CN103191668B - 一种凸轮滚子式超声波振动纳米流体混合装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种凸轮滚子式超声波振动纳米流体混合装置，包括动力传动装置和超声波振动装置，并通过齿轮传动装置和超声波振动装置能同时实现凸轮滚子式超声波振动纳米流体混合装置的水平回旋运动和竖直平面的超声波振动的功能；采用同步齿形带啮合传动、齿轮啮合传动和凸轮装置传动的传动形式，保证了传动的准确性和平稳性；可以通过更换不同的凸轮形状来获得不同的混合运动轨迹。

Description

一种凸轮滚子式超声波振动纳米流体混合装置

技术领域

本发明涉及一种机械加工磨削液混合装置，具体的为一种凸轮滚子式超声波振动纳米流体混合装置。

背景技术

目前，磨削加工大量使用润滑剂，也称作浇注式磨削，对环境和工人健康伤害很大。由于环保要求，润滑剂的废液必须经过处理、达标后才能排放，废液处理耗资巨大，高达润滑剂成本的54％，使人们不得不对润滑剂作重新评价。德国对汽车制造厂作过调查，得到的结果是：工具费用只占加工成本的2％-4％；但与润滑剂有关的费用，却占成本的7％-17％，是工具费用的3-5倍。机械加工中的能量消耗，主轴运转需要的动力只占20％，与冷却润滑有关的能量消耗却占53％。这说明由于“环保和低碳”的要求，润滑剂的廉价优势已不存在，已经变成影响生产发展的障碍。

为保护环境、降低成本而有意识地完全停止使用润滑剂的干式磨削应运而生。干式磨削由于抛弃了润滑剂的使用，其环保方面的优势是不言而喻的。但由于磨削加工去除单位材料体积所消耗的能量远比铣削、车削、钻削等加工方法大得多，在砂轮/工件界面产生如此高的能量密度，仅有不到10％的热量被磨屑带走，这些传入工件的热量会聚集在表面层形成局部高温，因此在磨削加工中完全不使用润滑剂，不仅使加工工件表面质量恶化，而且砂轮使用寿命大幅度降低，甚至报废失效。

介于浇注式湿磨削和干式磨削之间的微量润滑技术是在确保润滑性能和冷却效果的前提下，使用最小限度的润滑剂。微量润滑是在高压气体中混入微量的润滑剂，靠高压气流(4.0-6.5bar)混合雾化后进入高温磨削区。传统的浇注式供液方式磨削液用量为单位砂轮宽度60L/h,而微量润滑的磨削液的消耗量仅为单位砂轮宽度30-100ml/h。高压气流起到冷却、排屑的作用，润滑剂黏附在工件的加工表面，形成一层保护膜，起到润滑的作用。该技术综合了浇注式磨削和干式磨削的优点，润滑效果与传统的浇注式磨削几乎没有区别。润滑剂一般采用植物油作为基础油的烷基酯，具有极好的生物降解性能、润滑性能以及粘度指数高、挥发性低、可再生、生产周期短、环境扩散少等特点，润滑剂的使用量只有传统加工方式的千分之几甚至万分之几，大大改善了工作环境，是一种高效低碳加工技术。可是，研究表明：高压气流的冷却效果很有限，满足不了高磨削区温度强化换热的需要，工件的加工质量和砂轮寿命比传统浇注式磨削明显降低，说明微量润滑技术还需要进一步改进与完善。

由强化换热理论可知，固体的传热能力远大于流体和气体。常温下固体材料的导热系数要比流体材料大几个数量级。悬浮有金属、非金属或聚合物固体粒子的流体的导热系数要比纯流体大几十倍甚至上百倍。在微量润滑介质中添加固体粒子，可显著增加流体介质的导热系数，提高对流热传递的能力，极大弥补微量润滑冷却能力不足的缺陷。此外，纳米粒子（是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1-100nm）的超细微小固体成分）在润滑与摩擦学方面还具有特殊的抗磨减摩和高承载能力等摩擦学特性。

微量润滑润滑剂的制备方法是在纳米粒子和可降解的磨削液的混合液内添加烷基磺酸盐表面活性剂、硫酸二甲脂分散剂混合均匀后，得到稳定的悬浮液即纳米流体。纳米流体与压缩气体混合雾化后以射流的形式喷入磨削区，利用固体粒子传热能力远大于流体和气体的优势，不仅可以解决微量润滑冷却效果的不足，极大地改善生产环境、节省能源和降低成本实现低碳制造，而且使润滑液更有效冲破“气障”注入磨削区，提高进入砂轮/工件界面磨削介质的有效流量率。和湿法磨削相比降低磨削介质在楔形接触区引起的流体动压力和流体引入力，减少砂轮主轴挠度变形，提高工件的加工精度。更进一步地，还可利用喷射的纳米级固体粒子特殊的润滑性能与摩擦学特性，在砂轮/工件界面形成纳米粒子剪切油膜，进一步提高微量润滑磨削的润滑性能，因此更具有实际意义。

纳米粒子是粒径小于100nm的石墨成分或者氧化铝、碳纳米管，金属，润滑剂中纳米粒子的体积含量为1%－30vol%，磨削液为可降解的润滑油或植物油。

由于纳米流体各组成成分密度、比重不一，所以纳米流体在容器中就会出现密度大的沉积在容器的底部，密度小的漂浮在容器的表面，而有些成分就会悬浮在纳米流体容器中间，从而纳米流体会出现分层现象，这种情况会严重影响纳米流体成分的均匀性和同一性。为了使纳米流体能够在容器中均匀的混合，保证喷入到磨削区纳米粒子的换热和润滑性能，必须使纳米流体始终处于运动状态。不仅要求纳米流体在水平面内做摆动，而且还要在垂直面内做上下振动，同时还要保证运动的平稳性和准确性，不能带来过大的冲击，以防将纳米流体溅出容器甚至是破坏容器内纳米流体的成分含量。

目前不同比重流体的混合都是利用偏心轴实现盛装流体容器的托盘做平面回旋运动，这种混合效果不是很好，不能保证流体中不同密度的均匀分布；而且由于采用偏心运动装置，在运动过程中，速度和加速度不相等，在偏心的拐点处速度为零而加速度最大，运动冲击很大，容器内流体成分的均匀性和稳定性受到影响。有的装置虽然突破了在单一平面内的回旋运动并实现了在空间内对流体进行混合，但这些装置在工作时误差较大并且所受的机械冲击力较大，降低装置的使用寿命。

经检索，实用新型专利：多功能漩涡混匀器（专利号：200920109292.7）公开了一种多功能漩涡混匀器，这种混合器由磁分离架、托盘、硅橡胶管、光电反馈检测器、壳体、底座、电机、上定位板、偏心轴、轴承和转轮组成。其主要驱动部件是单向交流电机，速度由电位器及光电反馈检测器控制。电机旋转时偏心轴带动转轮、托盘和磁分离架作平面圆周运动，托盘上同时有三根硅橡胶管与壳体相连接，以使得平台上每点都作相同的运动。相比较传统的只有一个连接点的摇曳运动大为改进。但该装置虽然实现了流体在单一平面内的回旋运动，以此在流体内部形成漩涡加速流体的混合，但是这并没有在根本上解决流体内部成分分层的问题，密度大的成分依然还在流体底部。因此该专利并没有考虑到各种成分由于密度不同在流体内出现的分层的问题，也没有实现流体内部成分在竖直平面内的上下振动。

实用新型专利：医用血液混匀器（专利号：201220034992.6）公开了一种医用血液混匀器，该血液混匀器由单片机控制的步进电机，步进电机通过微型刚性联轴器连接带有齿轮下箱的同步带轮，电机端曲柄轴穿过同步带轮一端连接具有橡胶护套的表面粗糙的滚筒，电机端曲柄轴另一端连接步进电机，滚筒另一端连接铰接球头，铰接球头连接具有封装板的外壳，电机壳体与外壳之间装有定位支架，同步带轮带动从动曲柄轴，从动曲柄轴的曲柄弯头沿同一方向固定在电机壳体上，从动曲柄轴另一端穿过电机壳体连接滚动轴承和具有齿轮箱的齿轮。该专利虽然能够保证待混合流体各种组成成分实现三维空间运动，更有利于流体的混合，但忽略了装置本身的可靠性，该装置工作时本身承受的惯性力和冲击力较大，不但导致待混匀流体的运动过于激烈，这可能会破坏流体内部组成成分的形态，还会严重影响装置的使用寿命。

虽然人们研制出了多种混合装置可以用于纳米流体的混合，但每一种装置都各有利弊，不能够保证在精确平稳的运动的过程中实现纳米流体各组成成分的充分均匀混合。

发明内容

本发明的目的就是为解决上述问题,提供一种凸轮滚子式超声波振动纳米流体混合装置，该装置具有传动精确运动平稳的特点，同时保证流体内部各种成分实现三维空间的相互运动，保证流体的均匀混合。

为实现上述目的,本发明采用如下技术方案：

凸轮滚子式超声波振动纳米流体混合装置，包括动力传动装置和超声波振动装置，所述的动力传动装置与动力源连接，所述动力传动装置包括凸轮装置、两个同步转动的从动轴，所述的凸轮装置包括凸轮，凸轮上加工有两个椭圆槽，从动轴穿过凸轮，两个从动轴上分别固定有主动杆，从动件中安装有滑动轴承轴套，主动杆通过滑动轴承轴套穿过从动件，主动杆和从动件组成滑动轴承结构，并且从动件依靠主动杆实现轴向定位，滑动轴承轴套可以沿着主动杆滑动，从动件底端安装有滚子，滚子能够在凸轮的椭圆槽内沿固定轨迹运动，从动件的另一端通过安装有连杆，连杆上固定有支撑板，支撑板上安装有超声波振荡装置；所述的超声波振荡装置包括超声波发生器、超声波换能器、变幅杆，超声波发生器和电源相连，超声波换能器接在超声波发生器的正负两极，变幅杆固定在超声波换能器一端，变幅杆还和托盘相连。

所述凸轮椭圆槽理论廓线的长半轴a的取值范围在50—200mm，短半轴b取值范围在30—150mm。

从动件上端分别安装有角接触球轴承，其中角接触球轴承通过轴肩、轴套、轴承端盖与连杆定位。

所述凸轮滚子式超声波振动纳米流体混合装置还包括齿轮传动装置，所述齿轮传动装置包括主动轴，所述主动轴上通过平键、轴肩和轴套固定有主动齿轮，主动轴两端分别与角接触球轴承连接并定位，所述角接触球轴承通过轴套和轴承端盖定位；主动齿轮分别和两个从动齿轮啮合，从动齿轮通过平键、轴肩和轴套在从动轴上定位，从动轴两端分别与角接触球轴承连接并定位，角接触球轴承通过轴肩和轴承端盖定位，主动杆可以用止动螺母固定在从动轴上。

所述主动轴通过平键、同步带轮、同步齿形带与动力源连接。

所述的超声波换能器是由纯镍片叠成封闭磁路的镍棒换能器，在两芯柱上同向绕以线圈，通入高频交流电源使之伸缩变形，其伸缩变形振幅A在0.005—0.01mm之间。

所述的变幅杆由钢材料制作而成，这种阶梯型变幅杆的振幅放大比可以达到20倍以上，变幅杆的总长度并且两端不同截面积的均匀杆长度相等均为钢制阶梯型变幅杆的长度在半波长100—160mm之间，变幅杆的最终放大振幅A′在0.01—0.2mm范围内。

本发明的有益效果是：通过齿轮传动装置和超声波振动装置能同时实现凸轮滚子式超声波振动纳米流体混合装置的水平回旋运动和竖直平面的超声波振动的功能；采用同步齿形带啮合传动、齿轮啮合传动和凸轮装置传动的传动形式，保证了传动的准确性和平稳性；可以通过更换不同的凸轮形状来获得不同的混合运动轨迹。

附图说明

图1为本发明的剖视结构图；

图2为凸轮装置简图；

图3为超声波振荡装置部件；

图4为超声波发生器组成框图；

图5为阶梯型变幅杆结构图；

图6为变幅杆输出端振幅的放大图；

图7为超声波换能器的振幅放大图。

其中，1—机架，2—同步齿形带，3—减振元件，4—直流电机，5—同步带轮Ⅰ，6—平键Ⅰ，7—同步带轮Ⅱ，8—主动轴，9—角接触球轴承Ⅰ，10—角接触球轴承Ⅱ，11—轴套Ⅰ，12—平键Ⅱ，13—主动齿轮，14—从动齿轮Ⅰ，15—从动齿轮Ⅱ，16—从动轴Ⅰ，17—从动轴Ⅱ，18—角接触球轴承Ⅲ，19—角接触球轴承Ⅳ，20—角接触球轴承Ⅴ，21—角接触球轴承Ⅵ，22—平键Ⅲ，23—平键Ⅳ，24—轴套Ⅱ，25—轴套Ⅲ，26—轴承端盖Ⅰ，27—轴承端盖Ⅱ，28—轴承端盖Ⅲ，29—轴承端盖Ⅳ，30—轴承端盖Ⅴ，31—轴承端盖Ⅵ，32—凸轮，33—主动杆Ⅰ，34—主动杆Ⅱ，35—滑动轴承轴套Ⅰ，36—滑动轴承轴套Ⅱ，37—从动件Ⅰ，38—从动件Ⅱ，39—滚子Ⅰ，40—滚子Ⅱ，41—角接触球轴承Ⅶ，42—角接触球轴承Ⅷ，43—轴承端盖Ⅶ，44—轴承端盖Ⅷ，45—轴承端盖Ⅸ，46—轴承端盖Ⅹ，47—轴套Ⅳ，48—轴套Ⅴ，49—连杆，50—支撑板，51—托盘，52—箱体，53—凸轮槽Ⅰ，54—凸轮槽Ⅱ，55—超声波发生器，56—超声波换能器Ⅰ，57—超声波换能器Ⅱ，58—超声波换能器Ⅲ，59—超声波换能器Ⅳ，60—变幅杆Ⅰ，61—变幅杆Ⅱ，62—变幅杆Ⅲ，63—变幅杆Ⅳ，64—从动轴孔Ⅰ，65—从动轴孔Ⅱ，66—高强度螺栓孔Ⅰ，67—高强度螺栓孔Ⅱ，68—高强度螺栓孔Ⅲ，69—高强度螺栓孔Ⅳ，70—凸轮椭圆槽理论廓线Ⅰ，71—凸轮椭圆槽理论廓线Ⅱ，72—容器，73—电感反馈振荡电路，74—变压器，75—功率放大管，76—电源。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

图1为凸轮滚子式超声波振动纳米流体混合装置的剖视结构图，其中显示了凸轮滚子式超声波振动纳米流体混合装置的各个组成部件。由图1可知，凸轮滚子式超声波振动纳米流体混合装置所采用的直流电机4和箱体52均用螺栓固定在机架1上，直流电机4额定转速为1000r/min,机架1底座对称布置减振元件3。直流电机4主轴上安装有同步带轮Ⅰ5，主动轴8一端同样安装有同步带轮Ⅱ7，同步带轮Ⅱ7靠平键Ⅰ6实现周向定位，用轴肩和止动螺母实现轴向定位，同步带轮Ⅰ5和同步带轮Ⅱ7之间用同步齿形带2相连，这样就将直流电机4的转动动力传递到同步带轮Ⅱ7上，同步带轮Ⅱ7又通过平键Ⅰ6带动主动轴8转动，这样能保证传动的准确性。主动轴8上安装有主动齿轮13，主动齿轮13用平键Ⅱ12轴向定位，靠轴肩和轴套Ⅰ11轴向定位，主动轴8的转动动力通过平键Ⅱ12的传递就可以带动主动齿轮13旋转，主动轴8两端安装有角接触球轴承Ⅰ9和角接触球轴承Ⅱ10进行定位，角接触球轴承Ⅰ9用轴套Ⅰ11和轴承端盖Ⅲ28实现定位，角接触球轴承Ⅱ10靠轴肩和轴承端盖Ⅳ29定位，轴承端盖Ⅲ28上安装有密封圈。从动齿轮Ⅰ14和从动齿轮Ⅱ15分别和主动齿轮13相啮合，所以主动齿轮13的动力通过齿轮的啮合作用分别带动从动齿轮Ⅰ14和从动齿轮Ⅱ15转动，并且二者的转动是同步转动。从动齿轮Ⅰ14安装在从动轴Ⅰ16上，并用平键Ⅲ22进行周向定位，用轴肩和轴套Ⅱ24实现轴向定位，从动齿轮Ⅰ14的动力通过平键Ⅲ22的传递将带动从动轴Ⅰ16转动，从动轴Ⅰ16两端分别安装有角接触球轴承Ⅲ18和角接触球轴承Ⅳ19并进行定位，其中角接触球轴承Ⅲ18依靠轴肩和轴承端盖Ⅰ26定位，角接触球轴承Ⅳ19用轴套Ⅱ24和轴承端盖Ⅱ27定位，轴承端盖Ⅱ27上安装有密封圈。同样，从动齿轮Ⅱ15安装在从动轴Ⅱ17上，并用平键Ⅳ23进行周向定位，用轴肩和轴套Ⅲ25实现轴向定位，从动齿轮Ⅱ15的动力通过平键Ⅳ23的传递将带动从动轴Ⅱ17转动，从动轴Ⅱ17两端分别安装有角接触球轴承Ⅴ20和角接触球轴承Ⅵ21，其中角接触球轴承Ⅴ20依靠轴肩和轴承端盖Ⅴ30定位，角接触球轴承Ⅵ21用轴套Ⅲ25和轴承端盖Ⅵ31定位，轴承端盖Ⅵ31上安装有密封圈。凸轮32用螺母固定在箱体52上，由图2可知，凸轮32加工有从动轴孔Ⅰ64和从动轴孔Ⅱ65来保证从动轴Ⅰ16和从动轴Ⅱ17传递动力，凸轮32上分别以两个从动轴孔的中心为椭圆中心加工有两个形状尺寸相同的椭圆形凸轮槽Ⅰ53和凸轮槽Ⅱ54。凸轮椭圆槽理论廓线Ⅰ70和凸轮椭圆槽理论廓线Ⅱ71分别为从动件Ⅰ37和从动件Ⅱ38轴线的运动轨迹，轨迹的长半轴a的取值范围在50—200mm，短半轴b取值范围在30—150mm。从动轴Ⅰ16一端通过轴肩和止动螺母固定一主动杆Ⅰ33，这样从动轴Ⅰ16将带动主动杆Ⅰ33一起转动。滑动轴承轴套Ⅰ35安装在从动件Ⅰ37中，主动杆Ⅰ33和滑动轴承轴套Ⅰ35相互配合组成了滑动轴承结构，形成了滑动副，并且从动件Ⅰ37依靠主动杆Ⅰ33实现轴向定位，滑动轴承轴套Ⅰ35可以沿着主动杆Ⅰ33滑动，因为滑动轴承轴套Ⅰ35安装在从动件Ⅰ37中，因此也就是实现了从动件Ⅰ37沿主动杆Ⅰ33滑动，另外当从动轴Ⅰ16带动主动杆Ⅰ33旋转时，主动杆Ⅰ33同样会带动从动件Ⅰ37一起围绕着从动轴Ⅰ16的轴线转动。从动件Ⅰ37下端安装有滚子Ⅰ39，并且滚子Ⅰ39置于凸轮槽Ⅰ53中，并可以沿凸轮槽Ⅰ53内壁滚动。当主动杆Ⅰ33带动从动件Ⅰ37一起绕着从动轴Ⅰ16的轴线旋转时，滚子Ⅰ39也会随着从动件Ⅰ37绕着从动轴Ⅰ16的轴线旋转，由于椭圆上每点到椭圆中心的距离不完全相等，此时滚子Ⅰ39就会受到凸轮槽Ⅰ53内壁的约束力，这种约束力会推动滚子Ⅰ39，进而带动从动件Ⅰ37沿主动杆Ⅰ33相对滑动。所以我们最终得到的运动形式就是从动件Ⅰ37既要随着主动杆Ⅰ33一起绕着从动轴Ⅰ16的轴线转动，还要受凸轮槽Ⅰ53内壁的约束沿着从动杆Ⅰ33滑动，最终实现一种轨迹为椭圆形的平面回旋运动。同样从动轴Ⅱ17一端通过轴肩和止动螺母固定一主动杆Ⅱ34，这样从动轴Ⅱ17将带动主动杆Ⅱ34一起转动，这里要保证主动杆Ⅰ33和主动杆Ⅱ34平行且同向。滑动轴承轴套Ⅱ36安装在从动件Ⅱ38中，主动杆Ⅱ34和滑动轴承轴套Ⅱ36相互配合组成了滑动轴承结构，形成了滑动副，并且从动件Ⅱ38依靠主动杆Ⅱ34实现轴向定位，滑动轴承轴套Ⅱ36可以沿着主动杆Ⅱ34滑动，因为滑动轴承轴套Ⅱ36安装在从动件Ⅱ38中，因此也就是实现了从动件Ⅱ38沿主动杆Ⅱ34滑动，另外当从动轴Ⅱ17带动主动杆Ⅱ34旋转时，主动杆Ⅱ34同样会带动从动件Ⅱ38一起围绕着从动轴Ⅱ17的轴线转动。从动件Ⅱ38下端安装有滚子Ⅱ40，并且滚子Ⅱ40置于凸轮槽Ⅱ54中，并可以沿凸轮槽Ⅱ54内壁滚动。当主动杆Ⅱ34带动从动件Ⅱ38一起绕着从动轴Ⅱ17的轴线旋转时，滚子Ⅱ40也会随着从动件Ⅱ38绕着从动轴Ⅱ17的轴线旋转，由于椭圆上每点到椭圆中心的距离不完全相等，此时滚子Ⅱ40就会受到凸轮槽Ⅱ54内壁的约束力，这种约束力会推动滚子Ⅱ40，进而带动从动件Ⅱ38沿主动杆Ⅱ34相对滑动。所以我们最终得到的运动形式就是从动件Ⅱ38既要随着主动杆Ⅱ34一起绕着从动轴Ⅱ17的轴线转动，还要受凸轮槽Ⅱ54内壁的约束沿着主动杆Ⅱ34滑动，最终同样实现一种轨迹为椭圆形的平面回旋运动。因为主动杆Ⅰ33和主动杆Ⅱ34平行且同向，并且从动轴Ⅰ16和从动轴Ⅱ17的转动为同步转动，所以主动杆Ⅰ33和主动杆Ⅱ34的运动同样为同步运动，因此从动件Ⅰ37和从动件Ⅱ38在随主动杆Ⅰ33和主动杆Ⅱ34各自转动中的角速度、所转过的角度均相等，又因为凸轮槽Ⅰ53和凸轮槽Ⅱ54完全一样，所以滚子Ⅰ39和滚子Ⅱ40所受的约束也就完全一样，由约束力引起的沿主动杆Ⅰ33和主动杆Ⅱ34相对滑动的速度也完全相同，因此可以得知从动件Ⅰ37和从动件Ⅱ38的运动完全相同，均为椭圆形的平面回旋运动。从动件Ⅰ37另一端安装有角接触球轴承Ⅶ41，角接触球轴承Ⅶ41内圈用轴肩和轴套Ⅳ47定位，轴套Ⅳ47另一侧用止动螺母固定，角接触球轴承Ⅶ41外圈安装在连杆49中，并用轴承端盖Ⅷ44保证定位，这样连杆49就能够与从动件Ⅰ37相对转动，轴承端盖Ⅶ43和轴承端盖Ⅷ44用螺栓安装在连杆49上，并用密封圈密封。从动件Ⅱ38另一端安装有角接触球轴承Ⅷ42，角接触球轴承Ⅷ42内圈用轴肩和轴套Ⅴ48固定，轴套Ⅴ48另一侧用止动螺母固定，角接触球轴承Ⅷ42外圈安装在连杆49中，并用轴承端盖Ⅹ46保证定位，这样连杆49就能够与从动件Ⅱ38相对转动，轴承端盖Ⅸ45和轴承端盖Ⅹ46用螺栓安装在连杆49上，并用密封圈密封。因为从动件Ⅰ37和从动件Ⅱ38的运动完全相同，并且连杆49分别和从动件Ⅰ37和从动件Ⅱ38通过角接触球轴承Ⅶ41和角接触球轴承Ⅷ42相连，所以连杆49最终会实现一种平动运动，其中连杆49中的每一点均做平面椭圆回旋运动。连杆49上用螺栓安装有支撑板50，支撑板50上安装有超声波震荡装置，超声波振荡装置的各个组成部件如图3所示。超声波振荡装置中的变幅杆Ⅰ60、变幅杆Ⅱ61、变幅杆Ⅲ62和变幅杆Ⅳ63分别加工有高强度螺栓孔Ⅰ66、高强度螺栓孔Ⅱ67、高强度螺栓孔Ⅲ68和高强度螺栓孔Ⅳ69，各变幅杆通过高强度螺栓和托盘51相连，并在螺纹连接处涂以凡士林油作传递介质，托盘51上安装有容器72，所以最终连杆49会带动支撑板50、超声波震荡装置、托盘51和容器72一同做平面内的椭圆回旋运动，最终的转速在20—80r/min范围内。

图3为超声波振荡装置部件图，由图可知，超声波发生器55安装在支撑板50上，超声波发生器55是将电压为220V，频率为50Hz的交流电转变为一定功率的超声频电信号，以提供凸轮滚子式超声波振动纳米流体混合装置托盘51在竖直平面内振动所需能量，图4为超声波发生器组成框图，它由电感反馈振荡电路73、变压器74、功率放大管75和电源76四部分组成。目前所使用的超声波发生器的功率在20—4000W，频率范围在16—50kHz，在此超声波发生器的功率P选用范围可以为200—2000W，频率f在16—25kHz的范围内。同时支撑板50上还均匀对称分布有超声波换能器Ⅰ56，超声波换能器Ⅱ57，超声波换能器Ⅲ58，超声波换能器Ⅳ59，超声波换能器的功能是将高频电能转变为高频率的机械振荡（超声波），在此利用磁致伸缩效应超声波换能器。磁致伸缩效应是指：铁、钴、镍及其合金的长度能随着所处的磁场强度变化而产生伸长或缩短的变形现象，当磁场消失时，它们又恢复原有尺寸。在此超声波发生器为纯镍片叠成封闭磁路的镍棒换能器，在两芯柱上同向绕以线圈（如图3所示）。将四个对称的换能器并联在超声波发生器55上，在交变磁场中，镍棒杆的长度将交变伸缩，其端面将产生振动，但超声波换能器产生的振动的振幅很小，即使镍棒的长度等于超声波半波长的整数倍，使之处于共振状态，振幅一般也不超过0.005—0.01mm，不能够直接被利用，必须通过变幅杆的放大后才能达到振幅要求。因此，在超声波换能器Ⅰ56，超声波换能器Ⅱ57，超声波换能器Ⅲ58，超声波换能器Ⅳ59上分别安装有变幅杆Ⅰ60，变幅杆Ⅱ61，变幅杆Ⅲ62，变幅杆Ⅳ63。变幅杆之所以能扩大振幅，是由于通过它的每一截面的振动能量是不变的（忽略传播损耗）截面小的地方能量密度变大，而能量密度J正比于振幅A的平方，即

$J=\frac{1}{2}{\mathrm{KA}}^2---\left(1\right)$

K＝ρcω²    （2）

式中，

J——能量密度；

A——振动振幅；

K——系数；

ρ——弹性介质密度；

c——弹性介质波速；

ω——圆频率，ω＝2πf；

f——振动频率。

由以上公式可知，截面面积越小，能量密度就越大，振动振幅也就越大。为了获得较大的振幅，应使变幅杆的固有振动频率和外激振动频率相等，处于共振状态。因此在设计制造变幅杆时，应使其长度L等于超声波振动波的半波长或其整倍数。由于波在介质中的波速c等于超声波的波长λ乘超声波频率f即

c＝λf    （3）

所以 $L=\frac{\mathrm{\λ}}{2}=\frac{1}{2}\frac{c}{f}---\left(4\right)$

变幅杆的三种基本形式有圆锥形、指数曲线形、阶梯型，在此选用阶梯型变幅杆（如图5），由公式（4）可得，使变幅杆的总长度并且两端不同截面积的均匀杆长度相等均为阶梯型变幅杆的面积系数等于两端面的直径比，即

$N=\frac{D_1}{D_2}---\left(5\right)$

D₁——变幅杆大端截面直径；

D₂——变幅杆小端截面直径；

N——阶梯型变幅杆的面积系数。

变幅杆的制作材料可以采用钢材，经查得超声波在钢中的传播速度c=5050m/s，超声波发生器的频率f在16—25kHz之间，将上述数据代入公式（3）（4），则可得出钢制阶梯型变幅杆的长度一般在半波长100—160mm之间。阶梯型变幅杆的振幅扩大比最大，可以达到20倍以上，阶梯型变幅杆的振幅放大倍数M和阶梯型变幅杆的面积系数N关系式如下

M＝N²    （6）

变幅杆的作用就是将超声波换能器产生的超声波进行放大再传递出去，所以变幅杆的输出端的振幅A′（如图6，其中①为变幅杆输出端振动的最低位置②为变幅杆的静止位置③为变幅杆输出端振动的最高位置）和超声波换能器的振幅A（如图7）有如下关系

A′＝MA    （7）

因为变幅杆的输出端和托盘通过高强度螺栓相连，所以最终托盘得到的超声波振幅即为变幅杆输出端的振幅。用镍片制成的换能器的振幅一般不超过0.005—0.01mm，而阶梯型变幅杆的振幅扩大比最大，可以达到20倍以上，所以，阶梯型变幅杆的输出振幅能够在0.01—0.2mm范围内选择。通常超声波频率和变幅杆材料形状是影响最终输出的超声波振幅的主要影响因素，因此可以根据不同的需要来适当选择超声波的频率和变幅杆的材料形状，以此达到不同工况的要求。

本发明的工作过程如下：

由图1可知，接通电源76后，直流电机4和超声波发生器55同时工作。直流电机4带动同步同步带轮Ⅰ5旋转，而同步齿形带2分别和同步带轮Ⅰ5与同步带轮Ⅱ7相互啮合，所以通过同步齿形带2将同步带轮Ⅰ5的动力传动给同步带轮Ⅱ7。同步带轮Ⅱ7通过平键Ⅰ6和主动轴8相连，同时主动轴8和主动齿轮13同样通过平键Ⅱ12相连，所以动力就依次由同步带轮Ⅱ7传递给了平键Ⅰ6、主动轴8、平键Ⅱ12和主动齿轮13。主动齿轮13分别和从动齿轮Ⅰ14和从动齿轮Ⅱ15啮合，从动齿轮Ⅰ14通过平键Ⅲ22和从动轴Ⅰ16相连，从动齿轮Ⅱ15通过平键Ⅳ23和从动轴Ⅱ17相连，因此主动齿轮同时带动从动齿轮Ⅰ14和从动齿轮Ⅱ15实现同步转动，从动齿轮Ⅰ14和从动齿轮Ⅱ15分别通过平键Ⅲ22和平键Ⅳ23带动从动轴Ⅰ16和从动轴Ⅱ17同步转动。从动轴Ⅰ16一端通过轴肩和止动螺母固定一主动杆Ⅰ33，这样从动轴Ⅰ16将带动主动杆Ⅰ33一起转动。滑动轴承轴套Ⅰ35安装在从动件Ⅰ37中，主动杆Ⅰ33和滑动轴承轴套Ⅰ35相互配合组成了滑动轴承结构，形成了滑动副，并且从动件Ⅰ37依靠主动杆Ⅰ33实现轴向定位，滑动轴承轴套Ⅰ35可以沿着主动杆Ⅰ33滑动，因为滑动轴承轴套Ⅰ35安装在从动件Ⅰ37中，因此也就是实现了从动件Ⅰ37沿主动杆Ⅰ33滑动，另外当从动轴Ⅰ16带动主动杆Ⅰ33旋转时，主动杆Ⅰ33同样会带动从动件Ⅰ37一起围绕着从动轴Ⅰ16的轴线转动。从动件Ⅰ37下端安装有滚子Ⅰ39，并且滚子Ⅰ39置于凸轮槽Ⅰ53中，并可以沿凸轮槽Ⅰ53内壁滚动。当主动杆Ⅰ33带动从动件Ⅰ37一起绕着从动轴Ⅰ16的轴线旋转时，滚子Ⅰ39也会随着从动件Ⅰ37绕着从动轴Ⅰ16的轴线旋转，由于椭圆上每点到椭圆中心的距离不完全相等，此时滚子Ⅰ39就会受到凸轮槽Ⅰ53内壁的约束力，这种约束力会推动滚子Ⅰ39，进而带动从动件Ⅰ37沿主动杆Ⅰ33相对滑动。所以我们最终得到的运动形式就是从动件Ⅰ37既要随着主动杆Ⅰ33一起绕着从动轴Ⅰ16的轴线转动，还要受凸轮槽Ⅰ53内壁的约束沿着从动杆Ⅰ33滑动，最终实现一种轨迹为椭圆形的平面回旋运动。同样从动轴Ⅱ17一端通过轴肩和止动螺母固定一主动杆Ⅱ34，这样从动轴Ⅱ17将带动主动杆Ⅱ34一起转动，这里要保证主动杆Ⅰ33和主动杆Ⅱ34平行且同向。滑动轴承轴套Ⅱ36安装在从动件Ⅱ38中，主动杆Ⅱ34和滑动轴承轴套Ⅱ36相互配合组成了滑动轴承结构，形成了滑动副，并且从动件Ⅱ38依靠主动杆Ⅱ34实现轴向定位，滑动轴承轴套Ⅱ36可以沿着主动杆Ⅱ34滑动，因为滑动轴承轴套Ⅱ36安装在从动件Ⅱ38中，因此也就是实现了从动件Ⅱ38沿主动杆Ⅱ34滑动，另外当从动轴Ⅱ17带动主动杆Ⅱ34旋转时，主动杆Ⅱ34同样会带动从动件Ⅱ38一起围绕着从动轴Ⅱ17的轴线转动。从动件Ⅱ38下端安装有滚子Ⅱ40，并且滚子Ⅱ40置于凸轮槽Ⅱ54中，并可以沿凸轮槽Ⅱ54内壁滚动。当主动杆Ⅱ34带动从动件Ⅱ38一起绕着从动轴Ⅱ17的轴线旋转时，滚子Ⅱ40也会随着从动件Ⅱ38绕着从动轴Ⅱ17的轴线旋转，由于椭圆上每点到椭圆中心的距离不完全相等，此时滚子Ⅱ40就会受到凸轮槽Ⅱ54内壁的约束力，这种约束力会推动滚子Ⅱ40，进而带动从动件Ⅱ38沿主动杆Ⅱ34相对滑动。所以我们最终得到的运动形式就是从动件Ⅱ38既要随着主动杆Ⅱ34一起绕着从动轴Ⅱ17的轴线转动，还要受凸轮槽Ⅱ54内壁的约束沿着主动杆Ⅱ34滑动，最终同样实现一种轨迹为椭圆形的平面回旋运动。因为主动杆Ⅰ33和主动杆Ⅱ34平行且同向，并且从动轴Ⅰ16和从动轴Ⅱ17的转动为同步转动，所以主动杆Ⅰ33和主动杆Ⅱ34的运动同样为同步运动，因此从动件Ⅰ37和从动件Ⅱ38在随主动杆Ⅰ33和主动杆Ⅱ34各自转动中的角速度、所转过的角度均相等，又因为凸轮槽Ⅰ53和凸轮槽Ⅱ54完全一样，所以滚子Ⅰ39和滚子Ⅱ40所受的约束也就完全一样，由约束力引起的沿主动杆Ⅰ33和主动杆Ⅱ34相对滑动的速度也完全相同，因此可以得知从动件Ⅰ37和从动件Ⅱ38的运动完全相同。从动件Ⅰ37另一端安装有角接触球轴承Ⅶ41，角接触球轴承Ⅶ41内圈用轴肩和轴套Ⅳ47定位，轴套Ⅳ47另一侧用止动螺母固定，角接触球轴承Ⅶ41外圈安装在连杆49中，并用轴承端盖Ⅷ44保证定位，这样连杆49就能够与从动件Ⅰ37相对转动，轴承端盖Ⅶ43和轴承端盖Ⅷ44用螺栓安装在连杆49上，并用密封圈密封。从动件Ⅱ38另一端安装有角接触球轴承Ⅷ42，角接触球轴承Ⅷ42内圈用轴肩和轴套Ⅴ48固定，轴套Ⅴ48另一侧用止动螺母固定，角接触球轴承Ⅷ42外圈安装在连杆49中，并用轴承端盖Ⅹ46保证定位，这样连杆49就能够与从动件Ⅱ38相对转动，轴承端盖Ⅸ45和轴承端盖Ⅹ46用螺栓安装在连杆49上，并用密封圈密封。因为从动件Ⅰ37和从动件Ⅱ38的运动完全相同，并且连杆49分别和从动件Ⅰ37和从动件Ⅱ38通过角接触球轴承Ⅶ41和角接触球轴承Ⅷ42相连，所以连杆49最终会实现一种平动，其中连杆49中的每一点均做平面椭圆回旋运动。连杆49上用螺栓安装有支撑板50，支撑板50上安装有超声波振荡装置，超声波振荡装置中的变幅杆Ⅰ60、变幅杆Ⅱ61、变幅杆Ⅲ62和变幅杆Ⅳ63分别加工有高强度螺栓孔Ⅰ66、高强度螺栓孔Ⅱ67、高强度螺栓孔Ⅲ68和高强度螺栓孔Ⅳ69，各变幅杆通过高强度螺栓和托盘51相连，并在螺纹连接处涂以凡士林油作传递介质，所以最终连杆会带动支撑板50、超声波震荡器、托盘51和容器72一同做平面内的椭圆回旋运动。电源76接通后，超声波发生器55就会将220V、50Hz的交流电转变为16—25kHz的超声频电信号，然后并联到超声波发生器的超声波换能器Ⅰ56、超声波换能器Ⅱ57、超声波换能器Ⅲ58和超声波换能器Ⅳ59就会将这种超声频电信号转变为超声波，然后通过变幅杆Ⅰ60、变幅杆Ⅱ61、变幅杆Ⅲ62和变幅杆Ⅳ63分别对产生的超声波振幅进行放大，最后变幅杆将振幅放大后的超声波通过高强度螺栓传递到托盘50上，这样就实现了托盘在竖直平面的振动，从而引起容器72内的纳米流体中的纳米粒子上下振动。综上所述，当接通电源76以后凸轮滚子式超声波振动纳米流体混合装置可以同时实现水平面内的椭圆形回旋转动和竖直平面内的超声波振动，保证纳米流体的充分混合。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种凸轮滚子式超声波振动纳米流体混合装置，其特征是，包括动力传动装置和超声波振动装置，所述的动力传动装置与动力源连接，所述动力传动装置包括凸轮装置、两个同步转动的从动轴，所述的凸轮装置包括凸轮，凸轮上加工有两个椭圆槽，从动轴穿过凸轮，两个从动轴上分别固定有主动杆，从动件中安装有滑动轴承轴套，主动杆通过滑动轴承轴套穿过从动件，主动杆和从动件组成滑动轴承结构，并且从动件依靠主动杆实现轴向定位，滑动轴承轴套能够沿着主动杆滑动，从动件底端安装有滚子，滚子能够在凸轮的椭圆槽内沿固定轨迹运动，从动件的另一端通过安装有连杆，连杆上固定有支撑板，支撑板上安装有超声波振荡装置；所述的超声波振荡装置包括超声波发生器、超声波换能器、变幅杆，超声波发生器和电源相连，超声波换能器接在超声波发生器的正负两极，变幅杆固定在超声波换能器一端，变幅杆还和托盘相连；所述超声波换能器是由纯镍片叠成封闭磁路的镍棒换能器，在两芯柱上同向绕以线圈，通入高频交流电源使之伸缩变形，其伸缩变形振幅A在0.005—0.01mm之间；所述变幅杆为钢制阶梯型变幅杆，长度在100—160mm之间。

2.如权利要求1所述的凸轮滚子式超声波振动纳米流体混合装置，其特征是，所述凸轮椭圆槽理论廓线的长半轴的取值范围在50—200mm，短半轴取值范围在30—150mm。

3.如权利要求1所述的凸轮滚子式超声波振动纳米流体混合装置，其特征是，所述从动件上端分别安装有角接触球轴承，其中角接触球轴承通过轴肩、轴套、轴承端盖与连杆定位。

4.如权利要求1所述的凸轮滚子式超声波振动纳米流体混合装置，其特征是，所述凸轮滚子式超声波振动纳米流体混合装置还包括齿轮传动装置，所述齿轮传动装置包括主动轴，所述主动轴上通过平键、轴肩和轴套固定有主动齿轮，主动轴两端分别与角接触球轴承连接并定位，所述角接触球轴承通过轴套和轴承端盖定位；主动齿轮分别和两个从动齿轮啮合，从动齿轮通过平键、轴肩和轴套在从动轴上定位，从动轴两端分别与角接触球轴承连接并定位，角接触球轴承通过轴肩和轴承端盖定位。

5.如权利要求4所述的凸轮滚子式超声波振动纳米流体混合装置，其特征是，所述主动轴通过平键、同步带轮、同步齿形带与动力源连接。

6.如权利要求1所述的凸轮滚子式超声波振动纳米流体混合装置，其特征是，所述变幅杆的总长度L＝λ/2，并且两端不同截面积的均匀杆长度相等，均为λ/4。