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专利名称：高速水下钢球法冲磨试验方法
技术领域：
本发明涉及耐磨材料及其制品的耐磨性能测试技术。具体涉及一种高速水下钢球法冲磨试验方法。
背景技术：
DL/T 5150《水工混凝土试验规程》、SL 352《水工混凝土试验规程》等标准中采用的水下钢球法抗冲磨试验是用来测定耐磨材料及其制品表面受水下高速流动介质磨损的相对抗力，用来评价耐磨材料及其制品表面的相对抗冲磨性能。该方法中，驱动电机转速为 1200 r/min，搅拌叶轮直径上小下大，搅拌叶轮上的侧叶片宽度上小下大，冲磨介质采用钢球，其直径组合为IOX Φ 25. 4mm、35 X Φ 19. 1mm、25 X Φ 12. 7mm，其投影面积占试件上表面积的25. 8% ；每个试件的冲磨试验时间需要72小时。上述标准的水下钢球法试验，因驱动电机转速较低，试件上表面的水流近底流速只有 1.8m/s (Τ. C. Liu, Abrasion resistance of concrete, Journal of ACI,1981),而目前水电站的泄水流速高达40m/s 50m/s，这时的近底流速均大于4m/s，因此上述标准的水下钢球法试验不能准确模拟真实工况；其次，随着高性能耐磨材料及其制品的应用，标准的水下钢球法在72小时内，只能磨到耐磨材料及其制品的表面，不能磨到其内部，易受到耐磨材料及其制品表面质量的影响，反映不出耐磨材料及其制品整体的抗冲磨性能，例如， 对于抗压强度> 50MPa的抗冲磨混凝土，磨损深度一般不到2. 0mm，且试件中央平均有直径 IOcm的区域不能被磨到。试验表明，单独依靠提高驱动电机转速，虽然可以提高钢筒内水体的表面水流速度，但难以提高水流的近底流速。单纯提高驱动电机转速后，产生的问题主要有
问题1 搅拌叶轮在驱动电机高转速带动下，在钢筒内的水体中形成直径与搅拌叶轮直径相当的漩涡，水体难以形成整体性紊流，导致冲磨介质难以磨到处在搅拌叶轮直径范围内的试件中央部分，具体而言，往往只在试件上表面外沿产生一条约20mm 40mm宽的环形磨蚀沟槽。问题2 水易从钢筒内漏出或溅出，水量减少后不足以带动冲磨介质移动并产生冲磨作用。具体而言，冲磨进行3 4小时后钢筒内的水量就减少一半以上。问题3 标准方法下成型的试件在高速水流冲磨过程中，冲磨不到10小时，即会被高速水流掀起，损坏搅拌叶轮和设备，并给操作人员带来危险。例如，本申请人在本发明设备研发调试过程中曾经因此损坏了 3个搅拌叶轮。问题4 标准方法规定的冲磨介质粒径偏小、自重较低，在高速水流作用下容易悬浮；冲磨介质的投影面积占试件上表面积的比例偏小，与试件上表面的冲磨接触机会相应较少；对试件底面的磨损率较低，例如，对强度等级为C30、骨料为灰岩的28d龄期混凝土试件，冲磨48小时内试件每m2单位面积上磨损Ikg所需的平均之间为3小时左右，且磨损不均勻，试件中央平均约有直径7cm的圆形区域不能被磨到。现有技术中，尚未有解决上述问题的技术方案。因此，需要一种新型的抗冲磨试验方法及其设备，能模拟高速水流下流动介质对耐磨材料及其制品的冲磨工况，反映出耐磨材料及其制品的整体抗冲磨性能。

发明内容
针对标准水下钢球法水流速度较低的问题，本发明的目的是提供一种高速水下钢球法冲磨试验方法。该试验方法及其使用的高速水下钢球法冲磨试验仪是在标准水下钢球法实验设备的基础上，提高驱动电机转速来获得高速水流，并通过改变搅拌叶轮形状设计、 改变冲磨介质尺寸组合等，来获得较高的近底流速，达到提高冲磨效率的目的。完成上述发明任务的方案是一种高速水下钢球法冲磨试验方法，其特征在于，步骤如下
(1).成型被测试件所述被测试件的边沿预制有凹槽，该凹槽内部设置有预埋件； 所述的预埋件是用于将所述被测试件锚固在高速水下钢球法冲磨试验仪的试件托板上。⑵.通过连接件连接所述的预埋件，将所述被测试件锚固在高速水下钢球法冲磨试验仪的试件托板上，以防止被测试件被高速水流掀起，损坏搅拌叶轮和设备；
⑶.通过高速水下钢球法冲磨试验仪的控制组合柜对调速电机设置转速，调速范围设置在 500r/min-10000r/min 之间；
高速水下钢球法冲磨试验仪的搅拌叶轮由1个上叶轮、1个下叶轮、2片侧叶片和1根搅拌轴组成；所述上叶轮的外径比下叶轮的外径大5mm-40mm ；所述2片侧叶片为P形，该2 片侧叶片上部的最大宽度分别大于其下部的最大宽度。(4).打开高速水下钢球法冲磨试验仪的调速电机，带动搅拌叶轮高速旋转，使钢筒中的水与冲磨介质高速旋转，并形成整体性紊流，带动冲磨介质冲磨到整个试件上表
(5).所述高速水下钢球法冲磨试验时间不小于M小时；
(6).试验结束后，取出被测试样称量计算其试验前后的质量损失率，得到试验结果。对以上所述的高速水下钢球法冲磨试验方法的进一步改进，本申请有以下优化方案
1、步骤⑶中所述的上叶轮的外径为50mm-200mm ；优选IOOmm 150mm ；下叶轮的外径为 30mm_ 180mmο 优选 90mm 130mmo2、所述上、下叶轮之间的净空为100. 00mm-150. 00mm。3、步骤⑶中所述的所述2片侧叶片上部的最大宽度比其下部的最大宽度分别大 20% -80%。4、步骤⑴所述的被测试件的成型，是采用配套试模，以成型带有所述凹槽和预埋件的被测试件；所述被测试件边沿的凹槽的形状采用方形、圆弧形或燕尾槽形；优选燕尾槽形；
5、步骤⑶所述的冲磨介质，其硬度高于被测试的试件；其形状采用球形或多面体。优选球形；球形直径在1. Omm-lOO. Omm之间；优选10. 0 mm-50. Omm之间；球形最大直径大于或等于 25. 4mm。6、所述冲磨介质的投影面积占试件上表面积的10%_100% ；优选30%_60%。
7、所述冲磨介质的直径采用以下直径中的任何一种或多种10.0mm-18.0mm、 18. lmm-24. 9mm、25. Omm-29. 9mm 和 / 或 30. 0mm-50. Omm ；本发明推荐采用以下方案
所述冲磨介质的直径为 10. Omm-18. 0mm、18. lmm-24. 9mm、25. Omm-29. 9mm 或 30. 0mm-50. Omm之间的球的投影面积占所有球的总投影面积的比例分别为10-35 15-50 15-50 :5-35。8、钢筒中相应的水流近底流速为1.5m/s-5m/s。[JTDingl]
上述高速水下钢球法冲磨试验方法所使用的设备一种高速水下钢球法冲磨试验仪， 在主机机架上设有钢筒，该钢筒中设有由调速电机驱动的搅拌叶轮；该钢筒中还设有用于放置试件预埋件的试件托板，试件托板下方设有集水盘；所述集水盘的底部设有升降机；其特征在于，所述调速电机的调速范围在500r/min-10000r/min之间；所述搅拌叶轮由1个上叶轮、1个下叶轮、2片侧叶片和1根搅拌轴组成；上叶轮的外径为50mm-200mm， 优选IOOmm 150mm ；下叶轮的外径为30mm-180mm，优选90mm 130mm ；且上叶轮的外径比下叶轮的外径大5mm-40mm ；侧叶片为P形，其上部的最大宽度比其下部的最大宽度大 20% -80% ；上、下叶轮之间的净空为100. 00mm-150. 00mm。换言之，本发明为解决现有技术存在的问题，主要采用了以下技术方案参照图 1 一种高速水下钢球法冲磨试验仪，它包括调速电机1、主机机架2、钢筒3、搅拌叶轮(搅拌轴4、上叶轮16、侧叶片17、下叶轮18、垫套19)、试件托板8和集水盘10。试件托板8底部设置有行走轮9，方便试件托板8在集水盘10上移动。所述集水盘10底部设有升降机11。 所述调速电机1可通过控制组合柜13调速，所调速范围在500r/min-10000r/min之间，优选 1000r/min-5000r/mino具体而言，本发明针对问题1，采用的方案包括所述搅拌叶轮的上叶轮直径大于下叶轮直径，搅拌叶轮上的侧叶片宽度上大下小。该方案的效果是减小了钢筒内水体形成的漩涡，并使水流形成整体性紊流，带动冲磨介质冲磨到整个试件上表面。采用上述方案后，试件整个上表面都产生了均勻的磨损，试件中央不再有未被磨损到的区域。为了进一步解决现有技术中的其他不足，本发明有以下优化方案 针对问题2，采用的方案包括
——所述钢筒3顶盖与侧壁为密闭式连接，防止高速水流溅出；同时，在钢筒3顶盖边缘设有加冲磨介质小孔，方便添加冲磨介质；在钢筒3顶盖中央预留出小孔安装连轴节14 以便连接电机1和搅拌轴4。—在搅拌轴4与钢筒3顶部中间设有隔水环15，以减少水从钢筒3顶盖上的所述预留小孔中溅出。——在试件托板8的上表面设一道环形凹槽，凹槽内径比试件直径大 0. 000mm-5. 000mm，外径比钢筒直径小0. 000mm-3. 000mm,并放置一个密封圈，防止试验过程中水从钢筒3底部漏出。——采用上述措施之后，试验表明，高转速下仍然有水溅出，为此，在钢筒3侧壁增设水位管20和放水口 21，供观察水位和在必要时及时补水，并便于控制补水水位。所述水位管20材质可为玻璃、塑料、有机材料，玻璃管在操作过程中容易破碎，塑料管在高温下易老化、变形，有机材料能避免前两者所具有的缺点，因此优选有机玻璃管。试验表明，未采取上述方案时，在4000 r/min下冲磨6小时左右钢筒内水位就下降平均7cm左右，需每隔4小时左右就要补充水；采取这些措施后，同样的驱动电机转速下冲磨8小时左右钢筒内水位仅下降平均3cm左右，可明显减少水位下降。针对问题3，采用的方案包括
——使用所述的专门试件，其特征在于边沿有凹槽，凹槽内部有预埋件。凹槽形状可采用方形、圆弧形、燕尾槽形，优选燕尾槽形。——所述试件有专门的配套试模，可成型带有所述凹槽和预埋件的所述试件。——所述试件的预埋件通过试件托板8的连接件锚固于试件托板8上，防止试件被高速水流掀起，损坏搅拌叶轮和设备。采用上述方案后，试件不再在钢筒内漂浮或上下晃动。针对问题4，采用的方案包括
——所述冲磨介质，其硬度高于被测试的抗冲磨材料，例如钢、铸铁、刚玉等；形状可采用球形或多面体，优选球形。采用球形冲磨介质时，直径在1. Omm-lOO. Omm之间，优选 10. 0mm-50. Omm之间；最大直径优选大于25. 4mm
——所述冲磨介质的投影面积占试件上表面积的10%-100%，优选30%-60%。在所述优选直径范围内，直径为 10. Omm-18. 0mm、18. lmm-24. 9mm、25. Omm-29. 9mm、30. 0mm-50. Omm 之间的球的投影面积占所有球的总投影面积的比例均分别为0%-100%，分别优选为10%-35%、 15%-50%、15%-50%、5%-35%。采用上述方案后，试验效率提高了近一倍，而且试件上表面均勻磨损。例如，上述强度等级为C30、骨料为灰岩的28d龄期混凝土试件，冲磨48h内试件每m2单位面积上磨损 Ikg所需的平均时间缩短为1. 5小时左右，且试件表面全部被磨到，磨损均勻。为提高本发明的高速水下钢球法冲磨试验效率，并简化设备操作，进一步采用了以下方案
——所述高速水下钢球法冲磨试验时间不小于M小时，优选不小于48小时。—为测试水流近底流速，在钢筒3底部处于试件高度范围及其上方IOOmm内的钢筒侧壁上设置一可开闭的孔口，通过该孔口放入毕托管或测速仪测试试件表面的水流近底流速。——在试件托板8底部设置有行走轮9，方便试件托板8在集水盘10上移动。所述集水盘10底部设有升降机11，便于将试件在钢筒内升降。本发明的高速水下钢球法冲磨试验方法与设备的冲磨效率高，设备操作方便、结构合理。


图1为本发明的高速水下钢球法冲磨试验仪结构示意图； 图2为本发明试件示意图。
具体实施例方式下面结合附图给出实施例并对本发明进行具体描述。实施例1，如图1所示，本实施例给出的高速水下钢球法冲磨试验仪包括主机机架 2及与其连接的钢筒3，所述主机机架2顶部固定有调速电机1，所述调速电机1通过搅拌轴
74连接搅拌叶轮。搅拌叶轮的上叶轮直径比下叶轮直径大15mm，侧叶片下部最大宽度比上部最大宽度大5mm。通过操作控制组合柜13调整电机转速为4000r/min，相应的水流近底流速为4m/S。如图2所示，本实施例给出的通过专用配套试模成型直径为300mm的带凹槽的水工抗冲磨混凝土试件，试验中采用的5组混凝土配合比的立方体抗压强度为55. 1 MPa 一 68.7 MPa，所用骨料为玄武岩骨料，最大粒径40mm。所述试件外沿有燕尾槽形凹槽22 (内部留有用于锚固试件的预埋件23。所述试件按照DL/T 5150标准的要求养护到90天龄期后，称量初始质量，然后将成型时的顶面朝下，固定于试件托板8的连接件上。所述试件托板8上的凹槽内放置橡胶圈，经升降机将试件顶升就位。观察侧壁水位管20内水位高度， 加水至水位超过上叶轮19 10mm。通过钢筒3顶部的加冲磨介质小孔放置钢球作为冲磨介质，钢球硬度高于被测试的水工抗冲磨混凝土，钢球直径在12. 5mm-30. Omm之间，钢球的投影面积占试件的上表面积的50%，其中直径为12. 5mm、19. 0mm、25. 4mm,30. Omm的球的投影面积占所有球的总投影面积的比例分别为31%、30%、27%、12%，冲磨所述试件的上表面。冲磨4 后，停止搅拌叶轮转动，通过放水口 21放水，经升降机11降落试件，取出试件，冲洗后称量计算。试件的抗冲磨强度与DL/T 5150等标准的水下钢球法计算方法相同。采用本发明的方法和设备进行混凝土冲磨试验的结果与标准水下钢球法的试验结果对比见表1。由表可见，若以试件每Hl2单位面积上磨损Ikg所需平均时间的缩短比例衡量冲磨效率，则与标准水下钢球法相比，本发明的冲磨效率提高比例为63% -75%,平均提高68%。表1本发明的高速水下钢球法与标准水下钢球法的冲磨效率对比
权利要求
1.一种高速水下钢球法冲磨试验方法，其特征在于，步骤如下(1).成型被测试件所述被测试件的边沿预制有凹槽，该凹槽内部设置有预埋件；⑵.通过连接件连接所述的预埋件，将所述被测试件锚固在高速水下钢球法冲磨试验仪的试件托板上，以防止被测试件被高速水流掀起，损坏搅拌叶轮和设备；⑶.通过高速水下钢球法冲磨试验仪的控制组合柜对调速电机设置转速，调速范围设置在 500r/min-10000r/min 之间；高速水下钢球法冲磨试验仪的搅拌叶轮由1个上叶轮、1个下叶轮、2片侧叶片和1根搅拌轴组成；所述上叶轮的外径比下叶轮的外径大5mm-40mm ；所述2片侧叶片为P形，该2 片侧叶片上部的最大宽度分别大于其下部的最大宽度；(4).打开高速水下钢球法冲磨试验仪的调速电机，带动搅拌叶轮高速旋转，使钢筒中的水与冲磨介质高速旋转，并形成整体性紊流，带动冲磨介质冲磨到整个试件上表面；(5).所述高速水下钢球法冲磨试验时间不小于M小时；(6).试验结束后，取出被测试样称量计算其试验前后的质量损失率，得到试验结果。
2.根据权利要求1所述的高速水下钢球法冲磨试验方法，其特征在于，步骤⑶中所述的上叶轮的外径为50mm-200mm ；下叶轮的外径为30mm-180mm。
3.根据权利要求2所述的高速水下钢球法冲磨试验方法，其特征在于，步骤⑶中所述的上叶轮的外径为IOOmm 150mm ；下叶轮的外径为90mm 130mm ；所述上、下叶轮之间的净空为 100. 00mm-150. 00mm。
4.根据权利要求1所述的高速水下钢球法冲磨试验方法，其特征在于，步骤⑶中所述的所述2片侧叶片上部的最大宽度比其下部的最大宽度分别大20%-80%。
5.根据权利要求1所述的高速水下钢球法冲磨试验方法，其特征在于，步骤⑴所述的被测试件的成型，是采用配套试模，以成型带有所述凹槽和预埋件的被测试件；所述被测试件边沿的凹槽的形状采用方形、圆弧形或燕尾槽形；步骤⑶所述的冲磨介质，其硬度高于被测试的试件；其形状采用球形或多面体。
6.根据权利要求1所述的高速水下钢球法冲磨试验方法，其特征在于，步骤⑴所述被测试件边沿的凹槽的形状为燕尾槽形；步骤⑶所述的冲磨介质，形状采用球形；球形直径在1. Omm-lOO. Omm之间；所述冲磨介质的投影面积占试件上表面积的10%-100% ；所述冲磨介质的直径采用以下直径中的任何一种或多种10. Omm-18. 0mm、 18. lmm-24. 9mm>25. Omm-29. 9mm 和 / 或 30. 0mm-50. Omm ；所述冲磨介质的投影面积占试件上表面积的30%-60%。
7.根据权利要求6所述的高速水下钢球法冲磨试验方法，其特征在于，步骤⑶所述的冲磨介质的直径在10. 0 mm-50. Omm之间。
8.根据权利要求7所述的高速水下钢球法冲磨试验方法，其特征在于，所述冲磨介质的直径为 10. Omm-18. 0mm、18. lmm-24. 9mm、25. Omm-29. 9mm 或 30. 0mm-50. Omm之间的球的投影面积占所有球的总投影面积的比例分别为10-35 15-50 15-50 :5_35。
9.根据权利要求4所述的高速水下钢球法冲磨试验方法，其特征在于，步骤⑶所述的冲磨介质球形最大直径大于或等于25. 4mm。
10.根据权利要求1、之一所述的高速水下钢球法冲磨试验方法，其特征在于，所述钢筒中相应的水流近底流速为1. 5m/s-5m/s0
全文摘要
高速水下钢球法冲磨试验方法被测试件边沿预制有凹槽内设预埋件并锚固于试件托板上；调速电机带动搅拌叶轮使水与冲磨介质高速旋转并形成整体性紊流，冲磨整个试件上表面；电机调速范围500r/min-10000r/min；搅拌叶轮上部直径大于下部直径，侧叶片上部宽度小于下部宽度，上、下叶轮之间净空为100.00mm-150.00mm；冲磨介质的投影面积占试件上表面积10%-100%；冲磨时间不少于24小时；试验后取出试样称量计算试验前后的质量损失率。本发明提高搅拌叶轮转速及改变搅拌叶轮形状、冲磨介质尺寸组合，获得较高的近底流速，提高了冲磨效率。该方法冲磨效率高，操作方便、设备结构合理。
文档编号G01N3/02GK102331381SQ20111027862
公开日2012年1月25日 申请日期2011年9月19日 优先权日2011年9月19日
发明者丁建彤, 戴玭, 杨建国, 白银, 蔡跃波 申请人:水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院