CN110926987B - 分析表面试样冲蚀磨损高精度试验台 - Google Patents

Abstract

分析表面试样冲蚀磨损高精度试验台，包括加沙装置，位于整个试验台的上游最高位，用于筛选和供给设定粒径范围的沙子为系统的固相颗粒；包括试验装置，为整个试验台的核心装置，用于将加沙装置供给的磨料在加压动力装置气源高压推力下模拟喷射试验样品，并采集磨损情况用于后期研究；包括管路系统，为系统供给高压气流，作为系统动力源，通过管路系统连接加沙装置、试验装置以实现系统的运行。针对中、粗砂冲蚀金属表面造成磨损量相较于固液两相流仿真研究中得到的磨损量存在一定的区别，通过本实验装置可以做到在确定一次冲击速度的前提下精确控制多个冲击角度，从而为后期研究磨损量与冲击角度、冲击速度的关系并为修正两相流仿真模拟提供条件。

Description

分析表面试样冲蚀磨损高精度试验台

技术领域

本发明属于冲蚀磨损研究试验领域，具体涉及一种用于分析表面试样冲蚀磨 损试验台，可应用于疏浚输送设备破坏的研究领域。

背景技术

冲蚀磨损是造成疏浚输送设备破坏的主要原因，磨损导致疏浚输送系统的性 能和使用寿命下降，严重影响疏浚船的施工能力及经济效益。研究与实践均表明： 大颗粒的尖锐砂粒更容易造成局部的冲蚀磨损快速累积。

泥泵部件等设备作为疏浚过程中的核心设备，这类设备在此类土质下往往更 容易发生快速、严重的局部破损而报废，使用寿命仅为粉沙土质时的1/10左右。 频繁地维修、更换设备严重浪费人力物力，造成巨大的经济损失。随着疏浚行业 向沿海疏浚及岛礁吹填方向发展，此类中、粗砂土质将出现地更加频繁。

目前的仿真平台对于预测泥泵内部的冲蚀磨损现象存在一定的问题，往往只 能在一些磨损较为严重的区域得到定性地结论，而在具体磨损量的预测上还存在 较多的问题，尤其是当固相颗粒为中、粗砂时且在较为湿润的环境磨损情况更无 法探索。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，公开一种分析表面试样冲蚀磨损试验 台，针对中、粗砂冲蚀金属表面造成磨损量相较于固液两相流仿真研究中得到的 磨损量存在一定的区别，通过本实验装置可以做到在确定一次冲击速度的前提下 精确控制多个冲击角度，从而为后期研究磨损量与冲击角度、冲击速度的关系并 为修正两相流仿真模拟提供条件。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种分析表面试样冲蚀磨损高精度试验台，其特征在于，

包括加沙装置，位于整个试验台的上游最高位，用于筛选和供给设定粒径范 围的沙子为系统的固相颗粒；

包括试验装置，为整个试验台的核心装置，用于将加沙装置供给的磨料在加 压动力装置气源高压推力下模拟喷射试验样品，并采集磨损情况用于后期研究；

包括管路系统，为系统供给高压气流，作为系统动力源，通过管路系统连接 加沙装置、试验装置以实现系统的运行。

所述加沙装置包括滤砂装置1、支撑盘3、砂箱5，支撑盘3水平设置于砂 箱5内，滤砂装置1置于砂箱5内且安装于支撑盘3之上，滤砂装置1输出的沙 子经由砂箱5底部出口连接至外部管路系统。优化方案，所述加沙装置还包括出 砂口闸门2、第一观察砂箱5，砂箱5外侧面安装有出砂口闸门2，位于支撑盘3 上方，砂箱5侧面安装有第一观察窗4，如此便于观察砂箱5内部磨料使用情况 后决定是否需要通过砂口闸门2移除粒径不达标的磨料。

所述试验装置包括操作箱13、喷枪16、支架系统19、落砂箱20；操作箱(13) 底部设置有落砂箱(20)并固定有支架系统(19)；操作箱(13)内通过支架系 统19安装有喷枪16，所述喷枪16结构包括喷头161、进气口162、进沙口163， 通过边侧的进沙口与加沙装置经由管路系统相连，获得固相磨料，通过顶部进气 口经由管路系统与高压气流动力装置连接获得静压恒定的气体，以确保喷出的磨 料的速度是恒定的。通过支架系统19夹住试验样本，以一定方位对准喷枪16 的喷头。具体的，试验样本可以设计成方形的金属试块。进一步优化，操作箱一 侧安装有侧开门(22)，侧开门上带有第二观察窗(21)。

所述管路系统包括高压气流动力装置，用于供给高压气流，为系统动力源。 所述高压气流动力装置包括第二空压机12，第二空压机给定初始气流的静压值， 通过气流带动磨料，使磨料在一个恒定的速度下冲击试样表面，通过这种方式给 定冲击速度，能够更好的研究冲击速度对磨损的影响。

本发明试验台设计为“滤砂—储砂—出砂”一体化结构，能够定量、精确地 分析出在考虑液相的影响并且确保磨料冲击速度恒定时颗粒和试样碰撞产生的 冲击角度，且能够避免喷管堵塞，控制磨料粒径，使得冲击试样的磨料的细度模 数控制在需要研究的沙粒区间范围内，从而能够较为准确的得出试样所受到的具 体的冲蚀磨损的情况。

附图说明

图1基础实施例1试验台整体结构简图；

图2优选实施例2喷头前段保护装置的结构、位置及其与喷枪喷头间的结构 特点。

图3优选实施例3试验台整体结构简图；

图4优选实施例4试验台整体结构简图；

图5优选实施例5特制的滤砂装置示意图；

图6优选实施例6试验台整体结构简图；

数字标记罗列

滤砂装置1、出砂口闸门2、支撑盘3、第一观察窗4、砂箱5、球阀8、第 一压力传感器9；

操作箱13、喷枪16、支架系统19、落砂箱20、第二观察窗21、侧开门22；

第一空压机6、第一调压阀7；第二压力传感器10、第二调压阀11、第二空 压机12；风机14、收尘袋15；

喷枪16结构：喷头161、进气口162、进沙口163、保护器164。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细说明。

基础实施例1

如图1所示，一种分析表面试样冲蚀磨损高精度试验台，其特征在于，

包括加沙装置，位于整个试验台的上游最高位，用于筛选和供给设定粒径范 围的沙子为系统的固相颗粒；

包括试验装置，为整个试验台的核心装置，用于将加沙装置供给的磨料在加 压动力装置气源高压推力下模拟喷射试验样品，并采集磨损情况用于后期研究；

包括管路系统，为系统供给高压气流，作为系统动力源，通过管路系统连接 加沙装置、试验装置以实现系统的运行。

所述加沙装置包括滤砂装置1、支撑盘3、砂箱5，支撑盘3水平设置于砂 箱5内，滤砂装置1置于砂箱5内且安装于支撑盘3之上，滤砂装置1输出的沙 子经由砂箱5底部出口连接至外部管路系统。优化方案，所述加沙装置还包括出 砂口闸门2、第一观察砂箱5，砂箱5外侧面安装有出砂口闸门2，位于支撑盘3 上方，砂箱5侧面安装有第一观察窗4，如此便于观察砂箱5内部磨料使用情况 后决定是否需要通过砂口闸门2筛选移除的磨料。

所述试验装置包括操作箱13、喷枪16、支架系统19、落砂箱20；操作箱(13) 底部设置有落砂箱(20)并固定有支架系统(19)；操作箱(13)内通过支架系 统19安装有喷枪16，所述喷枪16结构包括喷头161、进气口162、进沙口163， 通过边侧的进沙口与加沙装置经由管路系统相连，获得固相磨料，通过顶部进气 口经由管路系统与高压气流动力装置连接获得静压恒定的气体，以确保喷出的磨 料的速度是恒定的。通过支架系统19夹住试验样本，以一定方位对准喷枪16 的喷头。具体的，试验样本可以设计成方形的金属试块。进一步优化，操作箱一 侧安装有侧开门(22)，侧开门上带有第二观察窗(21)。

优化实施例2

在基础实施例1上进一步优化、完善技术方案。

如图2所示，特制的喷枪16结构

该喷枪16还包括保护器。在喷枪16下端安装有保护器，保护器设计成加长 型用于约束喷射出的高速沙粒的行径。保护器内腔入口与喷头出口对准且存在一 定间距，确保磨料可以稳定流出保护装置，不产生堵塞。如此，可以有效地防止 高速磨料反弹回来撞击喷头造成的损伤，这样可以有效地节约成本，能够长久稳 定安全地运行。

优化实施例3

在实施例1上进一步优化、完善技术方案。

如图3所示，水雾化器(17)通过波纹管接入操作箱(13)内部；水雾化器 (17)的出口管路与喷枪(16)的喷管平行，两者紧贴放置，且水雾化器(17) 的出口略高于喷枪(16)喷管出口位置。

在优化实施例2基础上同步进一步优化、完善技术方案。所述的水雾化器管 路出口应与喷枪前端保护装置平行放置，且其管路出口可以适当高于保护装置出 口位置，避免过多反射回来的磨料堵塞水雾化器管路，在实验开始前对试样表面 和操作箱内部空间进行润湿，增加液相带来影响作用。

优选实施例4

在实施例3上进一步优化、完善技术方案。

如图4所示，支架系统19上方还可以安装有反射罩18，半球形反射罩内部 正对着沙粒在试验样本撞击后的反弹方向，保护了整个操作箱13的安全；同时， 在反射罩(18)内部涂有示踪涂料，用来更为精确地记录磨料冲击试样表面的具 体的冲击角度、撞击显现程度，结合试样磨损状态可以进一步辅助评析试验采集 信息。

在反射罩内侧涂有示踪涂料，便于观测磨料的主要冲击位置及反射角度，同 时涂料较易添加，便于多组实验的快速测量。

半球形反射罩底面和试样水平，随着试样与喷枪之间的角度改变，反射罩底 面(圆周所在面)始终与试样平行，该设计结构简单，一组实验可采集多组样本， 便于分析随着磨损的变化，其冲击角度的变化，也能通过更多的样本点来避免实 验中存在的一些随机误差。

反射罩18固定于支架系统19上，喷枪16前端保护器伸入保护罩内部，水 雾化器17出口管路也同时伸入反射罩18内部，且略高于喷枪16出口，这样的 放置方式可以有效的防止磨料堵塞水雾化器管路。

优选实施例5

在实施例1上进一步优化、完善技术方案。

如图5所示，所述的滤砂装置1设计成可拆卸的双层滤砂箱体，采用双层设 计，包括圆筒形内层25、外层26，两层之间有空腔间隙，内层25孔径为a mm， 外层26孔径b mm，a>b，砂子投入内层25，内层25与外层26通过顶部的支架 24连接并由支架24上的电机23共同驱动旋转，使得沙粒离心分离。电机23通 过支架24固定能防止晃动，确保安全。当原始的沙子倒入内层25，在电机驱动 下，小于a mm的沙粒第一轮筛选出进入内外层之间的空腔内，其中小于bmm的 出离外层26，通过小门2排出，而小于a mm且大于b mm范围的沙粒留在双层夹缝之间在底部进入通孔进入管路系统。

优化实施例6

如图6所示

在实施例1上并综合结合实施例2至实施例5披露的创新点，进一步优化、 完善技术方案。

所述高压气流动力装置还包括第二压力传感器10、第二调压阀11，第二调 压阀11用于调节气压大小以控制磨料喷射速度，第二压力传感器10用于监测管 路系统的气压。

管路系统还包括去堵塞装置，该去堵塞装置包括第一空压机6、第一调压阀 7；第一空压机排气能够防止过多的磨料堵塞管路。

管路系统还包括环保装置，环保装置安装于操作箱13上侧，包括风机14 和收尘袋15，风机14使得该支路形成负压，将上浮至操作箱13顶部的粉尘吸 收进入收尘袋15内。防止观察时操作箱13内的粉尘过大，不便于观察，同时也 能将一些漂浮的磨料收集起来。

以上两个输送气源的管路和收集漂浮的管路，可同时打开，一个气源给定初 始静压，给磨料提供初始速度；另一个气源提供气体，让砂子持续稳定的流出， 避免出现管路堵塞的现象；最后一个支路形成负压，将上浮至操作箱13顶部的 粉尘吸收进入收尘袋15内。

当出砂不顺时，通过打开第一空压机6和第一调压阀7来疏通管路。

在砂箱5出砂口一侧与操作箱13内的喷枪16管路相连接，在管路中段安装 有球阀8和第一压力传感器9，当第一压力传感器9出现异常变化时说明管路出 现堵塞，此时应打开第一空压机6和第一调压阀7来疏通管路；喷枪16管路的 一侧连接有第二空压机12，通过第二调压阀11来控制进入喷枪的气流的流速， 通过第二压力传感器10的变化来观察喷头前端是否堵塞；在操作箱13上侧接有 风机14和收尘袋15，防止观察时操作箱13内的粉尘过大，不便于观察，同时 也能将一些漂浮的磨料收集起来；在喷枪管路出口下方放置有试样，试样通过支 架系统19固定。

在操作箱13上同时开有一小孔接入水雾化器17的管路，管路出口位置和喷 枪16前端保护器尽量水平，在操作箱13下方位置放有落砂箱20，便于实验后 的磨料的回收利用和定量地测量磨损一定重量的试样所消耗的磨料的质量；在操 作箱的一侧安放有侧开门22和第二观察窗21，防止磨料在操作箱中过多堆积并 且能够观察磨料冲击平板的具体情况。

本发明试验台，实验操作简单，实验误差小，通过该实验，可以调节给定冲 击速度的情况下，颗粒在湿环境下冲击角度和磨损量之间的关系，通过对这些参 数的定量分析，可以有效地获得磨损量公式(磨损量模型)和对系数的精确确定， 为未来的泵内中、粗型颗粒磨损量的计算提供一定的理论依据，为之后的泥泵耐 磨损性能的优化提供参考，具有一定的经济价值。

Claims (3)

1.一种分析表面试样冲蚀磨损高精度试验台，其特征在于，

包括加沙装置，位于整个试验台的上游最高位，用于筛选和供给设定粒径范围的沙子为系统的固相颗粒；

包括试验装置，为整个试验台的核心装置，用于将加沙装置供给的磨料在加压动力装置气源高压推力下模拟喷射试验样品，并采集磨损情况用于后期研究；

包括管路系统，为系统供给高压气流，作为系统动力源，通过管路系统连接加沙装置、试验装置以实现系统的运行；

所述加沙装置包括滤砂装置（1）、支撑盘（3）、砂箱（5），支撑盘（3）水平设置于砂箱（5）内，滤砂装置（1）置于砂箱（5）内且安装于支撑盘（3）之上，滤砂装置（1）输出的沙子经由砂箱（5）底部出口连接至外部管路系统；优化方案，所述加沙装置还包括出砂口闸门（2）、第一观察砂箱（5），砂箱（5）外侧面安装有出砂口闸门（2），位于支撑盘（3）上方，砂箱（5）侧面安装有第一观察窗（4）；

所述试验装置包括操作箱（13）、喷枪（16）、支架系统（19）、落砂箱（20）；操作箱（13）底部设置有落砂箱（20）并固定有支架系统（19）；操作箱（13）内通过支架系统（19）安装有喷枪（16），所述喷枪（16）结构包括喷头（161）、进气口（16）、进沙口（163），通过边侧的进沙口与加沙装置经由管路系统相连，获得固相磨料，通过顶部进气口经由管路系统与高压气流动力装置连接获得静压恒定的气体，以确保喷出的磨料的速度是恒定的；通过支架系统（19）夹住试验样本，以一定方位对准喷枪（16）的喷头；

所述喷枪（16）还包括保护器，在喷枪（16）下端安装有保护器，保护器设计成加长型用于约束喷射出的高速沙粒的行径；保护器内腔入口与喷头出口对准且存在一定间距，确保磨料可以稳定流出保护装置，不产生堵塞；

所述支架系统（19）上方还安装有反射罩（18），半球形反射罩内部正对着沙粒在试验样本撞击后的反弹方向，保护了整个操作箱（13）的安全；同时，在反射罩（18）内部涂有示踪涂料，用来更为精确地记录磨料冲击试样表面的具体的冲击角度、撞击显现程度，结合试样磨损状态辅助评析试验采集信息；

在反射罩内侧涂有示踪涂料，便于观测磨料的主要冲击位置及反射角度，同时涂料较易添加，便于多组实验的快速测量；

半球形反射罩底面和试样水平，随着试样与喷枪之间的角度改变，反射罩底面（圆周所在面）始终与试样平行，一组实验可采集多组样本，便于分析随着磨损的变化，其冲击角度的变化，也能通过更多的样本点来避免实验中存在的一些随机误差；

反射罩（18）固定于支架系统（19）上，喷枪（16）前端保护器伸入保护罩内部，水雾化器17出口管路也同时伸入反射罩（18）内部，且略高于喷枪（16）出口，这样的放置方式可以有效的防止磨料堵塞水雾化器管路；

所述管路系统包括高压气流动力装置，用于供给高压气流，为系统动力源;所述高压气流动力装置包括第二空压机（12），第二空压机给定初始气流的静压值，通过气流带动磨料，使磨料在一个恒定的速度下冲击试样表面，通过这种方式给定冲击速度，能够更好的研究冲击速度对磨损的影响；

所述的滤砂装置(1)设计成可拆卸的双层滤砂箱体，采用双层设计，包括圆筒形内层（25）、外层（26），两层之间有空腔间隙，内层（25）孔径为a mm，外层（26）孔径b mm，a>b，砂子投入内层（25），内层（25）与外层（26）通过顶部的支架（24）连接并由支架（24）上的电机23共同驱动旋转，使得沙粒离心分离； 电机23通过支架（24）固定能防止晃动，确保安全；当原始的沙子倒入内层（25），在电机驱动下，小于a mm的沙粒第一轮筛选出进入内外层之间的空腔内，其中小于bmm的出离外层（26），通过小门（2）排出，而小于a mm且大于b mm范围的沙粒留在双层夹缝之间在底部进入通孔进入管路系统；

所述高压气流动力装置还包括第二压力传感器（10）、第二调压阀（11），第二调压阀（11）用于调节气压大小以控制磨料喷射速度，第二压力传感器（10）用于监测管路系统的气压；

所述管路系统还包括去堵塞装置，该去堵塞装置包括第一空压机（6）、第一调压阀（7）；第一空压机排气能够防止过多的磨料堵塞管路。

2.如权利要求1所述的分析表面试样冲蚀磨损高精度试验台，其特征在于，所述水雾化器（17）通过波纹管接入操作箱（13）内部；水雾化器（17）的出口管路与喷枪（16）的喷管平行，两者紧贴放置，且水雾化器（17）的出口略高于喷枪（16）喷管出口位置。

3.如权利要求1所述的分析表面试样冲蚀磨损高精度试验台，其特征在于，管路系统还包括环保装置，环保装置安装于操作箱（13）上侧，包括风机（14）和收尘袋（15），风机（14）使得该支路形成负压，将上浮至操作箱（13）顶部的粉尘吸收进入收尘袋（15）内。

Images