基于流體機(jī)械工況的沖蝕磨損特性研究
2012-12-31 00:00:00李全勝
【摘要】磨損與沖蝕是機(jī)械零部件中最容易出現(xiàn)也是最常見(jiàn)的失效現(xiàn)象之一。圓盤(pán)式模式試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)于流體機(jī)械通常都是采用HT200、45與40Cr為主進(jìn)行了模擬和分析，并且在應(yīng)用的過(guò)程中研究了材料表面的失效現(xiàn)象以及微觀處理機(jī)理。通過(guò)各種試驗(yàn)結(jié)果表明，在目前沖蝕現(xiàn)象主要可以分為飽和期、穩(wěn)定器和上升期三個(gè)階段。本文就對(duì)其各方面沖蝕磨損現(xiàn)象和特性進(jìn)行了深入總結(jié)與研究，提出了相關(guān)預(yù)防控制措施和策略。
【關(guān)鍵詞】沖蝕；磨損；液體機(jī)械；磨損特征
流體機(jī)械內(nèi)部部件破損現(xiàn)象是造成機(jī)械運(yùn)行隱患和應(yīng)力分布較差現(xiàn)象的主要原因之一。就當(dāng)前的沖蝕現(xiàn)象分析而言，在工作中沖蝕磨損是造成流體機(jī)械、水輪機(jī)和輸送含砂水流隱患與差異的主要途徑。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這種現(xiàn)象逐步引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者與工作人員的關(guān)注與研究。就目前的工作內(nèi)容分析而言，其中還存在著較多的不足與問(wèn)題，在工作中尋求流體機(jī)械能抗磨損的長(zhǎng)期解決和合理修復(fù)方法已成為研究工作重點(diǎn)。通常在工作中都是以流動(dòng)分析計(jì)算繼續(xù)擰深入總結(jié)與研究，同時(shí)對(duì)流體機(jī)械葉片的沖蝕磨損現(xiàn)象和影響規(guī)律進(jìn)行深入的總結(jié)和處理。
１．常見(jiàn)的沖蝕磨損現(xiàn)象
1.1氣蝕現(xiàn)象
汽蝕現(xiàn)象對(duì)于流體機(jī)械來(lái)說(shuō)有著嚴(yán)重的影響，不僅能使流體機(jī)械的性能曲線下降，使泵的出水量減少，揚(yáng)程降低，效率下降：同時(shí)還會(huì)有較大的振動(dòng)和噪聲影響戰(zhàn)艦的作戰(zhàn)能力。因此國(guó)內(nèi)外一直把有關(guān)于通過(guò)改善流體機(jī)械葉輪機(jī)構(gòu)來(lái)提高船舶推進(jìn)泵各項(xiàng)性能，降低汽蝕效果作為開(kāi)發(fā)和研究高性能流體機(jī)械的重要課題，在研究流體機(jī)械性能方法方面國(guó)內(nèi)外也存在著大量先進(jìn)和豐碩的成果。
1.2恒流堵塞現(xiàn)象
恒流堵塞器是一種用于油田分層注水系統(tǒng)的新型井下分層流量控制裝置，它通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)的流量負(fù)反饋或壓力前饋?zhàn)饔脤?duì)流量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低、使用方便、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，加上可直接應(yīng)用于原分層注水管柱，因此具有很好的推廣價(jià)值。但油田注入水存在一定固體懸浮顆粒，且恒流堵塞器閥口處的流速很高，因此不可避免地要發(fā)生沖刷磨損現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)其流量調(diào)節(jié)精度造成不利影響。
2.試驗(yàn)分析
2.1試樣制備
在試驗(yàn)的過(guò)程中，其形狀與尺寸可以結(jié)合一下方法進(jìn)行，通常情況下對(duì)于試驗(yàn)中需要采用的材料每一種都需要準(zhǔn)備四塊或者三塊，以備不時(shí)之需。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)于粗糙面為1.6mm的機(jī)械零件進(jìn)行加工和處理，并對(duì)其試樣的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)、精確的記錄。
2.2試驗(yàn)方法
在自制的轉(zhuǎn)盤(pán)式磨損試驗(yàn)裝置上進(jìn)行沖蝕磨損試驗(yàn)，循環(huán)水系統(tǒng)與地下水池聯(lián)通。該試驗(yàn)在模擬葉輪的實(shí)際工況下，試驗(yàn)圓盤(pán)由電機(jī)拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)，含沙水流從噴射箱蓋上均布的只內(nèi)徑為3mm的噴嘴直接射向試件，作用在試件上的水流相對(duì)速度與圓周速度的夾角即為水流相對(duì)沖角而提出了一種新的要求。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中通過(guò)選擇相應(yīng)的噴嘴射流速度來(lái)與四周的速度進(jìn)行不同形態(tài)的組合與控制，進(jìn)而形成速度與沖角方向的全面結(jié)合與管理。就當(dāng)前的工程施工現(xiàn)狀分析而言，通常情況下都是采用不同的角度進(jìn)行研究。從這些情況中可以看出在沖蝕盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度超過(guò)2694r/min的時(shí)候，旋轉(zhuǎn)盤(pán)室內(nèi)的速度壓力逐步增加，進(jìn)而引起的了沖蝕磨損的上升。
2.3試驗(yàn)分析
三種材料的質(zhì)量損失都隨沖蝕磨損時(shí)間的增加而增大，但在相同的磨蝕時(shí)間內(nèi)三種材料的損失量不同。從試樣的表面形貌上觀察，灰鐵HT200材料沖蝕40個(gè)小時(shí)之后后，表面有2～3mm深的溝槽和1～3mm寬的凹坑，呈現(xiàn)嚴(yán)重的沖蝕坑，同時(shí)在這個(gè)過(guò)程中其主要的損失量達(dá)到了802.7mg，平均損失量達(dá)802.7mg，表層材料大多已剝落。而4鋼在沖蝕后，試樣表面形成弧形溝槽，表面凹凸不平，魚(yú)鱗坑前淺后深，與水流方向相同，平均損失量為607.87mg，磨損嚴(yán)重。但試樣在同樣沖蝕時(shí)間內(nèi)，表面形成弧形的磨痕與有方向性的小坑，平均損失量為45，磨損比較輕微。45與鋼的抗沖蝕性能顯著高于HT200。
3.主要的磨損特征分析與總結(jié)
3.1磨屑群體特征
磨損是導(dǎo)致部件失效的最常見(jiàn)的故障，磨屑是其直接產(chǎn)物。潤(rùn)滑油（或液壓油）中的磨屑數(shù)目往往達(dá)到1012個(gè)/cm3，屬多粒子系統(tǒng)，對(duì)它們的狀態(tài)特征（如磨屑的形貌、顏色、粒度大小、比例等）的描述應(yīng)當(dāng)運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的數(shù)學(xué)工具，達(dá)到對(duì)定性鐵譜的量化（這是對(duì)現(xiàn)行鐵譜技術(shù)的提高和發(fā)展）。同時(shí)，機(jī)械部件的失效是一種漸進(jìn)的過(guò)程，對(duì)其描述應(yīng)運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的工具，綜合磨屑群特征、油料狀態(tài)、振動(dòng)噪聲、溫度諸因素進(jìn)行模糊綜合診斷。本技術(shù)對(duì)工況現(xiàn)場(chǎng)的油樣分析達(dá)3000個(gè)以上，準(zhǔn)確度接近90%。
3.2石棉阻磨材料
用傳統(tǒng)的石棉摩阻材料制成的汽車(chē)制動(dòng)器襯片，不但污染環(huán)境有致癌作用，而且工作壽命低，其在250℃以上工作時(shí)有熱衰退現(xiàn)象。因此，近二十年來(lái)世界各國(guó)都對(duì)石棉摩阻材料的生產(chǎn)與使用加以限制，并致力于研究新一代摩阻材料來(lái)取代石棉摩阻材料。本研究工作在采用正交設(shè)計(jì)優(yōu)化了碳纖維復(fù)合摩阻材料的基礎(chǔ)上，針對(duì)流體機(jī)械制動(dòng)器襯片的實(shí)際工況，研究了碳纖維復(fù)合摩阻材料的摩擦磨損特性及磨損機(jī)制。
3.2.1性能影響分析
碳纖維含量是影響本摩阻材料摩擦磨損性能的重要因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)碳纖維含量較低時(shí)（15%～19%）摩擦系數(shù)與磨損率隨碳纖維含量的增加而減少；而當(dāng)碳纖維含量較高（19%～25%）時(shí)摩擦系數(shù)與磨損率都隨著碳纖維含量的增加而增大。
3.2.2摩擦系數(shù)分析
碳纖維與基體的粘接力在很大程度上取決于其表面性質(zhì)。未經(jīng)表面改性處理的碳纖維，由于其表面惰性，與粘接劑的相溶性差，致使摩阻材料的抗剪強(qiáng)度低，當(dāng)對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性處理后，會(huì)使其表面的沉積物減小，表面粗糙度增大，進(jìn)而提高強(qiáng)度并增大摩擦系數(shù)，有利于提高錨固作用。為碳纖維表面經(jīng)改性處理與未經(jīng)改性處理的摩擦材料的摩擦系數(shù)和磨損率對(duì)比。
3.2.3磨損機(jī)理
在工作狀態(tài)下，碳纖維復(fù)合摩阻材料制成的制動(dòng)襯片與制動(dòng)盤(pán)滑摩時(shí)，摩阻材料的磨損與比壓和滑摩速度成正比。在工作過(guò)程中，其接觸壓和磨損是在內(nèi)外側(cè)交替進(jìn)行的，最終會(huì)使摩擦襯片沿徑向的磨損保持均勻。在制動(dòng)時(shí)，第一階段因滑動(dòng)速度較高在摩阻材料表面的磨損機(jī)制主要是犁削磨損。隨著制動(dòng)過(guò)程的進(jìn)行，第二階段磨損除了犁削磨損外還有粘著磨損，磨屑中有顯微切屑與片狀剝落。由于碳纖維復(fù)合摩阻材料表面層強(qiáng)度高，耐疲勞性好，故能有效地抵御制動(dòng)盤(pán)的磨料壓入，而使犁削深度和表層材料的轉(zhuǎn)移磨失體積減小。
4.結(jié)束語(yǔ)
在沖蝕角、水流絕對(duì)速度一定的條件下，切削磨損量與磨粒質(zhì)量和形狀等有關(guān)；二次沖蝕磨損量與磨粒破碎程度有關(guān)；磨痕形狀與水流流態(tài)有關(guān)。基于以上對(duì)三種材料沖蝕時(shí)質(zhì)量損失、磨痕萌生和擴(kuò)展規(guī)律的分析，材料的硬度、韌性、斷裂應(yīng)變能越高，材料抵抗沖擊流的剝蝕性能也越高。所以40Cr和45鋼材料的抗沖蝕性能強(qiáng)于灰鐵HT200，且40Cr的抗沖蝕性能好于45鋼。 [科]
