水机过流件护面弹性涂层的粒子流冲击溃裂与磨蚀研究

 　　我国河流含沙量大,水流挟带沙粒冲击流道边壁造成的冲蚀磨损成为水机过流件表面失效的重要原因[1]。采用复合弹性涂层对水轮机过流件进行护面,显示出良好的应用前景[1, 2],但试验发现,冲击射流速度超过一定范围时,弹性体的磨蚀会急剧增大从而失去抗冲蚀能力。研究表明,弹性涂层优良的抗冲蚀性能来自于本身的变形缓冲效应,粒子流射流速度和冲击角是影响弹性涂层冲蚀磨损率的主要因素[2],冲蚀磨损率与射流速度呈指数关系[3-5 ]。冲蚀是裂纹产生到扩展的表面破坏过程,与冲击产生的动应力密切相关。冲击应力低于材料强度极限时,裂纹产生于反复冲击导致的表面疲劳[ 6, 7],冲击应力超过材料强度极限则导致材料溃裂从而使磨蚀率急剧增大,由此,本文分析粒子流冲击过程中弹性体表面的破坏应力,同时结合弹性体中应力波传播特性,根据材料强度从理论上提出弹性涂层应用的射流速度条件。

　　1 粒子冲击下弹性涂层表面受力与变形

　　悬浮于水中的泥沙微粒与水流有很好的跟随性,运动水流给粒子能量,同时也左右着粒子的运动轨迹[8],设水流以速度v0和入射角A挟带沙粒冲击运动速度为u0的过流件弹性涂层(图1),接触过程中,任一瞬时的法向接触动力为P,接触中心弹性表面法向变形为Dz,形成半径为a的圆形接触区。将粒子考虑为刚体,忽略粒子转动惯性和材料变形惯性,根据弹性动力学理论[9],可写出弹性涂层接触区法向变形方程:

　　式中: t为时间, k=4R^1/2E₂/3(1-μ²₂),其中E₂,L₂,R分别为弹性材料的弹性模量、泊松比与粒子半径。

　　接触瞬时弹性表面法向变形初始条件:

　　各式中, m₁, E₁,L₁,Q₁为沙粒的质量、弹性模量、泊松比与密度;m2,Q2为弹性边壁材料的质量和密度。因

　　2 法向力作用下弹性体的表层应力

　　2.1 接触面法向力的分布

　　因为存在摩擦,在粒子与弹性体表面发生的斜冲击过程中,接触面同时出现法向与切向面力[10],Maw等人的研究表明,发生冲击的材料为不可压缩时,切向力的存在对法向运动的影响可以忽略[11],不考虑粒子的变形,其冲击接触相当于弹性体受刚性球面压头作用,在弹性体表面圆形接触区内,法向面力分布的一般规律[9]:

式中r为基础区内所研究的点到接触中心的距离, a为接触区半径,p0为接触中心的压力值。

　　2.2 法向面力作用下的表层应力

　　弹性涂层表面应力(z=0与涂层磨损密切相关,根据弹性接触理论与上述分析结论,在法向压缩变形最大时,弹性涂层接触区内、外应力分量如下: