CN110553904A - 快速抗冲磨测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速抗冲磨测试方法及装置。本发明的目的是提供一种高效、简单的快速抗冲磨测试方法及装置，以提高测试的可比较性、可靠性和通用性。本发明的技术方案是：一种快速抗冲磨测试方法，其特征在于：以稳定的超高压水射流冲磨试件表面；冲磨特定时间后，在试件表面形成冲坑；获取冲坑的体积，并以冲坑的体积评定试件的抗冲磨性。本发明适用于抗冲磨测试领域。

Description

快速抗冲磨测试方法及装置

技术领域

本发明涉及一种快速抗冲磨测试方法及装置。适用于抗冲磨测试领域。

背景技术

水工建筑物过流面的冲磨破损问题，一直是困扰业界的一大难题，各国进行过众多的研究，来支撑工程设计及应用，形成了几大类型的冲磨试验方法，由于方法原理不同，最终形成的磨损单位也不同，方法与方法之间可比性较差，对抗冲磨材料的生产、研发及应用单位来说，存在引用标准选择困难，因此不利于国家在抗冲技术领域水平的提高。其较为常用和相对成熟的抗冲磨方法归纳如下：

1、压缩空气喷砂法：较为常用的方法，习惯称为风沙枪法，以压缩空气为动力、造成高速挟沙气流对试件的冲磨，美国规定此法为混凝土抗磨性的标准试验方法，按试件的磨蚀情况来相对评定材料的抗磨性。

然而以空气替代水，带动砂粒对试件表面进行不断的切削和冲击，虽然能够较好的比较不同材料耐沙粒冲击磨蚀性能，但仅仅只能代表被测试件耐空气裹挟的沙粒冲击特点，而水和空气毕竟存在较大不同，水膜会使冲击力产生转向，试件表面形成局部小坑洞后，还会形成水垫效应及可能的局部气蚀。更关键的是硬质砂粒冲击能量是否被表面吸收和被测试试件的软硬程度有关，柔软性好，且有一定抗拉强度，可能风砂枪法无法使其磨损，或磨损值与实际水下磨损发生较大偏差，而脆硬性材料，即便有较高的强度和耐磨值，仍然可能被高速沙粒以硬碰硬的形式磨蚀，因此测试数据不能直接说明测试的材料一定就耐水冲磨。

2、挟砂水流圆环法：较为常用的方法，习惯称为水下圆环法，采用被测试材料浇注成规定尺寸的圆环型试件，试件内放置磨损介质刚玉砂和水，电动机带动一个金属齿轮在圆环形试件内转动，使含沙水流产生线速度和离心力，从而使环形试件的内表面受到磨损，以试件的磨损失重来评价材料的抗冲磨性能。

实践表明，由于转动齿轮和试件的装配间隙及高差都将严重地影响磨损率，另外主要磨损发生在测试前期，前期间隙小，砂粒由于重叠效应，对表面形成了切削作用，严格意义说，测试规律只能表明在磨料的粒径、装配间隙及齿轮转速不同情况下，对被测材料耐切削能力的考查。同时，沙粒经过循环运转不可避免地棱角被磨钝和细化，磨损能力降低，故每个单元试验时段不可过长，一般不超过1h即应更新沙水。沙粒愈粗，单元试验时段应愈短。

3、水下钢球磨损法：较为常用的方法，习惯称为水下钢球法，利用水携带一定粒径比例的钢球在旋转离心力作用下，砸向铁质桶壁，又回弹至圆形测试试件表面，如此循环，在测试材料表面跳跃式滚动，用来研究在推移质作用下的混凝土的抗冲磨性能。

该方法对普通混凝土及高强混凝土测试其耐推移质的冲磨情况较为可靠，但因其流速较低，冲磨强度受限，难以测试高强树脂混凝土、环氧涂料；而类似聚脲类高弹性橡胶制品，即便延长测试时间数十倍，亦难以产生可测量破坏。

4、现场模拟冲磨试验法：长江水利水电科学研究院在丹江口工程大坝的7号坝段建成了我国第一个高速挟沙水流试验基地。试验场包括引水管路系统、循环加沙系统、试件安装槽及试验参数的监测系统。由于高速挟沙水流的流态及对试件表面的作用与材料在实际工作时的状态较相似，因此试验成果有较好的规律性，模拟性能与精度也较高，不仅解决了工程的抗冲耐磨混凝土设计的实际问题，也为研究混凝土和其它材料的耐磨性能积累了大量资料。

由于受丹江口大坝库水位高度限制，其最大流速仅可达到20m/s的局限性问题，影响了测试的材料范围，且需要依托大坝，虽然方法及测试都比较科学合理，难以普及应用。

5、仿真抗冲磨试验法：(专利号：ZL201410322654.6)通过调节可控的压力、流速、挟砂量模拟实际工程冲磨参数，以微缩的模型模拟过流面建筑物的抗冲耐磨性能，此种方法不同形状的管路即为被测试材料，具有一定的仿真性，也解决了一些数据通用性问题。

但该方法存在比尺效应，失真部分需要大量数据研究作为支撑，而截至目前看研究深度不够，积累的数据不多，影响技术推广应用。另外由于小型化带来了模型浇注的困难，容易因局部浇注缺陷影响到数据准确性，而扩大通道管径能解决制模易缺陷问题，但能耗会大大增加。

以上前三种方法被引用入规范标准，虽然应用较为普遍，但只能适用于材料在特定方法上的某些性能抗冲磨比较，比如通过加砂实现耐切削、冲击、摩擦等，对制模的要求、机电控制的要求都比较高，即便通过某一种方法测试出耐磨性能的差别，若换个设备，或换种方法继续冲磨，由于其系统性误差较大,干扰因素众多，例如间隙难以控制一致、水温难以一致、水混浊度难以一致等，其测试结果可能就大不同，因此方法之间可比较性差。

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，提供一种高效、简单的快速抗冲磨测试方法及装置，以提高测试的可比较性、可靠性和通用性。

本发明所采用的技术方案是：一种快速抗冲磨测试方法，其特征在于：

以稳定的超高压水射流冲磨试件表面；

冲磨特定时间后，在试件表面形成冲坑；

获取冲坑的体积，并以冲坑的体积评定试件的抗冲磨性。

所述获取冲坑的体积，并以冲坑的体积评定试件的抗冲磨性，包括：

选择特定目数的细沙填充冲坑，并刮掉多余砂粒；

采用高精度的电子秤，称量冲坑内的沙粒质量；

根据冲坑体积与冲坑内沙粒质量的关联性，以冲坑内沙粒质量代表冲磨数值来评定试件的抗冲磨性。

一种快速抗冲磨测试装置，其特征在于：具有压力水源制造机构和高压射流喷口，压力水源制造机构的输出口经高压输水管路连接一个或多个高压射流喷口，高压输水管路上接有用于消除管路上脉动压力的高压气瓶。

所述压力水源制造机构采用大流量高压泵或多台小流量高压泵并联。

所述高压射流喷口附近设有用于监测该喷口水压的喷口压力传感器。

所述高压输水管路上设有用于监测该管路内水压的管路压力传感器。

所述管路压力传感器设置于所述高压气瓶和高压射流喷口之间。

所述高压输水管路上装有管路阀门。

所述高压射流喷口采用金刚石、钨钢或合金钻石加工而成。

所述高压气瓶采用耐压碳纤维压力瓶。

本发明的有益效果是：本发明操作简单高效，通过稳定的超高压水射流冲磨试件表面，通过规定冲磨流速、冲磨角度、冲磨时间、喷口直径及填充砂粒级配，以相同的条件进行测试，提高测试的可比较性、可靠性和通用性。

附图说明

图1为实施例的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例为一种快速抗冲磨测试装置，具有压力水源制造机构和采用金刚石、钨钢或合金钻石加工而成的高压射流喷口6，压力水源制造机构的输出口经高压输水管路1连接高压射流喷口6，高压输水管路1上接有用于消除管路上脉动压力的高压气瓶2(耐压碳纤维压力瓶)，高压气瓶2与高压射流喷口6之间的高压输水管路1上装有管路阀门4。本例中压力水源制造机构采用大流量高压泵或多台小流量高压泵并联。

本例中高压射流喷口6附近设有用于监测该喷口水压的喷口压力传感器5；在高压输水管路1上设有用于监测该管路内水压的管路压力传感器3，管路压力传感器3设置于所述高压气瓶2和高压射流喷口6之间。喷口压力传感器5和管路压力传感器3，用于监控水压是否稳定，测试过程是否有异常以及记录试验过程数据。

本实施例的具体测试方法如下：

要求被测试件8表面光滑平整，若有凹凸不平，应进行适当切割及打磨，以便于后期更标准的进行冲坑称量步骤，提高数据准确性。若试件面积较大，可以适当的选择记号笔进行网格化标记，以便进行多组测试。

根据测试目的、测试材质及结合类型材料经验参数，选定合理的高压射流喷口6、流速和冲磨时长，调节高压射流喷口6与被测试件8的垂直距离，并视情况决定是否进行短暂的试喷。

冲磨前先对输水管路进行封闭测试(关闭管路阀门4)并充气升压，使高压气瓶2内压力达到一定值后再进行通水升压，冲磨试件附近应做好水雾归集，并使其回流至取水点，实现循环利用。

冲磨时高压射流喷口6射出稳定的超高压水射流冲磨试件表面，冲磨特定时间后，在试件表面形成冲坑。

待完成预定时间冲磨后，取出试件，并吹干冲坑内水分，采用特定细度的砂粒进行填充冲坑，按固定角度轻刮，使其充满冲坑，并与原平面边缘齐平，倒出冲坑内的砂粒，置于高精度称量设备上进行称量，填充及称量动作一次或多次重复，多次取算数平均值为最终重量值，以冲坑内沙粒质量代表冲磨数值来评定试件的抗冲磨性。

测试报告应载明必要的各项测试条件参数，应有压力、流速、喷口直径、喷距、角度等。

本实施例具有以下优点：

①)真正意义上的抗水流冲磨

其它主流抗冲磨测试方法，始终无法消除因机械、流态、介质不同的影响，一般抗冲磨测试时，都需要做多组空白试验，而后再测试多组材料试样进行对比和分析，有时需要舍去非正常数据，较为繁琐。而直接采用超高压水射流，最接近高速水流的本真破坏机理，无须过多的分析、论证和比较，可以采取提升数倍于工程实际流速来加速研究所选抗冲磨材料的可靠性，为工程选择合理的抗冲磨材料提供依据。

②大幅简化对试样的制备要求

现有几种方法对测试试件要求都比较高，有些是尺寸精度上的要求，有些是总重量上的要求，有些是浸泡上的要求，总之，制样是抗冲磨测试的关键技术活，需要较为专业的人员来制作，否则数据会出现跳跃，降低试验数据可信度。而本实施例采用的方法对试样几乎没有任何要求，即便拿回来像一块巴掌大的小石头，仅需切割一刀，形成平面后，即可进行冲磨测试，因为试验过程仅仅需要大于2平方厘米的平面，就能完成一次的冲磨。

③可同时定性比较两种材料的抗冲磨性能

抗冲磨测试过程中，对两种材料冲磨特性比较接近的材料，很难进行数据上的区分，因为现有设备的误差范围较大，从测试样品数据比较，难以确定材料耐磨的优劣性。而采用本实施例中仅仅只需改变高压射流喷口6为两股平行的射流，利用同一个压力源，确保条件的一致性，在相同的时间内，用同一个装置测定，谁先在表面产生破坏，即可区别那种材料耐磨性更好，或者通过定时间长度冲磨，再采用本方法去称量冲坑中填充砂的质量，也能进行较好的区分。

④可定量分析抗冲磨强度

把冲磨流速、冲磨角度、冲磨时间、喷口直径、冲磨距离、填充砂粒级配加以规定，以相同的条件进行测试，形成的冲坑填砂量即可代表精确的冲磨量级，随着将来样本数据的累积，还能总结出对应冲磨强度关系。

⑤快速完成冲磨测试工作

本实施例在70米流速条件下，30min即可冲出明显凹坑，且数据重复性较好，即便抗压强度很高的环氧树脂砂浆，在提升流速至130米后，冲磨2个小时也能产生明显冲坑。一般抗冲磨材料的强度都低于或接近于环氧砂浆/混凝土的抗冲磨强度。由此可见冲磨出数据的时间也就在一天内能完成，和现有的其它方法比较，极大的提高了出数据的效率。

⑥数据通用性强

通过约定的通用参数设定，或形成比对表格，使数据在不同的试验室都能得出相同的结果来，因为机械误差、间隙误差、制样误差通通不存在，仅仅只要把水压检测及调控做到位，那么数据就有可比性和通用性。

⑦方法适用范围最广

由于简单的调节水压，而水压的高低可以通过改变高压泵的数量、功率或者改变喷口直径即可实现压力的宽幅调节，因此方法的适用测试材料范围很广。

Claims (10)

1.一种快速抗冲磨测试方法，其特征在于：

以稳定的超高压水射流冲磨试件(8)表面；

冲磨特定时间后，在试件(8)表面形成冲坑；

获取冲坑的体积，并以冲坑的体积评定试件(8)的抗冲磨性。

2.根据权利要求1所述的快速抗冲磨测试方法，其特征在于，所述获取冲坑的体积，并以冲坑的体积评定试件(8)的抗冲磨性，包括：

选择特定目数的细沙填充冲坑，并刮掉多余砂粒；

采用高精度的电子秤，称量冲坑内的沙粒质量；

根据冲坑体积与冲坑内沙粒质量的关联性，以冲坑内沙粒质量代表冲磨数值来评定试件(8)的抗冲磨性。

3.一种快速抗冲磨测试装置，其特征在于：具有压力水源制造机构和高压射流喷口(6)，压力水源制造机构的输出口经高压输水管路(1)连接一个或多个高压射流喷口(6)，高压输水管路(1)上接有用于消除管路上脉动压力的高压气瓶(2)。

4.根据权利要求3所述的快速抗冲磨测试装置，其特征在于：所述压力水源制造机构采用大流量高压泵或多台小流量高压泵并联。

5.根据权利要求3所述的快速抗冲磨测试装置，其特征在于：所述高压射流喷口(6)附近设有用于监测该喷口水压的喷口压力传感器(5)。

6.根据权利要求3或5所述的快速抗冲磨测试装置，其特征在于：所述高压输水管路(1)上设有用于监测该管路内水压的管路压力传感器(3)。

7.根据权利要求6所述的快速抗冲磨测试装置，其特征在于：所述管路压力传感器(3)设置于所述高压气瓶(2)和高压射流喷口(6)之间。

8.根据权利要求3所述的快速抗冲磨测试装置，其特征在于：所述高压输水管路(1)上装有管路阀门(4)。

9.根据权利要求3所述的快速抗冲磨测试装置，其特征在于：所述高压射流喷口(6)采用金刚石、钨钢或合金钻石加工而成。

10.根据权利要求3所述的快速抗冲磨测试装置，其特征在于：所述高压气瓶(2)采用耐压碳纤维压力瓶。