施工技术
不同工况下流体机械冲蚀磨损特性分析
朱宝正
大唐山东电力检修运营有限公司， 山东 青岛 266500
摘要：冲蚀是指流体冲击到材料表面造成材料损失的一种现象，尤其当流体中含有固相颗粒时，材料的流失会更严重。不同工况下流体机械冲蚀磨损特性是不同的，在实际工作中，存在多种影响因素，同时这些因素并不是单一作用的，而是在复杂工况下产生共同作用。文章针对不同工况下的流体机械磨损特性进行研究。 关键词：不同工况；流体机械；冲蚀；磨损特性 中图分类号：TH117 文献标识码：A 文章编号：1671-5810(2015)26-0260-01
1 导言
冲蚀广泛的存在机械、化工、能源、航空等多个领域，常常引起材料流失甚至设备失效，给安全生产带来很多隐患。在流体机械的运行过程中将大量的化学能（煤、石油、天然气）转换成能量进行释放，然后再转化成机械能或者电能，各种流体机械的作用原理和用途不同，工作的具体环境也具有差异。
2 冲蚀理论
2.1 微切削理论
FinnieI.1958年提出塑性材料的微切削理论。他认为当靶材表面受到尖锐的磨粒划过时，材料将被切除而损失。同时第一个对材料冲蚀体积进行了定量的描述：材料的冲蚀体积正比于磨粒的动能，反比于与靶材的流动应力，与冲击角度成一定的函数关系。此模型主要针对于塑性材料，尤其是在小冲击角度、尖锐磨粒的冲蚀磨损中非常适用；而对于非塑性材料在较大冲击角度下非多角形磨粒（如球形磨粒）的冲蚀磨损则存在较大的偏差，并且磨粒入射速度与靶材冲蚀体积之间的关系也不是平方关系，而为2.2-2.4，这已在FinnieI. 的有关文献中得到修正。
2.2 变形磨损理论
1963年，Bitter 提出冲蚀磨损可由两部分组成：变形磨损和切削磨损。总的磨损量为两者之和。他认为粒子反复冲击使靶材表面产生加工硬化，提高了材料的弹性极限，当粒子的冲击应力小于材料的屈服强度时，靶材只发生弹性变形；当粒子的冲击应力大于材料的屈服强度时，靶材形成裂纹，会产生弹性变形和塑性变形。他从能量的观点出发，推导出变形磨损量WD 和切削磨损量WC 的代数关系式：
式中，v 为粒子的速度，α是冲击角度，ε、Q 分别为变形磨损系数和切削磨损系数，α0为WC1=WC2时的冲击角度，C 、K 、K1为常数。
2.3 薄片剥落磨损理论
莱维(Levy)及其同事在研究冲蚀磨损的动态过程中发现，不论冲击角度的大小，在粒子的不断冲击下，材料表面受到挤压产生高度变形的小薄片，由于反复的冲击和挤压变形作用，靶材表面形成的薄片将会剥落下来。该理论可以很好的解释塑形材料的冲蚀现象，但对于高温下的冲蚀还有待于进一步研究。
2.4 二次冲蚀理论
Tilly 研究了粒子的破裂对塑性靶材冲击的影响。他认为，当粒子冲击到材料表面时，粒子产生一定程度的破裂，破裂后的粒子会对靶材表面再一次的冲蚀，总冲蚀磨损量为两次之和。该理论很好地解释了脆性粒子的大入射角冲蚀问题。
3 不同工况下流体机械冲蚀磨损特性及相关因素 3.1 磨粒形状对于磨损特性的影响
流体介质在流体机械传输过程中，由于流体中含有的固体介质形状不同，对于流体机械的磨损特性也不同。棱角较260 2015年26期
多的磨粒对于流体机械的冲蚀磨损特性显然更加的厉害，相比于圆形或者椭圆形的磨粒来说，棱角较多的磨粒在同样的冲击角度和冲击力的条件下，是圆形或者椭圆形磨粒对流体机械冲蚀磨损特性的好几倍，通过实验室设备具体测试和观察我们得知，棱角较多的磨粒对流体机械的表面作用力的表现形式主要是切削的方式，而圆形或者椭圆形的磨粒着是犁削变形的方式。
3.2 冲击角度对于磨损特性的影响
这个冲击角度实质上指的是流体中固体粒子冲击流体机械的表面时，固体磨粒的冲击方向和流体机械磨损面形成的夹角，显然，冲击角度的不同对于流体机械的磨损特性也不一样，当然并不是角度越接近于垂直方向磨损就越严重。研究表明，冲击角度对于机械的磨损程度还跟流体机械磨损面的材料有关。对于脆性材料来说，当冲击角度越接近90°的时候，磨损的程度也就越严重，而对于塑性材料来说，冲击角度则有一个中间值，这个值随着不同材料有着一定的差异性，一般在15°-40°之间，造成的磨损情况最为严重。
3.3 磨粒粒度对磨损特性的影响
磨粒粒度是流体机械冲蚀中造成磨损的重要因素，磨粒粒度对于流体机械磨损特性的影响具体表现在两个方面。首先是磨粒尺寸的区别，尺寸的不断增大对流体机械磨损程度不是一直增高，而是存在一个临界值，这个临界值现象的存在就是磨粒的尺寸效应。脆性材料的不同也会影响磨粒对流体机械的磨损程度，不同的脆性材料受到同一种磨粒冲蚀的时候，其磨损特性也不同，遵循的变化规律也是有区别的。除了上述这两种情况的区别，同一种磨粒的由于粒度分布不同，造成的磨损特性也不同，和磨粒粒度的分布有着一定关系。
3.4 固体磨粒冲击速度对磨损特性的影响
不同工况下，流体在流体机械内部流速不一样，磨粒在流体中速度的不同对于流体机械的磨损特性也是有区别的，对于很多低压低速的流体介质来说，流体中含有的磨粒几乎对流体机械没有磨损，磨粒只是在碰到流体机械内壁的时候会发生变形，并且很快得到了恢复，但是当磨粒的冲击速度超过一定数值的时候，对于流体机械的表面磨损程度是成正比的，冲击速度越大那么对流体机械磨损程度也就越严重，不同的材质，这个比例系数也存在差异，实验数据显示，陶瓷材料的系数为3，而金属的显然要小于陶瓷材料为2.55。
3.5 冲击时间对磨损特性的影响
显然，冲击时间越长对流体机械冲蚀的磨损情况也就越严重，冲击时间是流体机械磨损特性中占着非常大比例，冲蚀磨损在受到磨粒冲蚀的前期并不会表现出来，这个过程中有着一个潜伏期，随着冲蚀情况的发生，流体机械的表面也发生了一定的磨损变化，这种变化也加剧了冲蚀的磨损程度，导致冲蚀磨损现象越来越严重。
4 结论
综上所述，流体机械是以流体作为介质来转换能量的机械，其中影响流体机械冲蚀的因素很多，他们之间相互影响，错综复杂，在实际生产中还需要权衡主次，选择合适的材料，正确指导实际生产。
参考文献
[1]庞佑霞, 朱宗铭, 梁亮等. 多种材料的冲蚀与空蚀交互磨损试验装置的研制及应用[J].机械科学与技术,2012,31(1):1-3.
[2]李全胜. 基于流体机械工况的冲蚀磨损特性研究[J].科技致富向导,2012,(24):197.
施工技术
不同工况下流体机械冲蚀磨损特性分析
朱宝正
大唐山东电力检修运营有限公司， 山东 青岛 266500
摘要：冲蚀是指流体冲击到材料表面造成材料损失的一种现象，尤其当流体中含有固相颗粒时，材料的流失会更严重。不同工况下流体机械冲蚀磨损特性是不同的，在实际工作中，存在多种影响因素，同时这些因素并不是单一作用的，而是在复杂工况下产生共同作用。文章针对不同工况下的流体机械磨损特性进行研究。 关键词：不同工况；流体机械；冲蚀；磨损特性 中图分类号：TH117 文献标识码：A 文章编号：1671-5810(2015)26-0260-01
1 导言
冲蚀广泛的存在机械、化工、能源、航空等多个领域，常常引起材料流失甚至设备失效，给安全生产带来很多隐患。在流体机械的运行过程中将大量的化学能（煤、石油、天然气）转换成能量进行释放，然后再转化成机械能或者电能，各种流体机械的作用原理和用途不同，工作的具体环境也具有差异。
2 冲蚀理论
2.1 微切削理论
FinnieI.1958年提出塑性材料的微切削理论。他认为当靶材表面受到尖锐的磨粒划过时，材料将被切除而损失。同时第一个对材料冲蚀体积进行了定量的描述：材料的冲蚀体积正比于磨粒的动能，反比于与靶材的流动应力，与冲击角度成一定的函数关系。此模型主要针对于塑性材料，尤其是在小冲击角度、尖锐磨粒的冲蚀磨损中非常适用；而对于非塑性材料在较大冲击角度下非多角形磨粒（如球形磨粒）的冲蚀磨损则存在较大的偏差，并且磨粒入射速度与靶材冲蚀体积之间的关系也不是平方关系，而为2.2-2.4，这已在FinnieI. 的有关文献中得到修正。
2.2 变形磨损理论
1963年，Bitter 提出冲蚀磨损可由两部分组成：变形磨损和切削磨损。总的磨损量为两者之和。他认为粒子反复冲击使靶材表面产生加工硬化，提高了材料的弹性极限，当粒子的冲击应力小于材料的屈服强度时，靶材只发生弹性变形；当粒子的冲击应力大于材料的屈服强度时，靶材形成裂纹，会产生弹性变形和塑性变形。他从能量的观点出发，推导出变形磨损量WD 和切削磨损量WC 的代数关系式：
式中，v 为粒子的速度，α是冲击角度，ε、Q 分别为变形磨损系数和切削磨损系数，α0为WC1=WC2时的冲击角度，C 、K 、K1为常数。
2.3 薄片剥落磨损理论
莱维(Levy)及其同事在研究冲蚀磨损的动态过程中发现，不论冲击角度的大小，在粒子的不断冲击下，材料表面受到挤压产生高度变形的小薄片，由于反复的冲击和挤压变形作用，靶材表面形成的薄片将会剥落下来。该理论可以很好的解释塑形材料的冲蚀现象，但对于高温下的冲蚀还有待于进一步研究。
2.4 二次冲蚀理论
Tilly 研究了粒子的破裂对塑性靶材冲击的影响。他认为，当粒子冲击到材料表面时，粒子产生一定程度的破裂，破裂后的粒子会对靶材表面再一次的冲蚀，总冲蚀磨损量为两次之和。该理论很好地解释了脆性粒子的大入射角冲蚀问题。
3 不同工况下流体机械冲蚀磨损特性及相关因素 3.1 磨粒形状对于磨损特性的影响
流体介质在流体机械传输过程中，由于流体中含有的固体介质形状不同，对于流体机械的磨损特性也不同。棱角较260 2015年26期
多的磨粒对于流体机械的冲蚀磨损特性显然更加的厉害，相比于圆形或者椭圆形的磨粒来说，棱角较多的磨粒在同样的冲击角度和冲击力的条件下，是圆形或者椭圆形磨粒对流体机械冲蚀磨损特性的好几倍，通过实验室设备具体测试和观察我们得知，棱角较多的磨粒对流体机械的表面作用力的表现形式主要是切削的方式，而圆形或者椭圆形的磨粒着是犁削变形的方式。
3.2 冲击角度对于磨损特性的影响
这个冲击角度实质上指的是流体中固体粒子冲击流体机械的表面时，固体磨粒的冲击方向和流体机械磨损面形成的夹角，显然，冲击角度的不同对于流体机械的磨损特性也不一样，当然并不是角度越接近于垂直方向磨损就越严重。研究表明，冲击角度对于机械的磨损程度还跟流体机械磨损面的材料有关。对于脆性材料来说，当冲击角度越接近90°的时候，磨损的程度也就越严重，而对于塑性材料来说，冲击角度则有一个中间值，这个值随着不同材料有着一定的差异性，一般在15°-40°之间，造成的磨损情况最为严重。
3.3 磨粒粒度对磨损特性的影响
磨粒粒度是流体机械冲蚀中造成磨损的重要因素，磨粒粒度对于流体机械磨损特性的影响具体表现在两个方面。首先是磨粒尺寸的区别，尺寸的不断增大对流体机械磨损程度不是一直增高，而是存在一个临界值，这个临界值现象的存在就是磨粒的尺寸效应。脆性材料的不同也会影响磨粒对流体机械的磨损程度，不同的脆性材料受到同一种磨粒冲蚀的时候，其磨损特性也不同，遵循的变化规律也是有区别的。除了上述这两种情况的区别，同一种磨粒的由于粒度分布不同，造成的磨损特性也不同，和磨粒粒度的分布有着一定关系。
3.4 固体磨粒冲击速度对磨损特性的影响
不同工况下，流体在流体机械内部流速不一样，磨粒在流体中速度的不同对于流体机械的磨损特性也是有区别的，对于很多低压低速的流体介质来说，流体中含有的磨粒几乎对流体机械没有磨损，磨粒只是在碰到流体机械内壁的时候会发生变形，并且很快得到了恢复，但是当磨粒的冲击速度超过一定数值的时候，对于流体机械的表面磨损程度是成正比的，冲击速度越大那么对流体机械磨损程度也就越严重，不同的材质，这个比例系数也存在差异，实验数据显示，陶瓷材料的系数为3，而金属的显然要小于陶瓷材料为2.55。
3.5 冲击时间对磨损特性的影响
显然，冲击时间越长对流体机械冲蚀的磨损情况也就越严重，冲击时间是流体机械磨损特性中占着非常大比例，冲蚀磨损在受到磨粒冲蚀的前期并不会表现出来，这个过程中有着一个潜伏期，随着冲蚀情况的发生，流体机械的表面也发生了一定的磨损变化，这种变化也加剧了冲蚀的磨损程度，导致冲蚀磨损现象越来越严重。
4 结论
综上所述，流体机械是以流体作为介质来转换能量的机械，其中影响流体机械冲蚀的因素很多，他们之间相互影响，错综复杂，在实际生产中还需要权衡主次，选择合适的材料，正确指导实际生产。
参考文献
[1]庞佑霞, 朱宗铭, 梁亮等. 多种材料的冲蚀与空蚀交互磨损试验装置的研制及应用[J].机械科学与技术,2012,31(1):1-3.
[2]李全胜. 基于流体机械工况的冲蚀磨损特性研究[J].科技致富向导,2012,(24):197.