喷射式混凝土冲磨试验机研制与冲磨试验分析.pdf
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1、第 4l卷 第 2 4期 2 0 1 0年 1 2月 人 民 长 江 Ya ng t z e Ri v e r Vo 1 41 No 2 4 De e 2 01 0 文章编号 : 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 0 ) 2 4 0 0 8 6 0 4 喷射式混凝土冲磨试验机研制与冲磨试验分析 李 浩 平 , 张 涛 , 李 峰 ( 1 三峡大学 水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室 , 湖北 宜 昌 4 4 3 0 0 2 ; 2 三峡大学 土 木水 电学院 湖 北 宜 昌 4 4 3 0 0 2) 摘要 : 介绍 了混凝土抗 冲刷磨损试验 中的旋转喷射 式试验原理 , 并根
2、据此原 理研 制 了旋转喷射 式混凝土抗 冲 耐磨试验机 。通过与现有冲磨机 的比较 , 该试验机 的模拟 冲刷过 程更接近混凝 土真 实的受冲刷环境 , 并且 可 以实现不 同冲刷条件下一定范围 内的任 意冲刷速度调节。试验 结果表 明, 该试验机冲刷速度 高, 冲磨效果好 , 利用该机 能够有效地对不 同配合比混凝 土的抗 冲磨性能作 出比较 。 关键词 : 旋 转 喷射 ;混 凝 土 ;抗 冲 磨 试 验机 ;冲 磨 试验 中图法分类号 : T V 5 3 6 文献标志码 : A 我国的江河水流特点之一是含沙量 比较大 , 高速 含沙水 流对水工 建筑 物的 冲击 、 摩擦 及切 削等作
3、用 , 使 建筑物表 面受 到磨损 , 当损 害 达到 一 定程 度 后 就会 对 建筑物构 成威胁 。 因而掌握 含沙水 流对混 凝土建 筑物 的磨损腐蚀原理和研究方法 , 无论对已建水 电站 、 电灌 站, 还是今后在多泥沙河流上兴建新的水电站 , 都是一 个 关 系到安全发 电 、 供 水的关 键技术 问题 。 含泥 沙河 流上水 利 建筑 物 多 为混 凝 土结 构 , 其 主 要 失效形 式之一 是过 流表 面由于高 速含泥 沙水流 冲刷 磨损造成的材料损失 、 破坏 , 因此 , 常把不 同配合 比混 凝 土材料 的磨损 失重 的对 比试 验结 果作为研 究混凝 土 材 料配 比的
4、一个 重要依 据 。获得不 同冲刷 条件 和不 同 冲刷速度下混凝土抗冲磨能力的数据 , 对探索混凝土 的破坏机 理和研 究混凝 土 的最 佳配 比以及 材料 的最 优 利 用具有 十分重 要 的意义 。 本文介绍的新型旋转喷射式抗 冲耐磨试验机, 系 采 取喷嘴 喷射速 度和试 件旋转 速度两 者矢量 叠加获 得 冲刷速度的方式 , 方便地实现了大范围内无级调速的 目的 : 速度 调节 范 围 可 达 l 0 9 0 m s , 冲刷 方 式 接 近 绕流磨损 , 与真实磨损情况相似。与现有的搅拌式和 射 流式试验 设备相 比, 极 大地改 善 了冲刷 效果 , 提高 了 试验效 率 。 1
5、 混凝土抗冲耐磨试验机的工作 原理 常用 的材料磨 损 失重 对 比室 内试 验 方法 , 是 利 用 空气 或水携 带磨粒 ( 一般 为沙 粒 或钢 球 ) 向试件 扫射 , 从而检验材料的抗磨性。目前抗冲耐磨试验机常用的 试验原理有旋转射流式和旋转喷射式两种。 1 1 旋转射流式冲磨机工作原理 目前 国内水工 实验室 普遍使 用 的是采用 旋转射 流 式试 验原理 的混凝 土 冲磨 试验机 。它 的工作 原理是 用 螺旋轴( 或水泵) 将含沙水提升起来 , 然后通过高速旋 转的冲刷叶片带动 , 将水沙 以一定的速度和压力扫射 到四周 固定好的混凝土试件表面, 使试件受冲磨, 以模 拟混凝
6、土建 筑物实 际受 冲刷状况 。 图 1 为 国 内某水 工实验 室 的旋 转射 流式 冲磨 机 工 作部 分结构 图 。本 装置 采 用 的是 机 械传 动方 式 , 结 构 简单 , 但是冲刷方向不易确定, 冲刷速度只能进行有级 调速 , 不能获得所需要的任意速度 , 且受电机转速和性 能 的限制 , 速度 较低 , 一般 只 能达 到 2 03 0 m s , 最 高 到 4 0 m s , 调 速范 围狭窄 。 1 2 旋转喷射式冲磨机 工作原理 经过分析 比较 , 本设计决定采用旋转喷射式试验 收稿 日期 : 2 0 1 0 0 3 2 0 作者 简介 : 李浩平, 女 , 副教授
7、, 硕士 , 主要研 究方 向为机械制造及 自动化。Em a i l : l h p l h p 1 2 6 e o m 第 2 4期 李浩平 , 等: 喷射 式混凝土冲磨试验机研 制与冲磨试验分析 8 7 原理 。根据 该原 理设 计 的旋转 喷射 式 冲磨机 试验 如 图 2所示 : 将 试件 固定 在一 个 可 以旋转 的 圆盘 上 , 通 过 喷 嘴 以一 定速 度 喷射含 沙 水 流 , 扫 射 到 混 凝 土试 件表 面 使 试件受 损 。 混凝土试件 图 1 某 买 验 室 的 旋 转 射 流 式 冲 厝 机 工 作 部 分 结 构 本 设计 中 , 试 件 受 冲刷 的速 度
8、即试 件 表 面 承受 的 相对水 流速 度是 由喷嘴喷 射速 度 和试件 旋转 速度 共 同 决定 的 , 为 两者 的矢量 和 。即 : 冲 刷 = V 喷 射 + 旋 转 ( 1 ) 喷嘴喷射速度 射和试件旋转速度 转均可调 节 , 且通 过调 节水 压可 实现 喷嘴 喷射 速度 的无 级调 速 , 所 以本试 验机 的试 验 速 度 栅 可 实 现无 级 调速 。同 时 , 该装 置 冲刷 速 度大 , 调速 范 围大 , 可 以达 到 1 0 9 O ms 图 2旋 转 喷射 式 冲厝 试 验 装 置 原 理 2 喷射式混凝土冲磨机总体结构设计 设 计完 成 的 喷 射 式 混 凝
9、土 冲 磨 机 ( 以 下 简 称 本 机 ) 总体 结 构 由液 压 喷 射 系统 、 试 件 旋 转传 动 系 统 、 箱 体支撑 系统 3部 分组成 。 2 1液压 喷射 系统 液压喷射系统是完成试件喷射冲击 的主要部分 , 包括 : 水泵、 浑水箱 、 流量计 、 控制阀、 管道 、 喷射头等。 喷射系统 主要通 过喷射含沙水流对试件进行 喷射冲 击 , 可进行冲刷速度的小范围调节 , 为了保证适 当的冲 刷速 度 和冲击 力 , 一般 喷射 速度 在 1 0 3 0 m s范 围内 调节 。喷 射系统 动 力 采 用浑 水 水 泵 , 速 度 和 压 力 通过 节流 阀控 制 , 喷
10、 射速 度 可 通 过 流 量 和喷 头 口径 计算 得 出, 进而通过控制水的流量达到调节喷射速度的目的。 喷射系统中完成含沙水流输送和循环的动力装置 为水泵 。本 设计 中水 泵 工 作 环 境 为 含 沙水 , 含 沙水 流 对 水泵 叶轮 磨损 比较 严重 , 故 选用 浑水 泵 , 具 体 型号为 Q WB型潜水 浑水 泵 。 液 压 系统 中 控 制 阀分 为 流 量 控 制 阀 和 截 止 阀两 种 。为 了维 护和 检修 射 流 喷 头 , 水 泵 上 应 安装 截 止 控 制 总 阀。流 量控 制 阀通过 控制 溢流 回路 的流 量来控 制 射流的流量 , 从而控制射流速度和
11、射流压力 , 故选用溢 流阀。由于管内液体为含沙水流, 对调节阀有磨损 , 所 以要 选用 明杆 调 节 阀而 避 免 选 用 暗杆 调 节 阀 , 本 装 置 根据 相关 手册 选 用带 双调 节圈 的全启 安全 阀 。 测量 流量 的 流量计 采用 电磁 计 。流量 的大 小通过 被 测参 数 电路感 应 电动势 来 表 示 , 显示 测量 仪表 为 电动势指示仪。 液压喷射系统结构如 图 3所示 。 图 3液 压 喷射 系 统 结 构 不 惫 2 2试 件旋转传动 系统 试 件旋 转传 动 系统包 括 电动机 、 机 械传 动部分 、 试 件托盘等部分。 该 部分 主要 用 于试 验 机
12、 试 件 的旋 转传 动 , 也 就 是 进行主速度的传递与调节 , 因而对其传动速度 和速度 调 节要 求都 比较 高 。 由于 受 整 体 结 构 影 响 , 该 部 分 安 装 比较特殊 , 结构也较紧凑, 因而设计中应缩短传动链 而采用直接输出的方式。根据计算 , 选用 S E W 变速器 与机械 调速 减速 电机 , 它 由 S E W 变 速 器 、 S E W 电机 和 8 8 减 速器组成 。可 以通 过 手轮 或 者链 轮 来 调 速 , 也 可 以 采用 伺服 电机遥控 。本设 计 中转速 调节机 构为手 柄手 动调 节 , 该 电机 附加转速 数字显 示表 , 因而 可
13、以根据需 要方 便地调 节速度 的大小 。 试件外 表面线 速度 可按下 式计 算 : V = 1 T D0Z ( 2 ) 式 中 , I , 为试 件 外 表 面线 速 度 , m s ; D 为 试 件 外 径 , m; n为变 速 电动机转 速 , r s 。 机 械传 动 系统 为 该 试 验 装 置 托 盘 速 度 主 调 节 部 分 , 为减 少功 率损 失 , 缩 小 结 构 尺寸 , 传 动 过 程采 用 电 机通过联轴器直接传递给托盘轴的形式。通过调节 电 机的输出速度就可以在一定范围内对试件的旋转速度 进行调节。没计确定试件受冲刷面范围为从外表面向 内 3 0 mm处 ,
14、其 最大线 速度 为 6 0 m s 。 试 件托盘 主要用 来 承 载 试块 , 试 验 用 的 试块 可 以 是 圆环状 试件 , 或是 多个 ( 45个 ) 边 长 为 1 5 0 m m 的 立方体试件 , 均布在托盘环槽内, 采用底部环槽和背面 螺栓共同定位。为了增加托盘的刚度 , 又不影 响转动 惯量 , 可以在其上适当开几个孔 , 这样不仅可以减少质 量和不 必要 的磨 损 , 而且 射 流 水 和 沙可 以从孔 中直 接 流 向排 水管道 , 进 入浑水箱 中循 环使用 。 2 3 箱体支撑 系统 箱体支撑系统包括支撑箱体 、 喷射箱 、 浑水箱等三 大部分。主要用于支撑和包容
15、机械传动系统 、 喷射系 统、 水沙浑水 系统等部分 , 箱 体结构 紧凑 、 高度适 宜 ( 装配 总高 1 2 5 0 m m) 、 操作 方便 , 箱体稳 定性 好 , 安 全 系数高 , 加工 和安装 方便 , 经济性好 。 支撑箱体主要用于支撑 S E W 电动机和机械传动 系统。由于结构较复杂 , 整体式箱体铸造起来有很大 难度 , 所以设计采用上下分体式结构, 先分体铸造, 然 后 采用焊 接和螺 栓连 接方式 连接 。 喷射 箱用 于支 撑 试件 、 试 件 托 盘及 喷 射 系 统 。由 于试验 中使用 高压水 喷 射 , 因 此试 验 中会 产生 大 量 的 水汽, 所以要
16、求试验在密闭环境中完成 , 因此喷射箱必 须密封 良好 。喷射箱 结 构设 计 为 上 部 圆柱 、 下 部 圆 锥 状 , 以便水沙向排水管 口流动 ; 箱体上部加盖容器盖 , 容器盖和容器罐靠螺栓连结, 采用橡胶密封 圈密封 。 喷射箱体安装在上支撑箱体 内部 , 两者之问采用螺 栓 连 接 。 浑水 箱用 于容纳水 沙混合 物 。受结构 整体 尺寸 以 及 经济性 的影 响 , 水箱 的结构 尺寸 不可设计 太大 , 但水 箱的容量应该保证水泵连续不问断的供水 , 设计浑水 箱 容积约 为 0 6 m , 该 设计 不 仅 可 满 足 喷 射 要 求 , 且 可保 证短周 期水 流循环
17、, 从而保 证 泥沙水混 合均 匀 , 避 免 泥沙沉 积 。 该 冲磨机 的整体 装配结 构及 箱体结 构见 图 4 。 图 4冲屠 机 整 体 装 配 示 惹 含沙 高速水 流 冲磨 混 凝 土 试 件 时 将 产 生 大 量 热 量, 因此在浑水箱底部设置了循环冷却水管, 冷却水由 制冷 装置产 生 , 用水 泵经 水管 送入浑 水箱 内 , 再送 回冷 却箱 , 形成冷却水循环系统。含沙水中的大部分热量 通过 循环 冷却水带 走 , 保 证 喷射 腔 温度 控 制在 4 0 以 下 , 确保试 验顺利进 行 。 3 试验数据处理及冲磨效果分析 3 1 试验试件 标 准试 件为高 度为
18、1 5 0 m m 的 圆环 状试 件 或边 长 为 1 5 0 mm的立方体试件 , 调试阶段均采用 1 5 0 m m 1 5 0 mm1 5 0 mm 的立 方体试 件 。 3 2 试验 介质 冲磨剂 为 冲磨 质和水 的混 合物 。冲磨质 选用 粒径 0 5 0 8 5 mm的石 英标准 砂 。 3 3 试验过程 安 装试件 后 , 根 据设 计 的冲 刷 速度 调 整试 件 旋 转 速度及喷嘴喷射速度 , 每次冲磨 3 0 m i n后停机 , 取出 试 件 , 用清水 冲洗 干净 , 擦 去 表 面水 分 后称 量 , 再 次 重 新 安装 试件 , 以相 同速度重 复试 验多 次
19、 , 以获 得单一 冲 刷速度下的混凝土失重累积值 数据 , 根据失重值来计 算 混凝 土抗 冲磨强 度 或 磨损 率 。再 更 换试 件 , 调 整 不 同冲刷速度 , 重复试验 , 以获得不 同冲刷 速度下的混 凝 土抗 冲磨强 度或 磨 损率 , 进 行 对 比分 析 。抗 冲磨 强 度 计算式 为 : ,一 T A r 、 J o M 式 中, 为抗冲磨强度 , 即单位面积上被磨损单位质 量 所需 的时 间 , h ( k g c m ); A M 为 经 时段 冲磨后 , 试 件损失 的 累计质 量 , k g ; T为试 验 累计 时 间 , h ; A为 第 2 4期 李浩平,
20、等 : 喷射武混凝 土冲磨试验机研制 与冲磨试验 分析 8 9 试 件受 冲刷 面积 , 即 圆环 形 试 件 的外 表 面 积 或 立 方 体 的外表 面积 。 磨 损率 按照 下式 计算 : = 式 中, 为磨损率 , ; M。为试验前试件质量 , k g ; M, 为试验 后试 件质 量 , k g 。 3 4 不 同冲刷 速度对混凝土 冲磨效 果比较 该冲磨 机可按 照 水 工混 凝 土试 验规程 ( D L T 5 1 5 0 0 1 ) 中的混凝土抗含沙水流 冲刷试验要求 , 模 拟高速含沙水流对混凝土表面的冲刷情况 , 内容包括 : 不同冲刷速度水流对混凝土的冲磨效果 比较 ,
21、冲刷速 度在 1 09 0 m s 范 围 内任 意 可 选 ; 冲 刷 速 度 4 0 m s 时 , 不 同强度 等级 的混凝 土抗 冲磨性 能 比较 ; 冲刷 速度 4 0 m s 时 , 不 同骨 料 的混凝 土 抗 冲磨性 能 比较 。本 文 只给出不 同冲刷速 度下 相 同配合 比混凝 土试 件 的抗 冲 磨试 验数 据 , 以 比较 冲磨 效 果 。 在本 次试 验 中 , 冲磨 对 比试 验 的 冲 刷 速度 分 别 为 3 0 , 4 0 , 5 0 m s 。试 验 试 件 采 用 的是 某 工 程 用 的掺 HF 抗 冲磨剂 混凝 土 , 其 配合 比见表 1 。 表 1
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- 喷射式 混凝土 试验 研制 分析
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