抗沖磨仿真試驗裝置和試驗方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種抗沖磨仿真試驗裝置和試驗方法。本發(fā)明的目的是提供一種抗沖磨仿真試驗裝置和試驗方法，以提高模擬試驗的真實性和可靠性，同時不受水流速度的影響，理論上可以實現(xiàn)任意合理存在的速度。本發(fā)明的技術(shù)方案是：抗沖磨仿真試驗裝置，其特征在于：它包括帶進水口和出水口的試驗臺，以及置于該試驗臺上、采用被測試抗沖磨材料制成的測試試件，其中測試試件內(nèi)部開設(shè)有水流通道，該水流通道兩端分別與試驗臺的進水口和出水口連通；所述試驗臺的進水口處設(shè)有一進水管，該進水管另一端經(jīng)管道連接無級調(diào)速泵的出水端，試驗臺的出水口連接有消能沉淀裝置，該消能沉淀裝置另一端經(jīng)管道連接無級調(diào)速泵的進水端。本發(fā)明適用于水利水電【技術(shù)領(lǐng)域】。
【專利說明】抗沖磨仿真試驗裝置和試驗方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種模擬表面高速水流沖刷磨損試驗方法，特別是一種抗沖磨仿真 試驗裝置和試驗方法，主要適用于水利水電【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 混凝土過水建筑物，在高速水流沖刷作用下，可能會存在以下三種形式的破壞，分 別是推移質(zhì)破壞、懸移質(zhì)破壞和汽蝕破壞作用；所謂推移質(zhì)就是在水流作用下產(chǎn)生貼底式 的移動，會在水底表面形成一定摩擦力，根據(jù)推移質(zhì)的比重及表面平整性不同，產(chǎn)生不同的 摩擦阻力，對表面產(chǎn)生破壞；所謂懸移質(zhì)就是在水流作用下會在接近底部位置產(chǎn)生跳躍式 的接觸，累積大量的懸移質(zhì)存在，對表面會產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞；汽蝕破壞就是在水流局部流向 發(fā)生突變，有凸起或凹陷處，在突變點的順流方向會產(chǎn)生負壓，負壓值達到一定等級后，會 使液體產(chǎn)生汽化現(xiàn)象，一個個負壓氣泡會在順流而下過程中迅速破滅，每一個氣泡破滅點 所產(chǎn)生的局部水波沖擊破壞力量，其單位能量不亞于子彈的直接沖擊，會對水底表面產(chǎn)生 嚴(yán)重破壞。最常見的破壞形式為懸移質(zhì)及汽蝕破壞，產(chǎn)生的原因為含泥沙水流及過水建筑 物表面不平整導(dǎo)致的破壞。
[0003] 隨著清潔能源需求的增長，作為清潔能源之一的水力發(fā)電也獲得蓬勃發(fā)展，其排 沙泄洪洞，導(dǎo)流洞，溢洪道等過水建筑物表面的沖磨破壞一直困擾工程建設(shè)者，始終沒法有 效解決，只有采取不斷修補，不斷更新表層材料的形式維持運行，為此數(shù)十年來國內(nèi)外相關(guān) 科研單位開展了名目眾多的抗沖磨材料及抗沖磨試驗設(shè)備的研究工作，以期尋找一種合適 的材料及工藝來延緩或徹底杜絕破壞的發(fā)生。
[0004] 表示抗沖磨性能的標(biāo)準(zhǔn)，國家沒有發(fā)布過，目前只有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，且多種標(biāo)準(zhǔn)同時存 在的局面，分別是水下圓環(huán)法，水下鋼球法及含水風(fēng)砂槍法，由于方法不同，最終形成的磨 損單位也不同，方法與方法之間沒有可比性，對抗沖磨材料的生產(chǎn)研發(fā)單位來說，引用標(biāo)準(zhǔn) 困難，也不利于國家在抗沖【技術(shù)領(lǐng)域】的提高。
[0005] 水下圓環(huán)法是一種采用圓環(huán)形試件，在圓心位置采用齒輪帶動水流，對圓環(huán)內(nèi)表 面不斷沖刷的抗沖磨模擬裝置，其缺點為模擬的表面只能是圓弧形，與實際情況大多數(shù)為 直線型不符，此外齒輪高速轉(zhuǎn)動時，水在離心作用下，會被甩出齒輪，特別是提高線速度至 20m/s以上時，會形成空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在測試過程中的一個現(xiàn)象可以反映出來，就是試件磨耗值 在越高轉(zhuǎn)速下，反而變小的現(xiàn)象，限制了高流速的模擬試驗研究，目前采用補救的方法是對 齒輪內(nèi)空間進行加壓處理，在經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)擬合，以不同壓力下等同于多少流速來說明 材料的抗沖磨等級，因此高流速下的抗沖磨性能指標(biāo)說服力較差。
[0006] 水下鋼球法是一種采用高速攪拌軸的形式，帶動水中的鋼球，對置于底部的圓形 試件進行沖磨試驗，其缺點為破壞形式只能在圓形試件的外圈，由于在離心力的作用下，鋼 球會被甩到桶形裝置的壁上，使鋼球之間產(chǎn)生堆積、擠壓及碰撞，因此破壞也只能在外圈產(chǎn) 生，能在較低流速下模擬出材料的相對磨耗值，一般最高模擬流速不能大于l〇m/s，失去了 模擬高速水流破壞的意義。
[0007] 含水風(fēng)砂槍法是一種采用轉(zhuǎn)動圓環(huán)形試件，在圓心位置采用噴射加氣加砂水流， 對圓環(huán)內(nèi)表面不斷沖刷的抗沖磨裝置，其缺點為只能靠噴嘴形成的點或線性接觸表面，水 流與圓環(huán)內(nèi)表面存在一定夾角，在噴的同時，水會產(chǎn)生反彈，也不能反映汽蝕破壞。
[0008] 現(xiàn)有的以上三種主流的抗沖磨試驗方法，只能適用于對不同材料的抗沖磨比較判 定上，而對于是否能真實反映實際沖磨破壞情況上都存在一定不足。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：針對上述存在的問題提供一種抗沖磨仿真試驗裝置 和試驗方法，以提高模擬試驗的真實性和可靠性，同時不受水流速度的影響，理論上可以實 現(xiàn)任意合理存在的速度。
[0010] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：抗沖磨仿真試驗裝置，其特征在于：它包括帶進水 口和出水口的試驗臺，以及置于該試驗臺上、采用被測試抗沖磨材料制成的測試試件，其中 測試試件內(nèi)部開設(shè)有水流通道，該水流通道兩端分別與試驗臺的進水口和出水口連通；所 述試驗臺的進水口處設(shè)有一進水管，該進水管另一端經(jīng)管道連接無級調(diào)速泵的出水端，試 驗臺的出水口連接有消能沉淀裝置，該消能沉淀裝置另一端經(jīng)管道連接無級調(diào)速泵的進水 端。
[0011] 所述消能沉淀裝置包括沿水流方向依次連通的消能管道、第一沉淀池和第二沉淀 池，其中消能管道進水端與試驗臺的出水口相連，第二沉淀池的出水端與無級調(diào)速泵的進 水端相連。
[0012] 所述進水管上連有一與混砂水池相連的進水支管。
[0013] 所述水流通道呈直線等徑棒形、直線變徑棒形、T形或L形。
[0014] 所述水流通道表面制有用于模擬氣蝕的凹凸部。
[0015] 所述試驗臺包括實驗臺主體、可滑動安裝于試驗臺主體上以適應(yīng)不同尺寸測試試 件的滑塊，以及安裝于滑塊上用于實現(xiàn)其與試驗臺主體之間鎖緊定位的螺栓；所述試驗臺 的進水口直徑小于出水口直徑。
[0016] 所述無級調(diào)速泵和進水管之間的連接管道上分別設(shè)置有壓力表和管道流量計。
[0017] 所述消能管道呈進水端直徑小于出水端直徑的喇叭狀，其中進水端設(shè)置有擋流 板。
[0018] 抗沖磨仿真試驗方法，其特征在于，包括：
[0019] S1、將采用被測試抗沖磨材料制成的測試試件置于試驗臺上，并保證試驗臺進水 口、測試試件水流通道、試驗臺出水口所成通道的密封性；
[0020] S2、利用無級調(diào)速泵調(diào)整水流流速，使水流在設(shè)定時間內(nèi)以某一固定流速對水流 通道內(nèi)壁進行沖磨；
[0021] S3、檢查測試試件水流通道內(nèi)表面是否發(fā)生破壞，若是，轉(zhuǎn)至步驟S4;若否，則轉(zhuǎn) 至步驟S2提高水流流速；
[0022] S4、記下產(chǎn)生破壞時的壓力、時間和流量，作為被測抗沖磨材料臨界破壞點的參 數(shù)。
[0023] 所述仿真試驗方法還包括：
[0024] S5、將另一個同期制作的相同測試試件置于試驗臺上，控制水流以臨界破壞點的 流速扣除設(shè)定安全系數(shù)后的流速運行一定時間后，若測試試件水流通道內(nèi)表面仍完好，則 將所述臨界破壞點的流速扣除設(shè)定安全系數(shù)后的流速作為被測試抗沖磨材料的適應(yīng)水流 流速。
[0025] 本發(fā)明的有益效果是：1、本發(fā)明采用被測抗沖磨材料制成測試試件，并且該測試 試件內(nèi)部水流通道可根據(jù)需要設(shè)計成不同的形狀，同時利用大流量無級調(diào)速泵提供足夠的 可控壓力流來模擬自然狀態(tài)下的高速水流，能夠更加真實的反映不同介質(zhì)材料在高速水流 作用下的臨界沖磨破壞，根據(jù)設(shè)計水流要求，確定適宜安全運行流速。2、所模擬的水流速度 可實現(xiàn)精確無級調(diào)速，解決因設(shè)備的局限性而使裝置在高流速和低流速狀態(tài)下，所模擬出 來的效果會不同的問題。3、通過更換不同的測試試件，在同一套裝置內(nèi)能夠收集出多樣的 數(shù)據(jù)，例如不同水流速度下的清水沖磨，氣蝕沖磨、含砂沖磨以及各種拐彎形成的亂流沖磨 等效果；也可以模擬同一水流速度下不同被測抗沖磨材料的臨界破壞點。4、測試試件制作 簡單，只需澆鑄成型，尺寸小，以半?；蛞惑w澆鑄即可，且檢查方便。5、模擬水流方向和水流 通道表面一致，各種缺陷狀況一目了然，易于量化和推廣應(yīng)用。6、裝置構(gòu)造簡單，除了泵送 設(shè)備（無級調(diào)速泵）需要提供穩(wěn)定、持續(xù)的泵送能力外，其它部件，能夠輕易的被制造出來。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1是本發(fā)明試驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027] 圖2是本發(fā)明T形水流通道示意圖。
[0028] 圖3是本發(fā)明直管形水流通道示意圖。
[0029] 圖4是本發(fā)明用于模擬氣蝕破壞的水流通道示意圖。
[0030] 圖5是本發(fā)明變徑水流通道示意圖。
[0031] 圖6是本發(fā)明測試試件的截面圖。
[0032] 圖7是本發(fā)明試驗臺的結(jié)構(gòu)圖。

【具體實施方式】
[0033] 本發(fā)明采用大流量無級調(diào)速泵提供穩(wěn)定的可控壓力流來模擬自然狀態(tài)下的高速 水流，利用高速水流通過直線型小口徑通道，可等效于有限元分解后高流速水流通過大型 隧洞時產(chǎn)生的界面破壞效果的原理，由大功率可無級調(diào)速泵送設(shè)備抽水，靠設(shè)備產(chǎn)生的高 壓力使水流快速通過測試試件的小口徑水流通道，來模擬自然泄洪時的壓力流對表面的破 壞，改變水流通道表面的平整性及同一試件的變直徑處理，可以模擬出氣蝕的產(chǎn)生過程，及 一個試件模擬出不同流速；利用虹吸原理，可以通過進水支管添加砂子（例如：剛玉砂）來 模擬挾砂水流試驗。
[0034] 如圖1、圖6所示，本實施例包括帶進水口和出水口的試驗臺5,以及置于該試驗臺 上、采用被測試抗沖磨材料制成的測試試件4,其中測試試件4內(nèi)部開設(shè)有水流通道3,該水 流通道兩端分別與試驗臺5的進水口和出水口連通；所述試驗臺5的進水口處設(shè)有一進水 管2,該進水管另一端經(jīng)管道連接無級調(diào)速泵1的出水端，試驗臺5的出水口沿水流方向依 次連有消能管道6、第一沉淀池7和第二沉淀池8,第二沉淀池8的出水端與無級調(diào)速泵1的 進水端相連，形成一個循環(huán)。所述無級調(diào)速泵1和進水管2之間的連接管道上分別設(shè)置有 壓力表9和管道流量計10 ;所述試驗臺5的進水口和出水口均為孔狀結(jié)構(gòu)，且進水口直徑 小于出水口直徑；所述消能管道6呈進水端直徑小于出水端直徑的喇叭狀，材質(zhì)可軟可硬， 其中進水端設(shè)置有一層或多層擋流板，對水能進一步消能。
[0035] 所述進水管2上連有一與混砂水池相連的進水支管2-1，實際應(yīng)用中可以利用虹 吸原理將砂料添加進去，以模擬挾砂水流試驗。
[0036] 根據(jù)實際情況需要，可以將所述水流通道3設(shè)計成如圖2所示的T形，也可以設(shè)計 成圖3所示的直線等徑棒形，也可以設(shè)計成圖5所示的直線變徑棒形，也可以設(shè)計成L形等 其他形狀；如圖4所示，還可以在水流通道3表面制造出被標(biāo)準(zhǔn)化的各種缺陷（凹凸部）， 來模擬氣蝕的發(fā)生和破壞。
[0037] 如圖7所示，所述試驗臺5包括實驗臺主體5-1、可滑動安裝于試驗臺主體5-1上 以適應(yīng)不同尺寸測試試件4的滑塊5-2 (作為試驗臺的出水端），以及安裝于滑塊5-2上用 于實現(xiàn)其與試驗臺主體5-1之間鎖緊定位的螺栓；實際應(yīng)用中，可以通過調(diào)整滑塊5-2的位 置來適應(yīng)不同尺寸的測試試件4。
[0038] 本發(fā)明抗沖磨仿真試驗方法，包括：
[0039] S1、將采用被測試抗沖磨材料制成的測試試件4置于試驗臺5上，并保證試驗臺5 進水口、測試試件水流通道3、試驗臺5出水口所成通道的密封性。所述測試試件4采用模 具澆筑成半模或整模，以棒形磨具精確定位出澆筑體的中心位置（即定位出水流通道的位 置）；對于半模，脫模后可以拼接成測試試件水流通道3,置于試驗臺5上，半模合?？p及測 試試件4兩端擠壓縫，采用薄層橡膠片墊襯密封，由螺栓擠緊測試試件4于試驗臺5上；對 于整模，脫模后直接將測試試件4置于試驗臺5上，在兩端與試驗臺5的接縫處，采用薄層 橡膠片墊襯密封，由螺栓擠緊測試試件4于試驗臺5上。
[0040] S2、利用無級調(diào)速泵1調(diào)整水流流速，使水流在設(shè)定時間內(nèi)以某一固定流速對水 流通道3內(nèi)壁進行沖磨。沖磨過程中，水流由試驗臺5的進水口進入測試試件4的水流通 道3,對其內(nèi)壁進行沖磨，水流從水流通道3射出后，進入消能管道6,消能降低流速后進入 第一沉淀池7沉淀，上層清液由管道導(dǎo)入第二沉淀池8繼續(xù)沉淀后，再次被大流量無級調(diào)速 泵1虹吸管抽入管道，實現(xiàn)連續(xù)循環(huán)的抗沖磨試驗測試。
[0041] S3、檢查測試試件水流通道3內(nèi)表面是否發(fā)生破壞，若是，轉(zhuǎn)至步驟S4 ;若否，則轉(zhuǎn) 至步驟S2提高水流流速。
[0042] S4、記下產(chǎn)生破壞時的壓力、時間和流量，作為被測抗沖磨材料臨界破壞點的參 數(shù)。
[0043] S5、將另一個同期制作的相同測試試件4置于試驗臺5上，以臨界破壞點的各種參 數(shù)，控制水流以臨界破壞點的流速扣除設(shè)定安全系數(shù)后的流速運行一定時間后，若測試試 件水流通道3內(nèi)表面仍完好，則將所述臨界破壞點的流速扣除設(shè)定安全系數(shù)后的流速作為 被測試抗沖磨材料的適應(yīng)水流流速。例如，被測抗沖磨材料臨界破壞點的流速為30m/s，安 全系數(shù)為30%，則按照30*(1-30% ) = 21m/s的流速進行測試，在運行一段時間后，若測試 試件水流通道3內(nèi)表面仍完好，則可認(rèn)定該被測抗沖磨材料適合應(yīng)用于21m/s以下流速的 過水建筑物表面抗沖磨保護。
【權(quán)利要求】
1. 一種抗沖磨仿真試驗裝置，其特征在于：它包括帶進水口和出水口的試驗臺（5)，以 及置于該試驗臺上、采用被測試抗沖磨材料制成的測試試件（4)，其中測試試件（4)內(nèi)部開 設(shè)有水流通道（3)，該水流通道兩端分別與試驗臺（5)的進水口和出水口連通；所述試驗臺 (5)的進水口處設(shè)有一進水管（2)，該進水管另一端經(jīng)管道連接無級調(diào)速泵（1)的出水端， 試驗臺（5)的出水口連接有消能沉淀裝置，該消能沉淀裝置另一端經(jīng)管道連接無級調(diào)速泵 (1)的進水端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗沖磨仿真試驗裝置，其特征在于：所述消能沉淀裝置包括 沿水流方向依次連通的消能管道（6)、第一沉淀池（7)和第二沉淀池（8)，其中消能管道（6) 進水端與試驗臺（5)的出水口相連，第二沉淀池的出水端與無級調(diào)速泵（1)的進水端相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的抗沖磨仿真試驗裝置，其特征在于：所述進水管（2)上 連有一與混砂水池相連的進水支管（2-1)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的抗沖磨仿真試驗裝置，其特征在于：所述水流通道（3)呈 直線等徑棒形、直線變徑棒形、T形或L形。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的抗沖磨仿真試驗裝置，其特征在于：所述水流通道（3)表 面制有用于模擬氣蝕的凹凸部。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的抗沖磨仿真試驗裝置，其特征在于：所述試驗臺（5)包 括實驗臺主體（5-1)、可滑動安裝于試驗臺主體（5-1)上以適應(yīng)不同尺寸測試試件（4)的滑 塊（5-2)，以及安裝于滑塊（5-2)上用于實現(xiàn)其與試驗臺主體（5-1)之間鎖緊定位的螺栓； 所述試驗臺（5)的進水口直徑小于出水口直徑。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的抗沖磨仿真試驗裝置，其特征在于：所述無級調(diào)速泵（1) 和進水管（2)之間的連接管道上分別設(shè)置有壓力表（9)和管道流量計（10)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的抗沖磨仿真試驗裝置，其特征在于：所述消能管道（6)呈 進水端直徑小于出水端直徑的喇叭狀，其中進水端設(shè)置有擋流板。
9. 一種抗沖磨仿真試驗方法，其特征在于，包括： 51、 將采用被測試抗沖磨材料制成的測試試件（4)置于試驗臺（5)上，并保證試驗臺 (5)進水口、測試試件水流通道（3)、試驗臺（5)出水口所成通道的密封性； 52、 利用無級調(diào)速泵（1)調(diào)整水流流速，使水流在設(shè)定時間內(nèi)以某一固定流速對水流 通道（3)內(nèi)壁進行沖磨； 53、 檢查測試試件水流通道（3)內(nèi)表面是否發(fā)生破壞，若是，轉(zhuǎn)至步驟S4 ;若否，則轉(zhuǎn)至 步驟S2提高水流流速； 54、 記下產(chǎn)生破壞時的壓力、時間和流量，作為被測抗沖磨材料臨界破壞點的參數(shù)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的抗沖磨仿真試驗方法，其特征在于，還包括： 55、 將另一個同期制作的相同測試試件（4)置于試驗臺（5)上，控制水流以臨界破壞點 的流速扣除設(shè)定安全系數(shù)后的流速運行一定時間后，若測試試件水流通道（3)內(nèi)表面仍完 好，則將所述臨界破壞點的流速扣除設(shè)定安全系數(shù)后的流速作為被測試抗沖磨材料的適應(yīng) 水流流速。
【文檔編號】G01N3/56GK104089841SQ201410322654
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月8日
【發(fā)明者】吳啟民, 徐棟, 劉德明, 林忠華, 王麗娟, 譚建平 申請人:杭州國電大壩安全工程有限公司