專利名稱：磨蝕發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于測量泥沙對水力機(jī)械過流部件表面磨蝕的磨蝕發(fā)生器o背景技術(shù)當(dāng)水流挾帶懸移質(zhì)泥沙和推移質(zhì)泥沙運(yùn)動時，具有一定動能的硬質(zhì)沙粒對水力 機(jī)械過流部件表面反復(fù)沖擊和切削，與此同時高速水流在沿程壓強(qiáng)變化的場合形成 的空泡在壓強(qiáng)高的區(qū)域破滅產(chǎn)生很大的沖擊壓強(qiáng)，沖擊過流部件表面，這兩種作用 所造成過流部件表面的破壞稱為磨蝕。含沙河流中水電站的水輪機(jī)和泵站的水泵常 因磨蝕引起局部早期失效而導(dǎo)致效率降低、使用壽命降低和設(shè)備檢修費(fèi)用大大增加，造成十分驚人的能源和材料損失。例如，某水電站水輪機(jī)磨蝕破壞嚴(yán)重，每2年就 要大修一次，全廠11臺機(jī)組檢修費(fèi)高達(dá)660萬元，可見造成的損失很嚴(yán)重。另外， 在造船、石油等行業(yè)也存在著泥沙磨蝕的問題。磨蝕是磨損和空蝕的聯(lián)合作用，在含沙水流條件下，磨損與空蝕往往相伴而生， 互相影響，難以截然區(qū)分，其破壞的特征既有空蝕痕跡又有磨損的痕跡。磨蝕的影 響因素很多，涉及到多相介質(zhì)的運(yùn)動特性和相互作用，但主要影響因素可歸納為三 類:水力特性、泥沙特性和材料特性。磁致伸縮振蕩器是目前國際上室內(nèi)試驗(yàn)廣泛使 用的測試材料空蝕穩(wěn)定性的儀器，如圖1所示為傳統(tǒng)的磁致伸縮振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖， 試件13在變幅桿12的底部，產(chǎn)生高頻振蕩的設(shè)備使變幅桿12軸向高頻振動，通過 變幅桿12軸向高頻振動，從而使浸沒在裝有試液的容器14中的試件13產(chǎn)生空蝕破 壞，從而測試試件材料的空蝕穩(wěn)定性。但是傳統(tǒng)的磁致伸縮振蕩器不能測試試件的 泥沙磨損穩(wěn)定性。目前，關(guān)于含沙水流對磨蝕的影響因素和影響規(guī)律，前人進(jìn)行了大量的研究， 也取得了長足的進(jìn)展。但至今對于磨蝕的機(jī)理還沒有形成一個比較一致的看法如 泥沙含量對磨蝕的影響是否存在臨界含沙量，如果存在，臨界含沙量是多少；泥沙
粒徑對磨蝕的影響是否存在臨界粒徑，如果存在，臨界粒徑如何計(jì)算。除去空蝕的影響，探索泥沙磨損的規(guī)律迫在眉睫，但在傳統(tǒng)的磁致伸縮振蕩器中，因無泥沙起動裝置，無法測量泥沙磨損對材料磨蝕的效果。 實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種具有泥沙起動功能并可以測試材料在含沙水流條件下的磨 蝕穩(wěn)定性的磨蝕發(fā)生器，有助于探索在含沙水流條件下的材料磨蝕規(guī)律。 本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案一種測量泥沙磨蝕功能的磨蝕發(fā)生器，包括磁致伸縮振蕩器和裝有試液的容器， 在磁致伸縮振蕩器的變幅桿上設(shè)有試件，裝有試液的容器為裝有含沙水的容器，在 該容器內(nèi)設(shè)有攪拌器，攪拌器由葉片及電機(jī)組成，葉片連接于電機(jī)的轉(zhuǎn)動輸出軸上。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)-本實(shí)用新型的磁致伸縮振蕩器產(chǎn)生高頻振蕩，使變幅桿產(chǎn)生軸向高頻振動，使 安裝在變幅桿上的試件剛好浸沒在試液中并發(fā)生軸向振動而產(chǎn)生空蝕破壞。泥沙攪 動裝置通過轉(zhuǎn)軸與裝有試液的容器連通，轉(zhuǎn)軸插在裝有試液的容器的底板上，電機(jī) 轉(zhuǎn)動時，皮帶輪帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，使葉片轉(zhuǎn)動起來，這樣裝在試液容器中的泥沙就會 攪動起來，根據(jù)水力學(xué)知識，泥沙攪動起來后會有凹液面，通過消能裝置，使凹液 面的凹陷程度比較低，中心周圍仍有相對平整的水面，可以在中心周圍測量泥沙對 試件材料磨蝕的效果。通過控制器改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，繼而改變?nèi)~片的轉(zhuǎn)速，可以讓 泥沙盡可能均勻分布在試液中，進(jìn)一步測量不同粒徑、不同含沙量下試件的磨蝕穩(wěn) 定性。由于泥沙攪拌裝置及控制器的存在，盛放液體的容器中可以放入不同粒徑、 不同含量的泥沙，這樣就可以進(jìn)行不同粒徑、不同含沙量情況下試件磨蝕穩(wěn)定性的 測量。由于采用以上方案，本實(shí)用新型很好的克服了原有磁致伸縮振蕩器的不足，可 以直接測量含沙水流情況下試件的磨蝕穩(wěn)定性，關(guān)鍵還可以測量在不同含沙量與不 同粒徑大小下試件的磨蝕穩(wěn)定性，有助于探索在含沙水流條件下的材料磨蝕規(guī)律。


圖1為傳統(tǒng)的磁致伸縮振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為液面凹陷示意圖圖3為消力塊形狀圖4為不同方案液面凹陷深度圖5為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本實(shí)用新型第一個實(shí)施例的試件磨蝕失質(zhì)量與泥沙粒徑、時間關(guān)系圖。 圖7為本實(shí)用新型第二個實(shí)施例的試件磨蝕失質(zhì)量與含沙量、時間關(guān)系圖。圖l、圖2和圖5中主要部件附圖標(biāo)記說明11:鎳振子 12:變幅桿 13: 試件 14:裝有試液的容器21:葉片 22:電機(jī) 23:控制器 24:皮帶輪25:轉(zhuǎn)軸 26:消力塊 a:冷卻水d:凹陷深度具體實(shí)施方式
一種測量泥沙磨蝕功能的磨蝕發(fā)生器，包括磁致伸縮振蕩器和裝有試液的容器14，在磁致伸縮振蕩器的變幅桿12上設(shè)有試件13，裝有試液的容器14為裝有含沙水 的容器，在該容器14內(nèi)設(shè)有攪拌器，攪拌器由葉片21及電機(jī)22組成，葉片21連接于 電機(jī)22的轉(zhuǎn)動輸出軸上，在容器14的內(nèi)壁上設(shè)有消力塊26，消力塊的數(shù)量可以選擇4 塊、6塊、8塊、12塊等，在本實(shí)施例中，在容器14的內(nèi)壁上設(shè)有12塊消力塊26，在 容器14內(nèi)壁的同一高度上均勻布置其中6塊消力塊，其余6塊消力塊均勻布置容器14 的內(nèi)壁上且低于上述其中6塊消力塊，上述試件13偏離容器14的中心。本實(shí)用新型的目的、優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，將通過下面優(yōu)先實(shí)施例的非限制說明進(jìn)行圖 示和解釋，這些實(shí)施例僅作為例子給出的。如圖2所示為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖， 一種特殊的磁致伸縮振蕩器，包括磁 化電源、超聲波發(fā)生器、鎳振子ll、變幅桿12、試件13、裝有試液的容器14，還 含有泥沙攪拌裝置、消能裝置和動力裝置。磁化電源、超聲波發(fā)生器、鎳振子11 組成產(chǎn)生高頻振蕩的設(shè)備，產(chǎn)生高頻振蕩的設(shè)備使變幅桿12產(chǎn)生軸向高頻振動，使 浸沒在試液中的試件13產(chǎn)生空蝕破壞。動力裝置由電機(jī)22、控制器23、皮帶輪24 組成，通過皮帶輪24帶動轉(zhuǎn)軸25轉(zhuǎn)動，從而帶動泥沙攪拌裝置葉片21的旋轉(zhuǎn)，繼 而達(dá)到讓容器14中的泥沙均勻分布在水中的效果。消力塊26起到了平整水面的目 的。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速稍大時，試液表面會出現(xiàn)一個近似拋物線的凹液面，如圖2所示，
根據(jù)實(shí)驗(yàn)規(guī)范中關(guān)于"試件要浸入水面以下2 3mm"的規(guī)定，需要通過一些 技術(shù)措施來消除凹液面，這里運(yùn)用的是消力塊消除凹液面。消力塊方案是通過以下 方案比較確定的關(guān)于在容器內(nèi)壁粘貼消力塊，可以有很多方案，首先是消力塊的 形狀尺寸，其次是消力塊的位置、消力塊的個數(shù)等。通過分析，選定了如圖3所示 的消力塊形狀消力塊的長度是裝有試液容器周長的1/12，寬和厚度都是lcm。消 力塊的布置采用了四種不同的方案(見表l):表1 消力塊方案方案消力塊個數(shù)排數(shù)消力塊與水 平面的夾角方案l4145°方案28245°方案36130°方案412230°其中，方案1方案3中的消力塊位于一排，平均分布在管壁的四周，在垂直位 置上處于管壁的中間，方案2和方案4的消力塊分成兩排布置在管壁上，每排分別 為4個或6個，并且上下排的消力塊間隔布置。確定消力塊的形式后，要做四組試驗(yàn)，測量出每一種方案的凹陷深度，選擇凹 陷深度最小的方案作為最終方案。從圖4試驗(yàn)結(jié)果可以看出，方案4減輕凹槽的效 果比較明顯，但無論如何液消除不了凹槽，同時發(fā)現(xiàn)在中間凹槽減小的同時，周圍 卻產(chǎn)生了一個相對平整的水面，做試驗(yàn)時可以把試件放在周圍相對平整的水面上。 這樣旋轉(zhuǎn)水面出現(xiàn)凹液面的問題就可以解決了。在裝有試液的容器14中放入一定量的泥沙和水后，打開控制器23的電源開關(guān)， 調(diào)整電機(jī)22的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制葉片21攪動速度，使泥沙均勻分布在裝有試液 的容器14中后，便可打開磁致伸縮振蕩器的開關(guān)，測試試件13在泥沙磨蝕作用下 的磨蝕穩(wěn)定性。 實(shí)施例一泥沙選用長江泥沙，泥沙粒徑分別為0. 300 0. 600mm 、 0. 038 0. 054咖和 0. 013 0. 018mm;含沙量均為20kg/m3。本實(shí)施例所用磁致伸縮振蕩器的振動頻率為19.6kHz，振幅為50um,功率為 1100W,試件為45號鋼，所用試液為水。在試驗(yàn)之前，先將試件用丙酮溶液在超聲
波清洗器中清洗，然后烘干，待自然冷卻至室溫時，置于精度值為O. lii)g的電 子分析天秤上稱重，記下測量結(jié)果。如圖5所示，向本實(shí)用新型的裝有試液的容器 14內(nèi)放入一定含量(本試驗(yàn)的含沙量都為20%)、 一定粒徑的泥沙，然后再加入一 定的水，打幵控制器23的電源開關(guān)，調(diào)節(jié)控制器23，觀察葉片21攪動泥沙的效果， 直到泥沙均勻分布在水中。將試件13裝在磁致伸縮振蕩器變幅桿12下端，調(diào)節(jié)試 件13高度，使試件13剛好浸入容器14相對平整的水面中2mm，啟動磁致伸縮振蕩 器，使試件13在水中軸向高頻振動，由于磁致伸縮振蕩器的振動頻率為19.6kHz， 振幅為50nrn，功率為1100W，因此試件13振動頻率也為19.6kHz，振幅也為50um。 30分鐘后，關(guān)掉磁致伸縮振蕩器的電源，取下試件13，先用丙酮溶液在超聲波清洗 器中清洗，然后烘干，待自然冷卻至室溫時，置于精度值為0.1mg的電子分析天秤 上稱重，記下測量結(jié)果。之后把試件再裝在變幅桿12的下端，重新打開磁致伸縮振 蕩器的電源開關(guān)。過30分鐘后，再次關(guān)掉磁致伸縮振蕩器的電源，取下試件13， 先用丙酮溶液在超聲波清洗器中清洗，然后烘干，待自然冷卻至室溫時，置于精度 值為O. lmg的電子分析天秤上稱重，記下測量結(jié)果。如此循環(huán)，直到該試件試驗(yàn)結(jié) 束。每個試件的試驗(yàn)周期為5h，每隔30分鐘測量一次試件的質(zhì)量。第一個試件的 泥沙粒徑為D1，在這個泥沙粒徑下按上述方法進(jìn)行磨蝕試驗(yàn)。第一個試件的磨蝕試 驗(yàn)結(jié)束后，重?fù)Q相同的試件，調(diào)節(jié)控制器23，在泥沙粒徑為D2時以同樣方法進(jìn)行 磨蝕試驗(yàn)。之后，再換相同的試件，重新調(diào)節(jié)控制器23，在泥沙粒徑為D3時以同 樣方法進(jìn)行磨蝕試驗(yàn)。這三個泥沙粒徑的大小關(guān)系為D1>D2>D3。根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)，作出試件磨蝕失質(zhì)量與泥沙粒徑和試驗(yàn)時間的關(guān)系曲線， 見圖6。由圖6可知，對于D1和D3，泥沙粒徑越大，單位時間內(nèi)磨蝕失質(zhì)量越大； 同樣從圖中也可以看出，對于泥沙粒徑D2，泥沙不但沒有加重試件磨蝕，反而起到 了保護(hù)試件的作用；這一現(xiàn)象說明，這一實(shí)驗(yàn)條件下的臨界磨蝕粒徑(和清水空蝕 失質(zhì)量效果一樣的粒徑)DX可以通過在D2、 D3之間內(nèi)插足夠多次的試驗(yàn)得到。實(shí)施例二試驗(yàn)所用的試件仍為45號鋼。泥沙選用長江泥沙，含沙量分別為5kg/m3、 50 kg/W和85 kg/m3。泥沙粒徑均為0. 300-0. 600mm。試驗(yàn)方法和試驗(yàn)條件與實(shí)施例一 完全相同。
根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)，作出試件磨蝕失質(zhì)量與含沙量和試驗(yàn)時間的關(guān)系曲線，見圖7，其中，C1>C2>C3。由圖4可知，對于這一泥沙粒徑，含沙量越大，單位時間 內(nèi)磨蝕失質(zhì)量越大。在由以上兩個實(shí)施例可以看出，本設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn) 可以測定不同粒徑、不同含量泥沙對磨蝕的影響效果； 克服了傳統(tǒng)使用的磁致伸縮振蕩器只能測定氣蝕性能的缺點(diǎn)。 通過以上實(shí)施例，同一含沙量、不同粒徑或同一粒徑、不同含沙量情況下的試 件質(zhì)量損失對比，可以定量分析泥沙粒徑或含沙量對磨蝕的影響效果；試驗(yàn)條件相同下兩種不同材料的試件質(zhì)量損失對比又可以定量分析不同材料的 抗磨蝕性能；上述只是一種具有泥沙起動功能的磨蝕發(fā)生器。除上述實(shí)例外，本實(shí)用新型還 可以有另外的實(shí)施方式。凡采用同等替換或等效變換在試件表面做磨蝕性能研究的 技術(shù)方案，均落在本實(shí)用新型要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1、一種測量泥沙磨蝕功能的磨蝕發(fā)生器，包括磁致伸縮振蕩器和裝有試液的容器(14)，在磁致伸縮振蕩器的變幅桿(12)上裝有試件(13)，其特征在于裝有試液的容器(14)為裝有含沙水的容器，在該容器(14)內(nèi)設(shè)有攪拌器，攪拌器由葉片(21)及電機(jī)(22)組成，葉片(21)連接于電機(jī)(22)的轉(zhuǎn)動輸出軸上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磨蝕發(fā)生器，其特征在于在容器(14)的內(nèi)壁上設(shè) 有消力塊(26)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的磨蝕發(fā)生器，其特征在于在容器(14)的內(nèi)壁上設(shè) 有12塊消力塊(26)，在容器(14)內(nèi)壁的同一高度上均勻布置其中6塊消力塊， 其余6塊消力塊均勻布置容器(14)的內(nèi)壁上且低于上述其中6塊消力塊。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磨蝕發(fā)生器，其特征在于試件(13)偏離容器(14) 的中心。
專利摘要一種測量泥沙磨蝕功能的磨蝕發(fā)生器，包括磁致伸縮振蕩器和裝有試液的容器，在磁致伸縮振蕩器的變幅桿上裝有試件，其特征在于裝有試液的容器為裝有含沙水的容器，在該容器內(nèi)設(shè)有攪拌器，攪拌器由葉片及電機(jī)組成，葉片連接于電機(jī)的轉(zhuǎn)動輸出軸上。由于采用以上方案，本實(shí)用新型很好的克服了原有磁致伸縮振蕩器的不足，可以直接測量含沙水流情況下試件的磨蝕穩(wěn)定性，關(guān)鍵還可以測量在不同含沙量與不同粒徑大小下試件的磨蝕穩(wěn)定性，有助于探索在含沙水流條件下的材料磨蝕規(guī)律。
文檔編號G01N17/00GK201034916SQ20072003375
公開日2008年3月12日 申請日期2007年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月22日
發(fā)明者吳偉偉, 吳建華, 王榮克, 阮仕平 申請人:河海大學(xué)