CN114012498A - 一种多能场驱动静电雾化微量润滑剂输运装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多能场驱动静电雾化微量润滑剂输运装置，属于机械加工设备技术领域，包括微量润滑装置、辅助荷电装置、静电驱动及控制装置；所述微量润滑装置包括微量泵及与微量泵连通的辅助荷电装置，微量泵还与频率发生器连接；所述静电驱动及控制装置包括高压静电发生器，高压静电发生器输出端分别与辅助荷电装置和喷嘴连接；所述辅助荷电装置包括壳体，壳体内设置荷电器，壳体上部设置输油管，壳体下部设置气液输送管和进气管路，气液输送管与喷嘴连接，将冷却润滑油、压缩气输送给喷嘴。

Description

一种多能场驱动静电雾化微量润滑剂输运装置

技术领域

本发明涉及机械加工设备技术领域，特别是涉及一种多能场驱动静电雾化微量润滑剂输运装置。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

在机械加工领域中，相比于传统的浇注式外冷却等润滑方式，微量润滑技术(MQL)更加适应了绿色制造和可持续发展的理念。它是将微量的润滑液、水和具有一定压力的气体混合雾化后，喷射到切削区起到冷却润滑作用的一种技术，这一技术在保证有效润滑和冷却效果的前提下，使用最小限度的磨削液(约为传统浇注式润滑方式用量的千分之几)，以降低成本和对环境的污染以及对人体的伤害。

目前，微量润滑切削液在高压气体的携带作用下，射流过程中会散发到周围环境中。在流体喷射到工件表面时部分切削液会发生反弹从而散发到空气中，一方面会污染环境，另一方面降低了微量润滑切削液的冷却润滑作用。现如今我们正高度关注着在使用微量润滑加工时润滑液与冷却液对操作人员健康的影响，如，操作人员会得各种各样的呼吸系统疾病，包括职业性气喘、过敏性肺炎、肺功能丧失和皮肤病如过敏、油痤疮、和皮肤癌等。微量润滑的工业关注点是以空气为动力的雾滴给操作人员带来的潜在健康危害。在微量润滑以压缩空气为动力的喷射中雾滴喷射出以后不再受到约束，其运动不再可控，会发生扩散、漂移等一系列问题。然而这些问题的出现会使颗粒微小的雾滴扩散到工作环境中，不仅对环境造成了极大的污染而且会对工作人员造成极大的健康危害。当雾滴的大小小于4μm甚至能引起各种各样的职业病。根据实际报道即使短时间暴露在这种环境下也可能损坏肺功能。为此美国职业安全健康研究所建议矿物油雾滴的暴露极限浓度为0.5mg/m³。

为了确保工作人员的健康，必须对微量润滑过程中微小液滴加以控制，减少扩散量。有研究者想到利用高压电场对射流进行控制，即，根据静电吸引原理，以接地的工件作为正极，雾化喷嘴接高压电作为负极，喷嘴通电会和工件之间产生一个高压静电场，喷嘴喷出的油雾以接触荷电或电晕荷电的方式带有负电荷，在静电场的作用下，油雾沿电场线方向高效、均匀地被喷射到工件切削区域。

现有的纳米流体微量润滑静电雾化可控射流内冷工艺用系统，通过静电雾化原理可以使微量润滑切削液雾滴在喷射中实现可控分布，能够提高雾滴谱的均匀性、沉积效率和液体有效利用率，并且能够有效的控制雾滴的运动规律，从而降低对环境的污染，为工作人员提供了更好的健康保障。系统包括可调高压直流电源、内冷刀具转换器、高压电转换装置和集成喷嘴。微量润滑系统通过内冷刀具转换器向内冷钻头供给微量润滑切削液。可调高压直流电源将正极电通过高压电转换装置传输给集成喷嘴的电极针，将负极电接地并通过电磁接头传输到工件，使电极针——工件区域形成电晕荷电场，对微量润滑切削液电晕荷电，实现静电雾化作用。

部分学者提出了一种机械加工中磨削液供给装置，其特点是：其磨削系统安装有电晕荷电喷嘴，电晕荷电喷嘴的喷嘴体与供液系统、供气系统连接，喷嘴体下部的高压直流静电发生器与可调高压直流电源的负极连接，可调高压直流电源的正极与工件加电装置连接，工件加电装置附着于工件的不加工表面；纳米流体磨削液通过供液系统送入电晕荷电喷嘴，同时供气系统将压缩空气送入电晕荷电喷嘴，纳米流体磨削液由压缩空气带动从喷嘴体出口喷出雾化的同时被高压直流静电发生器荷电为可控射流，在电场力及气动力的作用下可控的分布到加工工件的磨削区。

另有部分学者提出了一种静电微量润滑装置，包括静电发生装置、供液装置、气液电汇流装置、气液电输送管、荷电装置、喷嘴；所述静电发生装置包括静电发生器、输送电线，由电源供电，通过输送电线将高压电输送至气液电汇流装置；所述供液装置由储液箱、第一液管和供液泵组成，输出的润滑液通过第一液管输送至气液电汇流装置；外部气源通过第一气管将高压气体输送至气液电汇流装置；通过气液电汇流装置和荷电装置，实现对润滑液荷电，喷出荷电气雾。

发明人发现，目前研究者们利用静电雾化技术在微量润滑切削液射流控制、雾滴粒径控制等方面做出了突出贡献，将高速混合射流和高压电场有机结合，达到了良好的加工效果，然而在应用过程中仍然存在一些不足：静电雾化装置的静电驱动电路容易出现频率漂移、幅值变化大的问题，使高压端电压不稳定，造成雾滴粒不均，而且不能及时对喷嘴处各参数变化做出反应形成闭环调节；采用纳米流体作为润滑剂时，缺少搅拌过程，其中的纳米粒子容易沉积，不能有效提高润滑剂的换热能力；不同工况下会用到不同种类的润滑油或者改变供油方式，且各类油液导电率不一，仅依靠喷嘴对油液进行荷电，不能保证荷电效率和被荷电油液的电荷分布均匀性；雾化电压较高时，电荷会沿着输油管道回流，使设备外壳带电，降低了荷电效率甚至造成触电事故。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种多能场驱动静电雾化微量润滑剂输运装置，采用气动扰流的方式对油液进行搅拌避免纳米粒子堆积；利用电荷的趋肤效应设置了辅助荷电装置以增加带电表面与油液的接触面积提高荷电效率和荷电分布均匀性，并改变了输油通路中的油液流动状态阻断电荷回流通路，解决了现有静电雾化微量润滑剂输运装置雾滴粒不均、电荷分布不均以及易出现触电事故的问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提出一种多能场驱动静电雾化微量润滑剂输运装置，包括微量润滑装置、辅助荷电装置、静电驱动及控制装置；所述微量润滑装置包括微量泵及与微量泵连通的辅助荷电装置，微量泵还与频率发生器连接；所述静电驱动及控制装置包括高压静电发生器，高压静电发生器输出端分别与辅助荷电装置和喷嘴连接；所述辅助荷电装置包括壳体，壳体内设置荷电器，壳体上部设置输油管，壳体下部设置气液输送管和进气管路，气液输送管与喷嘴连接，将冷却润滑油、压缩气输送给喷嘴，喷嘴处的油液在压缩气和高压静电场的作用下雾化并喷射至工件加工区域进行冷却润滑。

作为进一步的技术方案，所述荷电器包括并列设置多个柱体，柱体底部与底板连接，底板与高压静电发生器连接。

作为进一步的技术方案，所述输油管水平设置且延伸至壳体内设定距离，输油管端部设有与输油管轴线垂直朝上设置的开口，输油管还与微量泵连接。

作为进一步的技术方案，所述气液输送管包括同轴设置的气管和油管，油管与壳体连通，气管套设于油管外侧且与进气管路连通；所述进气管路处设置节流阀，节流阀与第一动力装置连接，第一动力装置与控制板连接。

作为进一步的技术方案，所述微量泵包括泵体，泵体具有腔体，腔体内设置柱塞，腔体的输入端与第一进气口连通，腔体的输出端与第一输出口连通，第一输出口与进油口、第二进气口连通，柱塞外侧设置限位器以调节柱塞行程，限位器与第二动力装置连接。

作为进一步的技术方案，所述第一进气口、第二进气口均与频率发生器连接，所述进油口与油杯连通，由频率发生器发出的脉冲气流一部分驱动柱塞运动一部分进入油杯对其内油液产生扰动搅拌。

作为进一步的技术方案，所述高压静电发生器设有驱动电路，驱动电路与升压整流电路导通。

作为进一步的技术方案，所述驱动电路设有振荡器、稳压开关电路和开关放大电路，振荡器产生振荡频率的高频信号，稳压开关电路将高频信号转变为稳定的周期性高频低幅电压，开关放大电路将高频低幅电压进行放大并输入升压整流电路，产生稳定可调高频信号。

作为进一步的技术方案，所述升压整流电路包括高压线圈和倍压整流电路，高压线圈将来自驱动电路的高频低幅电压进行转换为0-6kv的高压高频交流电，倍压整流电路对高压高频交流电进行整流得到0-60kv高压直流电。

作为进一步的技术方案，还包括主控板，所述主控板设有控制中心、电压调控电路、电流采集电路、电压采集电路、总线，总线将控制中心与电压调控电路、电流采集电路、电压采集电路导通。

上述本发明的有益效果如下：

本发明在微量泵和喷嘴之间设置了辅助荷电装置，利用电荷的趋肤效应通过装置内金属电极增加了带电表面与油液的接触面积，提高了荷电效率和荷电均匀性。

本发明将输油管的开口朝上设置，油液进入辅助荷电装置时会经过上扬到下落的过程，油液在这一过程中由连续液束变为分散的大液滴，避免了未带电油液和带电油液直接接触，阻止电荷回流，提高了设备工作安全性。

本发明在油泵上设置与油杯底部相连的进气孔，驱动油泵的方波脉冲气流有一部分经气孔进入油杯，会在油杯内产生扰动气泡，在油液中加入纳米粒子时，扰动气泡可以形成搅拌作用，避免纳米粒子沉积，有效提高了润滑剂的换热能力。

本发明在高压静电发生器中基于电磁感应定律设计了定频稳压振荡电路，使升压端稳定输出0-60kv可调高压静电。且主控板控制中心中通过设置微控制器，一方面实现了电压闭环控制，另一方面利用其串口通讯功能实现了设备与机床或电脑之间信息交互。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的一种多能场驱动静电雾化微量润滑剂输运装置的整体结构示意图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的微量泵的整体结构示意图；

图3是本发明根据一个或多个实施方式的辅助荷电装置的整体结构示意图；

图4是本发明根据一个或多个实施方式的微量润滑装置气压回路示意图；

图5是本发明根据一个或多个实施方式的静电发生器电路示意图；

图6是本发明根据一个或多个实施方式的主控板结构示意图；

图7是本发明根据一个或多个实施方式的主控板电路示意图；

图8是本发明根据一个或多个实施方式的系统控制关系示意图；

图9是本发明根据一个或多个实施方式的静电雾化原理示意图；

图10是本发明根据一个或多个实施方式的实际雾化效果对比关系示意图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；

其中，1、空气压缩机；2、储气罐；3、压力表；4、调压阀；5、第二节流阀；6、溢流阀；7、喷嘴；

箱体Ⅰ、微量润滑装置Ⅱ、静电驱动及控制装置Ⅲ；

壳体Ⅰ-1、隔板Ⅰ-1-1、箱盖Ⅰ-2；

微量泵Ⅱ-1、进油口Ⅱ-1-1、进气口Ⅱ-1-2、输出口Ⅱ-1-3、泵体Ⅱ-1-4、柱塞Ⅱ-1-5、弹簧Ⅱ-1-6、限位器Ⅱ-1-7、进气口Ⅱ-1-8；

辅助荷电装置Ⅱ-2、柱体Ⅱ-2-1、底板Ⅱ-2-2、型腔Ⅱ-2-3、壳体Ⅱ-2-4、端盖Ⅱ-2-5、高压电缆Ⅱ-2-6、输油管Ⅱ-2-7、输出口Ⅱ-2-8、气液输送管Ⅱ-2-9、进气口Ⅱ-2-10、节流阀Ⅱ-2-11；

频率发生器Ⅱ-3、电磁阀Ⅱ-4、电磁阀Ⅱ-5、油杯Ⅱ-6、过滤器Ⅱ-7；

高压静电发生器Ⅲ-1、主控板Ⅲ-2、变压器Ⅲ-3、总控开关Ⅲ-4、保险丝Ⅲ-5、触摸屏Ⅲ-6；

驱动电路Ⅲ-1-1、升压整流电路Ⅲ-1-2；

控制中心Ⅲ-2-1、电压调控电路Ⅲ-2-2、电流采集电路Ⅲ-2-3、电压采集电路Ⅲ-2-4、A/D转换电路Ⅲ-2-5、总线Ⅲ-2-6。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

正如背景技术所介绍的，现有静电雾化微量润滑剂输运装置存在雾滴粒不均、电荷分布不均以及易出现触电事故的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种多能场驱动静电雾化微量润滑剂输运装置。

实施例1

本发明的一种典型的实施方式中，如图1-图10所示，提出一种多能场驱动静电雾化微量润滑剂输运装置，包括，箱体Ⅰ、微量润滑装置Ⅱ和静电驱动及控制装置Ⅲ。

微量润滑装置Ⅱ和静电驱动及控制装置Ⅲ集成在箱体Ⅰ内，用于将冷却润滑油、压缩气高压静电输送给喷嘴，喷嘴处的油液在压缩气和高压静电场的作用下雾化并喷射至工件加工区域进行冷却润滑。

其中，微量润滑装置Ⅱ的作用是控制气液输出、进行油液搅拌和预荷电处理；静电驱动及控制装置Ⅲ一方面可以产生并输出高压静电，另一方面可以控制整机的运行。

箱体部分Ⅰ负责承载微量润滑装置Ⅱ和静电驱动及控制装置Ⅲ，其包括壳体Ⅰ-1和箱盖Ⅰ-2，壳体Ⅰ-1内部的隔板Ⅰ-1-1将壳体Ⅰ-1分成上下两层，上层空间为微量润滑装置Ⅱ安装区域，下层空间为静电驱动及控制装置Ⅲ安装区域。

壳体Ⅰ-1背部可以设置磁铁或者挂钩等，在实际应用中可以随时将设备吸附或挂靠在机床外壳等设施上，方便设备移动和固定；箱盖Ⅰ-2前部平面区域用于安装触摸屏Ⅲ-6，以实现人机交互。

安装在壳体Ⅰ-1上层空间内的微量润滑装置Ⅱ包括微量泵Ⅱ-1、辅助荷电装置Ⅱ-2、频率发生器Ⅱ-3、电磁阀Ⅱ-4(即为第一电磁阀)、电磁阀Ⅱ-5(即为第二电磁阀)、油杯Ⅱ-6和过滤器Ⅱ-7，微量泵Ⅱ-1可以实现微量供油，使油液进入辅助荷电装置Ⅱ-2进行预荷电处理，辅助荷电装置Ⅱ-2同时使油液和压缩气汇流通过管道输送至喷嘴。

其中，微量泵Ⅱ-1和辅助荷电装置Ⅱ-2并列设置，微量泵Ⅱ-1采用气动式柱塞泵，与频率发生器Ⅱ-3连接，通过频率发生器Ⅱ-3改变气流状态来驱动微量泵Ⅱ-1的工作，电磁阀Ⅱ-4与频率发生器Ⅱ-3连接，电磁阀Ⅱ-5与辅助荷电装置Ⅱ-2连接，电磁阀Ⅱ-4和电磁阀Ⅱ-5均用于控制气路的通断，油杯Ⅱ-6安装在微量泵Ⅱ-1上，压缩气通过过滤器Ⅱ-7接入微量润滑装置Ⅱ。

可以理解的是，频率发生器Ⅱ-3、电磁阀Ⅱ-4和电磁阀Ⅱ-5的设置位置根据实际安装空间进行确定，这里不做过多限制。

本实施例中，微量泵Ⅱ-1在现有柱塞泵的基础上进行了改装，结合图2对微量泵Ⅱ-1的结构和工作过程作进一步的说明，如图所示，微量泵Ⅱ-1包括进油口Ⅱ-1-1、进气口Ⅱ-1-2(即为第一进气口)、输出口Ⅱ-1-3(即为第一输出口)、泵体Ⅱ-1-4、柱塞Ⅱ-1-5、弹簧Ⅱ-1-6、限位器Ⅱ-1-7、进气口Ⅱ-1-8(即为第二进气口)。

第一进气口设置在腔体的输入端，第一输出口设置在腔体的输出端；此处的输入端、输出端是按微量泵的输出方向确定。

进油口Ⅱ-1-1与进气口Ⅱ-1-2分别设置在泵体Ⅱ-1-4的两侧，泵体Ⅱ-1-4的内部开设有腔体，该腔体内设有柱塞Ⅱ-1-5、弹簧Ⅱ-1-6和限位器Ⅱ-1-7，柱塞Ⅱ-1-5的末端为限位器Ⅱ-1-7，限位器Ⅱ-1-7可以调节柱塞Ⅱ-1-5的行程，弹簧Ⅱ-1-6套设在柱塞Ⅱ-1-5上，一端与柱塞Ⅱ-1-5接触，另一端与腔体壁接触；限位器Ⅱ-1-7活动设置在泵体Ⅱ-1-4内，限位器Ⅱ-1-7突出泵体Ⅱ-1-4的一端设置步进电机，微控制器可以控制步进电机带动限位器Ⅱ-1-7旋转，实现自动调节泵油量。

腔体的一端设有输出口Ⅱ-1-3，柱塞Ⅱ-1-5的首端设置在输出口Ⅱ-1-3内，输出口Ⅱ-1-3与进油口Ⅱ-1-1连通，通过柱塞Ⅱ-1-5将油液泵出，进油口Ⅱ-1-1还与进气口Ⅱ-1-8连通，用于对油杯Ⅱ-6内的油液产生扰动；进气口Ⅱ-1-2与腔体连通，并设置在柱塞Ⅱ-1-5和限位器Ⅱ-1-7之间，用于柱塞Ⅱ-1-5行程的调节。

具体的工作过程为：

由进气口Ⅱ-1-2进入的压缩气驱动柱塞Ⅱ-1-5做往复运动，将流进进油口Ⅱ-1-1的油液泵出，压缩气进入微量泵Ⅱ-1之前会经由频率发生器Ⅱ-3改变流动状态，从直流形式变为方波脉冲形式，在一个方波周期内，工作开始时压缩气经过进气口Ⅱ-1-2进入到泵体Ⅱ-1-4内推动柱塞Ⅱ-1-5将油液泵出，工作完成后没有压缩气输入，柱塞Ⅱ-1-5在弹簧Ⅱ-1-6的作用下复位，通过频率发生器Ⅱ-3、柱塞Ⅱ-1-5做定周期的往复运动，不断向外泵油，旋转限位器Ⅱ-1-7可以调节柱塞Ⅱ-1-5的行程，进而可以调节泵油量。

由于油杯Ⅱ-6中的油液常常会加入纳米粒子以增强油液的换热能力，纳米粒子容易在油杯中沉积不易被泵出，将进气口Ⅱ-1-2和进气口Ⅱ-1-8一同和频率发生器Ⅱ-3相连。

通过上述设置，在柱塞Ⅱ-1-5将油液推出的同时，从频率发生器Ⅱ-3发出的方波脉冲气流有一部分依次经过进气口Ⅱ-1-8、进油口Ⅱ-1-1从油杯Ⅱ-6底部的出油口进入油杯Ⅱ-6，对对油杯Ⅱ-6内的油液产生扰动，每个方波周期内进入油杯Ⅱ-6的气体会形成一个气泡，气泡会对油杯Ⅱ-6内的油液产生扰动，从而达到对油液进行搅拌的作用，避免纳米粒子沉积。

辅助荷电装置的主要作用是使油液输送至喷嘴之前进行预荷电处理，并进行气液汇流，其结构如图3所示，辅助荷电装置Ⅱ-2包括柱体Ⅱ-2-1、底板Ⅱ-2-2、型腔Ⅱ-2-3、壳体Ⅱ-2-4、端盖Ⅱ-2-5、高压电缆Ⅱ-2-6、输油管Ⅱ-2-7、输出口Ⅱ-2-8(即为第二输出口)、气液输送管Ⅱ-2-9、进气口Ⅱ-2-10(即为第三进气口)、节流阀Ⅱ-2-11(即为第一节流阀)。

柱体Ⅱ-2-1和底板Ⅱ-2-2为金属材质，组成荷电器，柱体Ⅱ-2-1与底板Ⅱ-2-2一体化设置，通过柱体Ⅱ-2-1底部的螺纹安装在型腔Ⅱ-2-3底部，高压电缆Ⅱ-2-6与底板Ⅱ-2-2连接，高压电缆Ⅱ-2-6与静电驱动及控制装置的高压静电发生器连接，通入高压电并传递给每个柱体。

其中，柱体Ⅱ-2-1设置多组，均匀分布在底板Ⅱ-2-2上，以增大与油液的接触面积，型腔Ⅱ-2-3由端盖Ⅱ-2-5密封，为了保证密封效果可以在型腔Ⅱ-2-3和端盖Ⅱ-2-5之间设置橡胶密封胶垫。

输油管Ⅱ-2-7水平安装进型腔Ⅱ-2-3内，且位于柱体Ⅱ-2-1的上部，输油管Ⅱ-2-7的一端与微量泵Ⅱ-1的输出口Ⅱ-1-3连接，用于将油液输送至型腔Ⅱ-2-3内，输油管Ⅱ-2-7的另一端设有与管道轴线垂直的开口，开口朝上设置，油液进入时会经过上扬到下落的过程，会使得油液在这一过程中由液束变为分散的液滴，避免了未带电油液和带电油液直接接触，阻止电荷回流。

油液在型腔Ⅱ-2-3内与荷电器接触进行预荷电处理之后由输出口Ⅱ-2-8输出，输出口Ⅱ-2-8同时起到气液汇流作用，其与气液输送管Ⅱ-2-9连接，气液输送管Ⅱ-2-9为同轴输送管，一粗一细，气管嵌套在油管外部，用于油液雾化的压缩气通过进气口Ⅱ-2-10进入壳体Ⅱ-2-4，在输出口Ⅱ-2-8与油液汇流并分别进入气管和液管。

气流量通过节流阀Ⅱ-2-11调节，壳体Ⅱ-2-4靠近输出口Ⅱ-2-8的位置设有安装孔，安装孔分别与输出口Ⅱ-2-8、进气口Ⅱ-2-10连通，节流阀Ⅱ-2-11设置在安装孔内，节流阀Ⅱ-2-11阀芯上端部为圆锥面，旋转阀芯可以调节进气间隙，从而达到调节气流量的目的；节流阀Ⅱ-2-11下端设置步进电机，微控制器可以控制步进电机带动节流阀Ⅱ-2-11阀芯旋转，实现自动调节气流量。

可以理解的是，为了避免触电以及防止对液滴电荷的影响，装置中壳体Ⅱ-2-4、端盖Ⅱ-2-5、气管、液管均为可绝缘的塑料、橡胶、树脂等材质。

辅助荷电装置Ⅱ-2可以与各类静电雾化喷嘴配合使用，提高不同种类润滑油的荷电效率。由于在实际应用过程中，需要用到不同种类的喷嘴及不同种类的润滑油，各类喷嘴荷电方式不一，各类油液的导电率也有所不同，型腔Ⅱ-2-3中多组柱体Ⅱ-2-1增加了带电表面的面积，提高了荷电效率，根据电荷的趋肤效应，带电表面对油液进行预先接触式荷电时接触面积越大荷电效率越高，从而提高了装置的适用性。

辅助荷电装置Ⅱ-2适用于连续供油、脉冲供油等不同的供油方式。不同工况下，油液的供给方式有所差别，供油方式的改变容易使雾滴荷电不均匀，例如脉冲供油时，油液容易在喷嘴出口处堆积导致雾滴电荷量忽高忽低，降低冷却润滑效果，型腔Ⅱ-2-3可以储存一定量的油液，从输油管Ⅱ-2-7进入的油液可以停留相对较长的时间，保证荷电充分，提高荷电均匀性。

辅助荷电装置Ⅱ-2可以避免在高电压条件下电荷回流。电压过高时，电荷会沿着油液管道回流至箱体，使得箱体带电造成电荷流失和触电。辅助荷电装置Ⅱ-2中输油管Ⅱ-2-7输入末端设有向上的开口，油液进入时会经过上扬到下落的过程，会使得油液在这一过程中由液束变为分散的液滴，避免了未带电油液和带电油液直接接触，阻止电荷回流。

本实施例中，微量润滑装置Ⅱ由气压驱动，其气压回路关系作如图4所示，压缩气通过过滤器Ⅱ-7进入到微量润滑装置Ⅱ，然后分为两路，一路为泵油用压缩气由电磁阀Ⅱ-4控制，一路为雾化用压缩气由电磁阀Ⅱ-5控制。

电磁阀Ⅱ-4和电磁阀Ⅱ-5均为二位二通电磁阀，两个电磁阀通电气路导通之后，泵油用压缩气经过频率发生器Ⅱ-3，由直流状态变为脉冲方波状态，一部分驱动微量泵Ⅱ-1将油液泵入辅助荷电装置Ⅱ-2进行预荷电处理，一部分进入油杯Ⅱ-6对油液进行搅拌；雾化用压缩气进入辅助荷电装置Ⅱ-2和油液汇流，最后气液通过管道输送至喷嘴7。

其中，压缩气由外部气源提供，外部气源由空气压缩机1、储气罐2、压力表3、调压阀4、第二节流阀5以及溢流阀6组成，储气罐2的一端与空气压缩机1连接，并在储气罐2上设有压力表3，用于监测排出的压缩气体的压力值，储气罐2的另一端依次与调节阀4、第二节流阀5连接，并在调节阀4和第二节流阀5之间设有一个溢流阀6，用于控制压缩气体排出的速度及压力。

静电驱动及控制装置Ⅲ包括高压静电发生器Ⅲ-1、主控板Ⅲ-2、变压器Ⅲ-3、总控开关Ⅲ-4、保险丝Ⅲ-5、触摸屏Ⅲ-6，如图1所示，静电驱动及控制装置Ⅲ的主体部分安装在壳体Ⅰ-1下层空间内。

高压静电发生器Ⅲ-1可以产生高压直流静电，其分为两部分，即驱动电路Ⅲ-1-1和升压整流电路Ⅲ-1-2，为方便接线和静电输出，升压整流电路Ⅲ-1-2设置在壳体Ⅰ-1的上层空间内。

主控板Ⅲ-2用于控制整机工作，变压器Ⅲ-3为直流变压器，内部集成了整流桥，可以将220v交流电变压整流转换为12v和24v直流电，12v直流电用于主控板Ⅲ-2供电，24v直流电用于高压静电发生器Ⅲ-1供电；总控开关Ⅲ-4和保险丝Ⅲ-5设置在壳体Ⅰ-1外部一侧，触摸屏Ⅲ-6安装在箱盖Ⅰ-2外侧，触摸屏Ⅲ-6不仅可以手动输入，还能与触摸屏Ⅲ-6无线通信，从而实现人机交互。

图5为高压静电发生器的电路简图，如图所示驱动电路Ⅲ-1-1实质为振荡电路，将输入端接入的直流电转变为低压高频交流电。

定时器555和R₁、R₂、C₂组成多谐振荡器，可以产生振荡频率

的高频信号，该信号的振荡频率为固定值，不受外界因素影响。

变压器T₁、三极管VT₁和稳压管D₁等组成稳压开关电路，将产生的高频信号转变为稳定的周期性高频低幅电压；三极管VT₁和VT₂组成开关放大电路，将变压器T₁输出的高频低幅电压进行放大并输入升压整流电路，可变电阻R₃通过变化阻值可以调节高频低幅电压的幅值，进而可以调节升压整流电路的输出电压。

升压整流电路Ⅲ-1-2包括高压线圈和倍压整流电路两部分，高压线圈将来自驱动电路Ⅲ-1-1的高频低幅电压进行转换，转变为0-6kv的高压高频交流电，之后10级倍压整流电路对其进行整流得到0-60kv高压直流电源，倍压整流电路的正极接地，负极就可以输出负高压静电，负极与高压电缆连接并分为两路，分别将负高压静电输送至喷嘴和辅助荷电装置Ⅱ-2，倍压整流电路中使用较低容量的电容，使输出电流保持在几百μA的较低水平内，一般不超过1mA。

可以理解的是，为了保证整个升压整流电路Ⅲ-1-2的绝缘性，升压整流电路Ⅲ-1-2整体由树脂封装。

主控板Ⅲ-2作为设备的控制中心，设置了各类控制芯片以及信息采集、控制电路，如图6-图7所示，由控制中心Ⅲ-2-1、电压调控电路Ⅲ-2-2、电流采集电路Ⅲ-2-3、电压采集电路Ⅲ-2-4、A/D转换电器Ⅲ-2-5、总线Ⅲ-2-6集成。

控制中心Ⅲ-2-1由微控制器和外围电路组成，用于信号处理控制整机运行，电压调控电路Ⅲ-2-2采用数字电位器，其可以根据控制中心Ⅲ-2-1发出的信号改变阻值，其控制端通过总线Ⅲ-2-6接入驱动电路Ⅲ-1-1中的可变电阻R₃，实现数字式电压调控。

电流采集电路Ⅲ-2-3由霍尔传感器和反相器组成，霍尔传感器检测输入端通过总线Ⅲ-2-6接入驱动电路Ⅲ-1-1中的电流表，利用霍尔感应原理检测驱动电路Ⅲ-1-1输出电流的大小并转换为电压模拟量传送给A/D转换器Ⅲ-2-5，转换为数字量并传送给控制中心Ⅲ-2-1。

电压采集电路Ⅲ-2-4由整流电路和反相器组成，其输入端通过总线Ⅲ-2-6接入驱动电路Ⅲ-1-1中的电压表，整流电路将驱动电路输出的电压转变为相对应的直流电压，并传送给A/D转换器Ⅲ-2-5，转换为数字量传送给控制中心Ⅲ-2-1。

控制中心Ⅲ-2-1可根据升压整流电路Ⅲ-1-2的升压比得出高压数值，并根据测得的电压、电流大小判定静电发生器Ⅲ-1是否过载。

主控板Ⅲ-2通过总线Ⅲ-2-6可以与触摸屏、步进电机相连实现人机交互和气液流量控制，也可以与机床或电脑实现串口通讯，实时获取工件的加工参数。

可以理解的是，本实施例中仅是公开了核心的功能模块，在其他实施例中主控板Ⅲ-2可进行功能扩展，根据实际需要添加相应的功能模块，这里不做过多限制。

该装置中基于电磁感应定律设计了定频稳压振荡电路，使升压端稳定输出0-60kv可调高压静电，使得高压端电压的稳定，保证了雾滴粒的均匀性；通过设置微控制器，实现了电压闭环控制，使设备各装置有效联动，并利用其串口通讯功能实现了设备与机床或电脑之间信息交互，提高了装置的适应性，使得装置能够应对不同工况下用到不同种类的润滑油或者改变供油方式的情况。

图8为系统整体的控制关系图，如图所示，触摸屏通过总线与主控板相连，可以进行双向信息传输，一方面可以显示设备的各项工作参数，另一方面可以作为操作面板来输入控制指令。主控板发送控制信号，控制步进电机对气流量和液流量进行微调，控制驱动电路和升压整流电路输出高压静电，主控板会对静电发生器的电流和电压信息进行采集，形成闭环控制。主控板还可以通过总线与机床或电脑等通讯，实时获取工件的加工参数。

如图9所示，以接触式荷电静电雾化喷嘴为例，在雾化过程中，喷嘴出口处环形液膜主要受到气体曳力、静电场力和表面张力作用，其中气体曳力和静电场力使液膜加速向喷嘴下游运动，表面张力阻碍液膜向下游运动，因此可得：m_la＝F_g+F_e-F_σ (1)

其中，m_l为喷嘴出口液膜质量，F_g为气体曳力，F_e为静电场力，F_σ为表面张力。

根据流体动力学可知气体曳力为：

其中，C_D为曳力系数，ρ_g为气体密度，v_r为喷嘴出口处气液相对速度，S₁为环形液膜迎风面积。

引入静电场后，可以将喷嘴和工件接受表面看作成一个电容，则喷嘴对液膜荷电量为：

其中，Q_Z为喷嘴出口液膜带电量，ε_r为空气相对介电常数，ε₀为真空介电常数，S_n为两极正对面积，U为喷嘴电压，d为极间距离。

辅助荷电装置对油液的荷电量为：Q₂＝it (4)

i为流向辅助荷电装置的电流，t为油液在辅助荷电装置内的荷电时间。

液膜的总荷电量为：Q_Z＝Q₁+Q₂ (5)

进一步得到液膜所受静电力为：

其中E_d为极间电场强度。可以看出，液膜所受静电场力与喷嘴上施加的电压的平方成正比关系。

喷嘴出口液膜所受表面张力合力大小为：F_σ＝2π(r₀+r_g)σ^* (7)

r_g为气核半径，r₀为喷嘴出口半径，σ^*为液体荷电后有效表面张力。喷嘴出口的液体荷电之后，由于趋肤效应，电荷主要分布在液体表面，同种电荷相互排斥，使得有效表面张力小于荷电之前的表面有效张力，即σ^*＜σ。假设喷嘴上施加的气压不变，即保证气体曳力保持不变，随着电压的升高，环形液膜越来越容易发生撕裂变为小液滴。随后小液滴在气体曳力和静电场力的作用下运动，并受到静电场力的约束作用。

液膜破碎变成小液滴向喷嘴下游运动过程中，忽略重力的影响，液滴在表面张力作用下趋于收缩为半径为R的小球体并在球体内部产生静压力；而且分布于液滴表面的同种电荷使液滴整体受到一个与静压力相反的静电膨胀力。当表面张力产生的静压力完全被静电膨胀力抵消后，液滴将进一步发生变形破碎。

实际测试中，以大豆油为测试对象，喷嘴出口处气压保持在0.3MPa，通过改变施加的电压观测喷嘴出口处切削液的雾化情况，一方面雾滴运动轨迹基本和电场线吻合，另一方面通过图10所示的雾化效果对比关系，可以看出在喷嘴上施加高电压之后，在20-30kv电压范围内雾化效果较好，雾滴的平均体积粒径相较于只依靠气雾化的情况下缩小约30％，随着电压的升高，电场对喷嘴出口环形液膜的作用增强，较大体积的液滴被带出，且在输运过程中受到电场的约束作用，部分液滴又发生聚合，使雾滴平均体积粒径略微提升。

综上，将微量润滑设备和高压直流电源集成之后，通过微控制器联动工作，可以达到预期的效果。

本实施例中所述多能场驱动静电雾化微量润滑剂输运装置的工作过程如下：

通过触摸屏显示当前设备的各项工作参数，并根据各项参数确定控制指令，通过触摸屏来输入控制指令；

主控板发送控制信号，控制步进电机对气流量和液流量进行微调，控制驱动电路和升压整流电路输出高压静电，主控板对静电发生器的电流和电压信息进行采集，形成闭环控制，期间主控板通过总线与机床或电脑等通讯，实时获取工件的加工参数；

电磁阀Ⅱ-4和电磁阀Ⅱ-5通电气路导通之后，泵油用压缩气经过频率发生器Ⅱ-3，由直流状态变为脉冲方波状态，一部分驱动微量泵Ⅱ-1将油液泵入辅助荷电装置Ⅱ-2进行预荷电处理，一部分进入油杯Ⅱ-6对油液进行搅拌，雾化用压缩气进入辅助荷电装置Ⅱ-2和油液汇流，最后气液通过管道输送至喷嘴7。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多能场驱动静电雾化微量润滑剂输运装置，其特征是，包括微量润滑装置、辅助荷电装置、静电驱动及控制装置；所述微量润滑装置包括微量泵及与微量泵连通的辅助荷电装置，微量泵还与频率发生器连接；所述静电驱动及控制装置包括高压静电发生器，高压静电发生器输出端分别与辅助荷电装置和喷嘴连接；所述辅助荷电装置包括壳体，壳体内设置荷电器，壳体上部设置输油管，壳体下部设置气液输送管和进气管路，气液输送管与喷嘴连接，将冷却润滑油、压缩气输送给喷嘴。

2.如权利要求1所述的多能场驱动静电雾化微量润滑剂输运装置，其特征是，所述荷电器包括并列设置多个柱体，柱体底部与底板连接，底板与高压静电发生器连接。

3.如权利要求2所述的多能场驱动静电雾化微量润滑剂输运装置，其特征是，所述输油管水平设置且延伸至壳体内设定距离，输油管端部设有与输油管轴线垂直朝上设置的开口，输油管还与微量泵连接。

4.如权利要求1所述的多能场驱动静电雾化微量润滑剂输运装置，其特征是，所述气液输送管包括同轴设置的气管和油管，油管与壳体连通，气管套设于油管外侧且与进气管路连通；所述进气管路处设置节流阀，节流阀与第一动力装置连接，第一动力装置与控制板连接。

5.如权利要求1所述的多能场驱动静电雾化微量润滑剂输运装置，其特征是，所述微量泵包括泵体，泵体具有腔体，腔体内设置柱塞，腔体的输入端与第一进气口连通，腔体的输出端与第一输出口连通，第一输出口与进油口、第二进气口连通，柱塞外侧设置限位器以调节柱塞行程，限位器与第二动力装置连接。

6.如权利要求5所述的多能场驱动静电雾化微量润滑剂输运装置，其特征是，所述第一进气口、第二进气口均与频率发生器连接，所述进油口与油杯连通，由频率发生器发出的脉冲气流一部分驱动柱塞运动一部分进入油杯对其内油液产生扰动搅拌。

7.如权利要求1所述的多能场驱动静电雾化微量润滑剂输运装置，其特征是，所述高压静电发生器设有驱动电路，驱动电路与升压整流电路导通。

8.如权利要求7所述的多能场驱动静电雾化微量润滑剂输运装置，其特征是，所述驱动电路设有振荡器、稳压开关电路和开关放大电路，振荡器产生振荡频率的高频信号，稳压开关电路将高频信号转变为稳定的周期性高频低幅电压，开关放大电路将高频低幅电压进行放大并输入升压整流电路。

9.如权利要求8所述的多能场驱动静电雾化微量润滑剂输运装置，其特征是，所述升压整流电路包括高压线圈和倍压整流电路，高压线圈将来自驱动电路的高频低幅电压进行转换为0-6kv的高压高频交流电，倍压整流电路对高压高频交流电进行整流得到0-60kv高压直流电。

10.如权利要求1所述的多能场驱动静电雾化微量润滑剂输运装置，其特征是，还包括主控板，所述主控板设有控制中心、电压调控电路、电流采集电路、电压采集电路、总线，总线将控制中心与电压调控电路、电流采集电路、电压采集电路导通。

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