空蚀性能的装置，通过控制不同射流速度、冲击角度和距离、固体颗粒浓度、气体浓度、固体颗粒粒径、气泡大小、工作压力、工作温度，对被测试材料喷射含有不同浓度气液固三相的测试液，可以模拟在不同情况下，被测试材料的抗磨损和抗空蚀性能。

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和抗空蚀性能的装置，测试桶设有测试液，测试桶内悬挂被测试件，还包括喷射系统；所述喷射系统包括砂浆泵、气体压缩泵、喷头和筛气导水管；所述砂浆泵的进口与测试桶连接，所述砂浆泵的出口依次与筛气导水管和喷头连接，所述喷头安装在测试桶上；所述砂浆泵的出口与筛气导水管之间设有进气口，所述进气口与气体压缩泵连接；所述进气口与所述砂浆泵的出口之间设有回流管路，所述回流管路与测试桶底部连接；所述筛气导水管内设有若干均布的长直筛气孔。

进一步，所述测试桶的上部形状为圆柱，所述测试桶的下部形状为倒圆锥；所述倒圆锥底部设有与回流管路连接的回流口，所述测试液的液面高度L₃和所述测试桶的圆柱直径D₄满足下列要求：

10L₂≤L₃≤13L₂

0.5L₃≤D₄≤0.6L₃

其中：L₂为回流口直径，mm；

L₃为测试液的液面高度，mm；

D₄为所述测试桶的圆柱直径，mm。

进一步，还包括均匀吸水器，所述均匀吸水器位于测试桶内部，所述均匀吸水器与所述砂浆泵的进口连接。

进一步，所述均匀吸水器为圆形管，所述圆形管上均布若干吸水口，所述圆形管到测试液的液面的距离为L₁，L₁≤0.5L₃，所述圆形管的中心线直径D₅≤D₄/3，其中，L₃为测试液的液面高度，mm；D₄为所述测试桶的圆柱直径，mm。可以保证测试桶内的测试液均匀吸入管路，避免固体沉积。

进一步，所述喷头的流道包括渐缩流道和喷射流道，所述渐缩流道的小端与喷射流道连通，所述渐缩流道的大端与筛气导水管连通。

进一步，所述喷射流道的直径为D₆，所述喷射流道的长度为L₈，所述渐缩流道的长度为 L₉，所述喷射流道的长度L₈和所述渐缩流道的长度L₉满足如下关系，可以保证射流的均匀性和稳定性，提高射流射出后的集中度，降低射流射出后的散射程度：

其中：

P₂—射流的要求喷射压力，Pa；

V₁—射流的要求喷射速度，m/s；

P_A—标准大气压，0.1MPa；

D₆—喷射流道的直径，mm；

D_N—管道公称直径，mm。

进一步，所述回流口的流量Q₅和压力P₅满足如下要求，可以保证测试桶内的测试液中的固体不会产生沉积，在测试桶内各处均匀分布，保持测试液均匀进入均匀吸水器，

其中：

K₁—测试液内的固体颗粒体积分数；

K₂—测试液内的固体颗粒质量分数；

ρ—测试液的液体密度，kg/m³；

g—重力加速度，m/s²；

P₂—射流的要求喷射压力，Pa；

L₁₁—固体颗粒平均粒径，mm；

L₂—回流口直径，mm；

L₃—测试液的液面高度，mm；

D₄—所述测试桶的圆柱直径，mm。

进一步，所述回流管路上设有第七阀；所述测试桶与砂浆泵的进口之间依次设有第六阀和第一三通管路，所述第一三通管路的一端通过第五阀连接液体吸入口；所述进气口与筛气导水管之间依次设有第二三通管路和第一阀，所述第二三通管路的一端通过第二阀连接测试液排出口。这样可以实现在不停泵的情况下改变测试液固体浓度。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的用于测试材料抗磨损和抗空蚀性能的装置，通过控制不同射流速度、冲击角度和距离、固体颗粒浓度、气体浓度、固体颗粒粒径、气泡大小、工作压力、工作温度，对被测试材料喷射含有不同浓度气液固三相的测试液，可以模拟在不同情况下，被测试材料的抗磨损和抗空蚀性能。

2.本发明所述的用于测试材料抗磨损和抗空蚀性能的装置，确定测试桶、均匀吸水器和喷头的几何尺寸应满足的关系，确定了测试桶底部回流的压力和流量应满足的范围，保证测试桶和射流的测试液中的固体、液体、气体充分均匀混合，防止装置内固体颗粒的沉积，保证射流的均匀性和稳定性。

3.本发明所述的用于测试材料抗磨损和抗空蚀性能的装置，通过更换不同筛气孔直径的筛气导水管，达到控制射流中气泡尺寸的目的，保证射流内的固液气三相充分、均匀混合，保证射流的均匀性和稳定性。

4.本发明所述的用于测试材料抗磨损和抗空蚀性能的装置，通过确定喷头的相关尺寸，可以在不同的喷射速度、喷射压力、射流直径下，保证射流的均匀性和稳定性，提高射流射出后的集中度，降低射流射出后的散射程度。

附图说明

图1为本发明所述的用于测试材料抗磨损和抗空蚀性能的装置的原理图。

图2为本发明所述的喷头内部结构图。

图3为本发明所述的筛气导水管结构图。

图4为本发明所述的均匀吸水器主视图。

图中：

1-恒压器；2-被测试件；3-测试桶；4-均匀吸水器；5-喷头；6-筛气导水管；7-第一阀； 8-第二阀；9-气体压缩泵；10-第四阀；11-砂浆泵；12-第五阀；13-第六阀；14-第七阀；15- 渐缩流道；16-喷射流道；17-测试液；18-液体吸入口；19-测试液排出口。

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，本发明所述的用于测试材料抗磨损和抗空蚀性能的装置，测试桶3设有测试液17，测试桶3内悬挂被测试件2，还包括喷射系统；所述喷射系统包括砂浆泵11、气体压缩泵9、喷头5和筛气导水管6；所述砂浆泵11的进口与测试桶3连接，所述砂浆泵11的出口依次与筛气导水管6和喷头5连接，所述喷头5安装在测试桶3上，且喷头5对准被测试件2；所述砂浆泵11的出口与筛气导水管6之间设有进气口，所述进气口与气体压缩泵9 连接；所述进气口与所述砂浆泵11的出口之间设有回流管路，所述回流管路与测试桶3底部连接；所述筛气导水管6内设有若干均布的长直筛气孔。如图3所示，筛气导水管6内的长直筛气孔直径为d₁，测试液17中的气泡的直径小于长直筛气孔直径，且分布均匀。所述测试桶3顶部安装恒压器1；所述气体压缩泵9出口处设有第四阀10；所述回流管路上设有第七阀14；所述测试桶3与砂浆泵11的进口之间依次设有第六阀13和第一三通管路，所述第一三通管路的一端通过第五阀12连接液体吸入口18；所述进气口与筛气导水管6之间依次设有第二三通管路和第一阀7，所述第二三通管路的一端通过第二阀8连接测试液排出口19。所述第七阀14、第六阀13、第五阀12、第一阀7、第二阀8和第四阀10均为手动阀或者自动阀门。测试装置内的测试液17内的固体在停泵后会沉积在管路中造成阻塞，频繁启停泵会大大降低泵寿命，因此本发明可以通过以下步骤在不停泵的情况下改变测试液17固体浓度：

降低测试液17固体浓度：打开第二阀8，从测试液排出口19排出一定量测试液17后关闭第二阀8；关闭第六阀13，打开第五阀12，从液体吸入口18吸入一定量液体后关闭第五阀12，打开第六阀13。

增加测试液17固体浓度：可直接通过测试桶3上的加料口向内加入固体，或者关闭第六阀13，打开第五阀12，从液体吸入口18吸入一定量浓度的测试液17后关闭第五阀12，打开第六阀13。

为了保证测试桶3内的测试液17中的固体不会在桶壁处沉积，并快速的在测试液17内均匀分布，所述测试桶3的上部形状为圆柱，所述测试桶3的下部形状为倒圆锥；所述倒圆锥底部设有与回流管路连接的回流口，所述测试液17的液面高度L₃和所述测试桶3的圆柱直径D₄满足下列要求：

10L₂≤L₃≤13L₂

0.5L₃≤D₄≤0.6L₃

其中：L₂为回流口直径，mm；

L₃为测试液17的液面高度，mm；

D₄为所述测试桶3的圆柱直径，mm。

如图4所示，均匀吸水器4位于测试桶3内部，所述均匀吸水器4与所述砂浆泵11的进口连接。所述均匀吸水器4为圆形管，所述圆形管上均布若干吸水口，所述圆形管到测试液 17的液面的距离为L₁，L₁≤0.5L₃，所述圆形管的中心线直径D₅≤D₄/3，其中，L₃为测试液17的液面高度，mm；D₄为所述测试桶3的圆柱直径，mm。

如图2所示，所述喷头5的流道包括渐缩流道15和喷射流道16，所述渐缩流道15的小端与喷射流道16连通，所述渐缩流道15的大端与筛气导水管6连通。所述喷射流道16的直径为D₆，所述喷射流道16的长度为L₈，所述渐缩流道15的长度为L₉，所述喷射流道16的长度L₈和所述渐缩流道15的长度L₉满足如下关系：

其中：

P₂—射流的要求喷射压力，Pa；

V₁—射流的要求喷射速度，m/s；

P_A—标准大气压，0.1MPa；

D₆—喷射流道16的直径，mm；

D_N—管道公称直径，mm。

所述回流口的流量Q₅和压力P₅满足如下要求：

其中：

K₁—测试液17内的固体颗粒体积分数；

K₂—测试液17内的固体颗粒质量分数；

ρ—测试液17的液体密度，kg/m³；

g—重力加速度，m/s²；

P₂—射流的要求喷射压力，Pa；

L₁₁—固体颗粒平均粒径，mm；

L₂—回流口直径，mm；

L₃—测试液17的液面高度，mm；

D₄—所述测试桶3的圆柱直径，mm。

实施例1

测试桶3内测试液为含沙水，清水密度为1000kg/m³，沙粒的平均粒径为0.1mm、体积分数为2％、质量分数为10％；喷头5喷出的测试液速度为6m/s，所述喷射流道16的直径为D₆＝5mm，气泡体积分数为2％，并且喷出的测试液17内的气泡直径为0.5mm；管道公称直径D_N＝20mm；恒压器保证测试桶3内的压力为0.5MPa，射流的要求喷射压力P₂为0.6MPa，工作温度恒为25摄氏度，回流口直径L₂为50mm，所述测试液17的液面高度L₃和所述测试桶3的圆柱直径D₄满足下列要求：500≤L₃≤650，取L₃＝500mm，则250≤D₄≤300，取 D₄＝400mm。所述圆形管到测试液17的液面的距离为L₁，L₁≤250mm，所述圆形管的中心线直径D₅≤133.3mm，即令L₁＝250mm，D₅＝83mm。

所述喷射流道16的长度L₈和所述渐缩流道15的长度L₉满足如下关系：

其中：

P₂—射流的要求喷射压力，Pa；

V₁—射流的要求喷射速度，m/s；

P_A—标准大气压，0.1MPa；

D₆—喷射流道16的直径，mm；

D_N—管道公称直径，mm。

计算得出：L₉≥48mm，L₈≥30mm。

所述回流口的流量Q₅和压力P₅满足如下要求：

其中：

K₁—测试液17内的固体颗粒体积分数；

K₂—测试液17内的固体颗粒质量分数；

ρ—测试液17的液体密度，kg/m³；

g—重力加速度，m/s²；

P₂—射流的要求喷射压力，Pa；

L₁₁—固体颗粒平均粒径，mm；

L₂—回流口直径，mm；

L₃—测试液17的液面高度，mm；

D₄—所述测试桶3的圆柱直径，mm。

计算得出：Q₅≥0.03m³/s，P₅≥1.2MPa。

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 (7)

1.一种用于测试材料抗磨损和抗空蚀性能的装置，测试桶(3)设有测试液(17)，测试桶(3)内悬挂被测试件(2)，其特征在于，还包括喷射系统；所述喷射系统包括砂浆泵(11)、气体压缩泵(9)、喷头(5)和筛气导水管(6)；所述砂浆泵(11)的进口与测试桶(3)连接，所述砂浆泵(11)的出口依次与筛气导水管(6)和喷头(5)连接，所述喷头(5)安装在测试桶(3)上；所述砂浆泵(11)的出口与筛气导水管(6)之间设有进气口，所述进气口与气体压缩泵(9)连接；所述进气口与所述砂浆泵(11)的出口之间设有回流管路，所述回流管路与测试桶(3)底部连接；所述筛气导水管(6)内设有若干均布的长直筛气孔；所述回流管路上设有第七阀(14)；所述测试桶(3)与砂浆泵(11)的进口之间依次设有第六阀(13)和第一三通管路，所述第一三通管路的一端通过第五阀(12)连接液体吸入口(18)；所述进气口与筛气导水管(6)之间依次设有第二三通管路和第一阀(7)，所述第二三通管路的一端通过第二阀(8)连接测试液排出口(19)，通过选择性控制第六阀(13)、第二阀(8)、第五阀(12)的通断，用于控制改变测试液(17)内的固体浓度。

2.根据权利要求1所述的用于测试材料抗磨损和抗空蚀性能的装置，其特征在于，所述测试桶(3)的上部形状为圆柱，所述测试桶(3)的下部形状为倒圆锥；所述倒圆锥底部设有与回流管路连接的回流口，所述测试液(17)的液面高度L₃和所述测试桶(3)的圆柱直径D₄满足下列要求：

10L₂≤L₃≤13L₂

0.5L₃≤D₄≤0.6L₃

其中：L₂为回流口直径，mm；

L₃为测试液(17)的液面高度，mm；

D₄为所述测试桶(3)的圆柱直径，mm。

3.根据权利要求1所述的用于测试材料抗磨损和抗空蚀性能的装置，其特征在于，还包括均匀吸水器(4)，所述均匀吸水器(4)位于测试桶(3)内部，所述均匀吸水器(4)与所述砂浆泵(11)的进口连接。

4.根据权利要求3所述的用于测试材料抗磨损和抗空蚀性能的装置，其特征在于，所述均匀吸水器(4)为圆形管，所述圆形管上均布若干吸水口，所述圆形管到测试液(17)的液面的距离为L₁，L₁≤0.5L₃，所述圆形管的中心线直径D₅≤D₄/3，其中，L₃为测试液(17)的液面高度，mm；D₄为所述测试桶(3)的圆柱直径，mm。

5.根据权利要求3所述的用于测试材料抗磨损和抗空蚀性能的装置，其特征在于，所述喷头(5)的流道包括渐缩流道(15)和喷射流道(16)，所述渐缩流道(15)的小端与喷射流道(16)连通，所述渐缩流道(15)的大端与筛气导水管(6)连通。

6.根据权利要求5所述的用于测试材料抗磨损和抗空蚀性能的装置，其特征在于，所述喷射流道(16)的直径为D₆，所述喷射流道(16)的长度为L₈，所述渐缩流道(15)的长度为L₉，所述喷射流道(16)的长度L₈和所述渐缩流道(15)的长度L₉满足如下关系：

其中：

P₂—射流的要求喷射压力，Pa；

V₁—射流的要求喷射速度，m/s；

P_A—标准大气压，0.1MPa；

D₆—喷射流道(16)的直径，mm；

D_N—管道公称直径，mm。

7.根据权利要求2所述的用于测试材料抗磨损和抗空蚀性能的装置，其特征在于，所述回流口的流量Q₅和压力P₅满足如下要求：

其中：

K₁—测试液(17)内的固体颗粒体积分数；

K₂—测试液(17)内的固体颗粒质量分数；

ρ—测试液(17)的液体密度，kg/m³；

g—重力加速度，m/s²；

P₂—射流的要求喷射压力，Pa；

L₁₁—固体颗粒平均粒径，mm；

L₂—回流口直径，mm；

L₃—测试液(17)的液面高度，mm；

D₄—所述测试桶(3)的圆柱直径，mm。

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