流体机械的磨损与减摩技术_庞佑霞朱宗铭梁亮张昊_9787111540939

液体机械的磨蚀问题广泛存在于水利水电、能源动力、冶金化工、交通运输以及航空航天等行业，是造成流体机械失效的重要原因之一。本书从摩擦学、微流边界理论出发，分析了沙粒在边界层的动力学特性，推导了冲蚀磨损磨痕尺寸的预估模型；在空蚀磨损研究中，以空泡动力学方程为基础，分析了空泡溃灭过程中的力学冲击，并论述了在空泡溃灭冲击下疲劳微裂纹产生和扩展过程；在冲蚀与空恂交互磨损研究中，分析了空泡和沙粒的相互作用以及动力学特性等。

流体机械的磨蚀问题广泛存在于水利水电、能源动力、冶金化工、交通运输以及航空航天等行业，是造成流体机械失效的重要原因之一。研究流体机械的磨蚀以及抗磨与减摩对策，对流体机械的优化设计、抗磨修复，提高其运行效率，改善其综合性能，延长使用寿命等有着重要的理论意义。

流体机械的磨蚀是一个多学科交叉课题，涉及机械学、流体动力学、摩擦学、材料学、腐蚀与防护等理论。流体机械的磨蚀受到一系列因素的影响，过程非常复杂。从流体机械发展之初，其磨蚀机理就一直是学者研究的热点。冲蚀磨损研究从流体机械出现就已经开始，历史最为悠久。冲蚀磨损，一般是指流体或沙粒以一定的速度和角度冲击叶片表面，造成叶片表面材料损耗的一种磨损形式。空蚀磨损现象是20世纪初才开始被人们所了解，对其的研究在20世纪30年代得到飞速发展。空蚀磨损是当液体流过物体表面时，由液体内部压力的起伏引起液体蒸气以及溶于液体中的气体空穴（空泡）的形成、生长及溃灭的空化过程，而使材料表面发生破坏的一种磨损形式。在实际工况中，一般是冲蚀与空蚀磨损并存，其产生的危害比单一冲蚀或空蚀磨损更大。冲蚀和空蚀的联合损伤将更易导致流体机械金属表面发生破坏，产生振动和噪声，造成设备效率降低，频繁大修，甚至短期报废。

近年来，各囱学者对流体机械的摩擦学与抗磨理论和技术的发展非常重视，研究热点主要集中在流体机械过流部件内部流场分析、转轮（或叶轮）材料的冲蚀或者空蚀磨损机理、防磨措施、磨损修复的理论与实践等领域。冲蚀研究主要集中在固体颗粒的运动轨迹和数值模拟、不同材料和叶片表面对冲蚀磨损性能影响等方面；空蚀磨损主要集中在磨粒和孔洞的关系研究、磨损坑的大小测量、磨痕表现出的形状特征以及特定材料对空蚀性能的影响等方面。

所以，目前对流体机械的磨损研究都是只分别考虑冲蚀与空蚀磨损对设备失效的影响，孤立地分析磨粒或者空泡的运动，以求得过流部件的磨损规律；很少有将固一液．气多相流边界层的流动特性和冲蚀与空蚀交互作用磨损机理相结合的研究成果，无法真正揭示流体机械叶片微流边界层中的磨损机理。冲蚀与空蚀交互磨损是近年来的研究热点。工程中，由于冲蚀和空蚀交互作用对水轮机磨损的影响因素众多，加之试验和数值模拟条件的限制，所以到目前为止，研究人员对其冲蚀与空蚀交互作用的磨损机理研究不多，也没有取得突破性的进展。

结合现有条件，在前期研究基础上，对流体机械过流部件冲蚀与空蚀交互作用的磨损机理开拓新的研究思路，寻找新的研究方法就显得非常重要。由于影响冲蚀、空蚀磨损及两者交互作用的因素既有速度、压力、温度等流场参数，又有沙粒和材料特性等，流体机械转轮（叶轮）冲蚀磨损或者空蚀磨损以及它们的交互作用引起的磨损常发生在叶片表面，所以只有在考虑冲蚀与空蚀交互作用的基础上，研究磨粒和空泡的流动规律以及它们的相互干扰及破坏机理，建立其数理模型，才能深入地揭示叶片微流边界层中的磨损机理，为进一步开展流体机械抗磨设计提供一定的理论依据。

本书是作者总结多年的研究成果编写而成。基于已有和自行研制的冲蚀、空蚀仪器设备，转盘式冲蚀与空蚀交互磨损试验装置、冲击式冲蚀与腐蚀磨损试验系统，从通过数值分析和试验验证研究了冲蚀磨损、空蚀磨损以及冲蚀与空蚀交互磨损对流体机械磨蚀的作用机理；分析了流场动力学参数以及物理学参数对冲蚀、空蚀以及交互磨损的影响；最后在研究的基础上提出了流体机械的抗磨与减摩措施。在冲蚀磨损研究过程中，从微流边界层理论出发，阐述了涡的猝发过程，分析了沙粒在边界层的动力学特茬，并推导了冲蚀磨损磨痕尺寸预估模型。在空蚀磨损研究中，以空泡动力学方程为基础，分析了空泡溃灭过程中的力学冲击，并论述了在空泡溃灭冲击下疲劳微裂纹产生和扩展过程。在冲蚀与空蚀交互磨损研究中，分析了空泡和沙粒的相互作用以及动力学特性，根据磨损试验数据对交互磨损过程进行了解析计算，并得到了交互磨损的预估模型。在流体机械磨蚀的抗磨与减摩对策研究中，详述了一种微／纳米抗磨复合涂层以及一种石墨自润滑减摩材料。

本书的研究工作得到了国家自然科学基金项目：“叶片微流边界层冲蚀与空蚀交互磨损机理研究”（编号：5097532）、“两相流场中舰船冲蚀和腐蚀耦合效应的摩擦学行为研究”（编号：51475049）和“多相流作用下铜合金表层组织演变及腐蚀磨损耦合行为研究”（编号：51171216）支持。在项目的科研过程中，长沙学院唐勇教授、许焰教授、刘辉教授近十年来与作者通力合作为流体机械磨损理论的研究做了很多的工作，并得到了重庆理工大学黄伟九教授、湘潭大学谭援强教授、湖南科技大学郭源君教授的帮助与指导，同时引用了一些国内外学者的研究成果，特此向支持和关心作者研究工作的所有单位及个人表示衷心的感谢。

由于作者水平有限，尽管在本书的撰写以及编排过程中竭尽了全力，但还是不能修正所有错误，书中有不妥之处，恳请读者不吝批评和指正。

庞佑霞朱宗铭梁亮张吴2016年5月于长沙

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