CN203045534U - 纳米流体静电雾化可控射流微量润滑磨削系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种纳米流体静电雾化可控射流微量润滑磨削系统，通过静电学原理可以使喷射的雾滴实现可控分布，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。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。

Description

纳米流体静电雾化可控射流微量润滑磨削系统

技术领域

本实用新型涉及一种机械加工中磨削液供给装置，具体为一种纳米流体静电雾化可控射流微量润滑磨削系统。

背景技术

微量润滑技术又称MQL（Minimal Quantity Lubrication）技术，他是将极微量的润滑液与具有一定压力的压缩空气混合并雾化，喷射至磨削区，对砂轮与磨屑、砂轮与工件的接触面进行有效润滑。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。

纳米射流微量润滑是基于强化换热理论建立的，由强化换热理论可知，固体的传热能力远大于液体和气体。常温下固体材料的导热系数要比流体材料大几个数量级。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（指尺寸为1-100nm的超细微小固体颗粒）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。纳米射流微量润滑就是将纳米级固体粒子加入微量润滑流体介质中制成纳米流体，即纳米粒子、润滑剂（油、或油水混合物）与高压气体混合雾化后以射流形式喷入磨削区。

实用新型人对微量润滑磨削供给系统进行了深入的理论分析以及实验验证，研究成果已申请了相关的专利，由实用新型设计人申请的实用新型专利，申请号：201210153801.2公开了一种纳米粒子射流微量润滑磨削润滑剂供给系统，它将纳米级固体粒子加入可降解的磨削液中制成微量润滑磨削的润滑剂，由微量供给装置将润滑剂变为具有固定压力、脉冲频率可变、液滴直径不变的脉冲液滴，在高压气体产生的空气隔离层作用下以射流形式喷入磨削区。但它不是采用静电雾化的形成产生射流可控的微细液滴，雾化原理和液滴控制方式不同；申请号：201110221543.2的实用新型专利公开了一种纳米粒子射流微量润滑磨削三相流供给系统，将纳米流体经液路输送至喷嘴处，同时高压气体经气路进入喷嘴，高压气体与纳米流体在喷嘴混合室中充分混合雾化，经加速室加速后进入涡流室，同时压缩气体经涡流室通气孔进入，使三相流进一步旋转混合并加速，然后三相流以雾化液滴的形式经喷嘴出口喷射至磨削区。但公开的技术方案中也不是采用静电雾化的原理形成带电荷的微细雾滴，更不能做到射流可控，雾化原理和液滴控制方式均不同。

目前，微量润滑磨削中微量润滑剂在高压气体的携带作用下还不能实现有效可控的注入磨削区，即砂轮/工件界面的楔形区域，因此，纳米射流会散发到周围环境中。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。然而从目前检索的文献来看，对于此方面的研究还未见报道，因此对于上述问题的研究迫在眉睫。基于这样的现状我们进行了对微量润滑过程中微小雾滴的可控分布进行了探索。

实用新型内容

本实用新型为在一定程度上解决上述问题，提供了一种纳米流体静电雾化可控射流微量润滑磨削系统，通过静电学原理可以使喷射的雾滴实现可控分布，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。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种纳米流体静电雾化可控射流微量润滑磨削系统，它包括磨削系统，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。

所述高压直流静电发生器包括安装在电晕荷电喷嘴下部的电极托盘，电极托盘由绝缘材料制成，沿其圆周阵列多个电极插槽，针状电极安装在电极插槽内；在电极托盘中径处开有电线槽，其内安装高压电线，且在电极托盘上开有一个高压电线托盘接出通孔，各针状电极均与高压电线连接，高压电线与可调高压直流电源负极连接；电极托盘下部是定位螺纹环，定位螺纹采用陶瓷材料制成，带有与电晕荷电喷嘴配合的外螺纹，对电极托盘进行定位。

所述工件加电装置包括工件加电装置绝缘壳体、压铁、永磁铁、压紧弹簧；永磁铁安装在工件加电装置绝缘壳体周边；在工件加电装置绝缘壳体中部有开口，压铁从一端伸出工件加电装置绝缘壳体并套装压紧弹簧；在压铁上开有开口销插槽，用于插入开口销，压铁与可调高压直流电源的正极连接。

所述可调高压直流电源包括变压器，变压器初级与交流电源连接，次级的两个线分别作为直流稳压单元V1和直流稳压单元V2，直流稳压单元V1与自激振荡电路连接，自激振荡电路与功率放大电路、高频脉冲升压器以及倍压整流电路、恒流自动控制电路连接，恒流自动控制电路与直流稳压单元V2连接，直流稳压单元V2与功率放大单元连接；可调高压直流电源的可调电压范围在2KV到120KV之间；直流稳压单元V1作为自激振荡电路的工作电压，直流稳压单元V2是功率转换的主要能源，脉冲信号由自激振荡电路获得，经功率放大电路放大后，在高频脉冲升压器的升压下，最终输出高压信号，经倍压整流电路从而输出直流高压；恒流自动控制电路自动对倍压整流电路的静电工作电流取样，在恒流时，当工作负载正常加大时，不会引起工作电流的上升；当外负载超过允许电流时，自激振荡电路停震，高压被截止。

所述雾化的纳米流体磨削液在针状电极电晕放电的漂移区与漂移的电子碰撞从而荷电，液滴荷电后在电场力、气动力和重力作用下可控的喷向工件表面。

所述针状电极与电极插槽间是过盈配合，通过绝缘材料的弹性变形力夹紧针状电极。

所述针状电极的放电尖端半径为0.5mm，极间距为20—30cm，起晕电压范围为15.2848—16.2064KV。

所述喷嘴体的喷嘴角度保持在30°到45°，喷嘴体出口与工件的喷射距离为20-30cm。

所述雾滴电晕荷电的荷电量计算公式如下：

$q=f[1+2\frac{k-1}{k+2}]4\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{Er}}^2$

式中 $f=\frac{\frac{\mathrm{NeKi}}{4{\mathrm{\ϵ}}_0}t}{\frac{\mathrm{NeKi}}{4{\mathrm{\ϵ}}_0}t+1}$

q--雾滴荷电量，C；

k--雾滴介电常数；

ε₀--空气介电常数，约为8.85×10^-12，c²/n·m²；

E--电晕放电形成的电场强度，V/m；

r--雾滴半径，μm；

N--充电离子浓度，粒子数/m²；

e--电子电荷，1.6×10^-19，C；

Ki--充电离子迁移率，m²/(V·s)；

t--充电滞留时间，s。

所述供液系统通过纳米流体输送蛇形管与喷嘴体连接，供气系统通过压缩气体输送蛇形管与喷嘴体连接。

本装置的有益效果是：将纳米级固体粒子与润滑液混合制成纳米流体，纳米流体静电雾化后以射流的形式喷入到磨削区，实现带电纳米流体雾滴可控有序流动的进入到砂轮/工件界面，从而可更大限度的发挥纳米粒子参与强化换热和在砂轮/工件界面形成润滑减摩油膜，且有效减少小直径雾滴的飘移散失，实现低碳洁净高效微量润滑磨削。

当喷嘴喷出的雾滴被荷电以后，在电场力的作用下定向移动，使其最大量的覆盖于工件表面。在荷电过程中，由于纳米粒子表面比较大，表面极性较强，被荷电后，其荷质比比雾滴的荷质比大，所以纳米粒子趋于更早到达工件表面，覆盖在油膜下层，这样能够更好的利用其理想的换热能力。在静电场中存在“静电环抱”效应，因此当雾滴和纳米粒子向工件运动是更易进入到工件具有一定粗糙度表面的凹陷处，从而扩大了相对覆盖面积，能够起到更好的润滑和换热作用。

纳米流体由压缩气体和高压静电共同雾化，可以减小其雾滴粒径。纳米流体喷雾在高压静电作用下被荷电，并在电场力作用下可以有效定向的分布于磨削区，大大降低了喷雾的漂移量，从而很大程度上提高了纳米流体的利用率，进而提高了润滑冷却效果降低了微粒扩撒污染。喷雾被荷电后，由于同种电荷的相互排斥作用和静电环抱效应可以使喷雾分布更加均匀。

附图说明

图1是这种实施例的装配轴测图；

图2是这种实施例的液路和气路系统简图；

图3是这种实施例的电路体统框图；

图4是这种实施例的喷嘴总装配剖视图；

图5是这种实施例的喷嘴体剖视图；

图6是这种实施例的喷嘴旋向通气孔剖视图；

图7是这种实施例的电极托盘的仰视图和旋转剖视图；

图8是这种实施例的电极托盘内接线示意图；

图9是这种实施例的定位螺纹环的主视图和剖视图；

图10是这种实施例的工件加电装置剖视图和俯视图；

其中，1-空气压缩机，2-储液罐，3-储气罐，4-液压泵，5-过滤器，6-压力表，7-节流阀，8-涡轮流量计，9-涡轮流量计，10-节流阀，11-调压阀，12-调压阀，13-溢流阀，14-流体回收箱，15-喷嘴体，16-电极托盘，17-针状电极，18-定位螺纹环，19-纳米流体入口，20-旋向压缩气体通道，21-内置环状压缩气体通道，22-纳米流体与压缩气体混合室，23-压缩气体入口，24-涡流室压缩气体通道，25-三相流加速室，26-涡流室，27-高压电线通道，28-高压电线托盘接出通孔，29-旋紧槽，30-部分工作台，31-砂轮罩，32-砂轮，33-工件，34-磁力吸盘，35-纳米流体输送蛇形管，36-压缩气体输送蛇形管，37-可调高压直流电源，38-工件加电装置，39-高压电线，40-喷嘴，41-绝缘板材，42-电极托盘内的高压电线，43-工件加电装置绝缘壳体，44-压铁，45-永磁铁，46-压紧弹簧，47-开口销插槽。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做一下说明。

如图1所示，在磨床部分工作台30上覆上绝缘板材41（这种新型材料可以导磁，但不导电，从而既可以保证工件的安装又可以保证喷嘴与工件间形成稳定电场）。将磁力吸盘34吸附在砂轮罩31侧面，用来固定纳米流体输送蛇形管35、压缩气体输送蛇形管36和高压电线39中与喷嘴相连接的那条。纳米流体输送蛇形管35一端与纳米流体入口19相连，一端与涡轮流量计9相连。压缩气体输送蛇形管36一端与压缩气体入口23相连，一端与涡轮流量计8相连。高压电线39其中一条的一端穿过高压电线通道27和高压电线托盘接出通孔28与电极托盘16内各针状电极17尾部相连，另一端与可调高压直流电源37的负极输出端相连。高压电线39的另一条的一端与压铁44相连另一端与可调高压直流电源37的正极输出端相连接，并进行接地处理。将工件加电装置38吸附于工件不加工表面，从而使工件与可调高压直流电源37正极接通。

如图2所示，鉴于该实用新型所用喷嘴为气动纳米流体喷雾荷电喷嘴，故本方案将纳米流体磨削液与压缩空气分别经液体通道和气体通道引入喷嘴，并在喷嘴中混合，然后用电晕荷电的方法使喷嘴喷出的雾滴带电。由空气压缩机1、过滤器5、储气罐3、调压阀11、节流阀7、涡轮流量计8组成气路。储液罐2、液压泵4、调压阀12、节流阀10、涡轮流量计9组成液路。由可调高压直流电源37，给针状电极17提供高压负电。由空气压缩机1产生的压缩空气经过滤器5进入储气罐3，再经调压阀11和节流阀7，流经涡轮流量计8进入压缩气体入口23；液压泵4将储液罐2中的纳米流体抽出，再经调压阀12和节流阀10，流经涡轮流量计9进入纳米流体入口19。其中溢流阀13和流体回收箱14形成保护回路，压力表6用来监测储气罐3的气压。

如图3所示，可调高压直流电源由交流电源单元、直流稳压单元V1、直流稳压单元V2、自激振荡电路、功率放大电路、高频脉冲升压器、倍压整流电路和恒流自动控制电路组成。

如图4、5所示，喷嘴体结构复杂不易加工制造，且要求具有一定的绝缘性能，故使用陶瓷材料通过快速成型工艺加工制造。由压缩气体入口23进入的压缩气体经由内置环状压缩气体通道21，通过旋向压缩气体通道20以一定切向速度v进入混合室与由纳米流体入口19进入的纳米流体混合形成三相流，通过三相流加速室25加速，加速后进入涡流室26在此与通过涡流室压缩气体通道24进入的压缩空气形成涡流，使三相流进一步混合，然后经喷嘴体15出口喷出形成雾滴。雾滴喷出后经过针状电极17电晕放电的漂移区与漂移的电子碰撞从而荷电，液滴荷电后在电场力、气动力和重力作用下可控的喷向工件表面。

如图6所示，旋向压缩气体通道20是沿混合式外壁阵列排布，入口轴线与混合室内腔壁面相切，压缩气体经旋向通气孔以切向速度v进入到纳米流体与压缩气体混合室22内。

如图7所示，电极托盘16由绝缘材料制成，沿圆周阵列8个电极插槽，在电极托盘16中径处开有电线槽，且在电极托盘16上开有一个高压电线托盘接出通孔28。

如图8所示，将针状电极17（它与电极插槽是过盈配合，通过绝缘材料的弹性变形力夹紧）安装在电极插槽内，用电极托盘内的高压电线42将各针状电极17串联起来，并从高压电线托盘接出通孔28接出。

如图9所示，定位螺纹环也由陶瓷材料制成，带有与喷嘴体15配合的外螺纹，并在下端开有两个旋紧槽29便于安装。定位螺纹环18主要起到定位电极托盘16的作用。

如图10所示，工件加电装置38由工件加电装置绝缘壳体43、压铁44、永磁铁45、压紧弹簧46组成。将其靠近工件不加工表面时，永磁铁45会与工件33产生吸引力压缩压紧弹簧46，同时压紧弹簧46提供反作用力，保证压铁44与工件33紧密相连。在压铁44上开有开口销插槽47，其作用是插入开口销，以保证工件加电装置38未与工件33吸附时，压铁44和压紧弹簧46不会从工件加电装置绝缘壳体43中脱落。

本方案具体工作过程如下；

纳米流体经由液路：储液罐2、液压泵4、调压阀12、节流阀10、涡轮流量计9进入到纳米流体入口19，压缩空气经由气路：空气压缩机1、过滤器5、储气罐3、调压阀11、节流阀7、涡轮流量计8进入到压缩气体入口23。纳米流体与压缩气体同时进入到纳米流体与压缩气体混合室22内。纳米流体与压缩气体混合室22的孔径比纳米流体入口19孔径大是为了保证混合空间。由于旋向压缩气体通道20入口轴线与纳米流体与压缩气体混合室22内腔壁面相切，压缩气体经通气孔以切向速度v进入到纳米流体与压缩气体混合室22内，因其速度方向与轴向中心不相交，因此进口气流对轴向中心存在一个动量矩，促使气流在通道内绕轴向中心旋转，同时向出口推进，从而带动纳米流体旋转形成涡流。

纳米流体从纳米流体与压缩气体混合室22中流出后进入锥形收缩的三相流加速室25内，进行加速。三相流在加速后流入涡流室26内。涡流室26内壁由一个柱面和两个与轴线夹角不同的锥面组成，压缩气体由涡流室压缩气体通道24，进入到直径最小的圆柱区，并立即向相邻的两个直径较大的锥形区扩散。这必然会引起涡流的扩散，从而使三相流进一步混合。进一步混合后经由喷嘴出口喷出，形成喷雾。

在电极托盘16的电极插槽上可以根据情况夹装2、4、8数量不等的针状电极17。针状电极17放电尖端半径约为0.5mm。针状电极17接高压电线39，高压电线39经高压电线托盘接出通孔28和高压电线通道27接出到喷嘴体15外，并与可调高压直流电源37负极输出端相连接。由于在电晕放电时负电晕放电的起晕电压低而击穿电压高，所以针状电极17与电源负极相连，可调高压直流电源37正极输出端通过高压电线39与工件加电装置38相连并接地。

由于工件面积较大，针状电极17与其形成针对板的结构。从而形成了极不均匀的电场（电晕放电的条件）。该静电电晕喷雾采用的是多极针放电，由于各极针尖端相对距离较大所以并不影响相互间的起晕电压，但它们同时发生电晕放电会极大程度地增大电极与工件间的电子和离子浓度，从而可以增大雾滴的荷电效率，并且它们的电场复合后，雾滴所受的电场力也增强，更有利于雾滴的定向运动。由于可调高压直流电源37的可调电压范围在2KV到120KV之间。由于工况条件中pd＞26.66kpa·cm（p为工况的外界气压，d为针板电极间距）所以我们使用流注理论分析而不使用汤逊理论。

当在针状电极17两端加上较高但未达击穿的电压时，如果电极表面附近的电场(局部电场)很强，则电极附近的气体介质会被局部击穿而产生电晕放电现象。这里气体的气压约为10⁵Pa。当电极的曲率半径很小时，由于其附近的场强特别高，很容易发生电晕放电。

在极不均匀电场中，气隙完全被击穿以前，电极附近会发生电晕放电，产生暗蓝色的晕光。这种特殊的晕光是电极表面电离区的放电过程造成的。电离区内的分子，在外电离因素（如光源）和电场的作用下，产生了激发、电离，形成大量的电子崩。在此同时也产生激发和电离的可逆过程---复合。在复合过程中，会产生光辐射，从而形成了晕光。这就是电晕。电晕放电的电流强度取决于外加电压、电极形状、极间距离、气体性质和密度等。

当两电极间的电位差由零逐渐增大时，最初发生无声的非自持放电，这时的电流很微弱，其大小决定一f剩余电离；当电压增加到一定数值V_s，时，电晕放电发生了。该电压V_s，称为起晕电压或电晕放电的阑值电压，它的大小数值山电极间电流的突然增大(从大约10^-14到10^-6A)和在曲率半径较小的电极处朦胧的辉光的出现所表征。

阀值场强的计算公式为：

(E_r)_s＝E₀mδ[1+K/(δr)^1/2]（1）

式中（E_r）_s为阀值场，E₀=3100kV/m(此值相当于标准状态下空气中放电间隙为Icm时的均匀场中的火花场强)，m是一个描述导体表面状态的系数(0.6<m<1)，δ为空气的相对密度：δ=2.94X10^-3P/(273+T)(P以Pa为单位，当P=101325Pa，T=25℃时，δ=1)，K=3.08X10^-2m^1/2，r是电极端的半径。

对于不同曲率电极如针对板电极，计算公式为：

${\left(E_r\right)}_s=E_0(1+\frac{K}{{(r/2)}^{1/2}})---\left(2\right)$

这里E₀和K的数值与公式（1）中相同，m和δ为1。上式对曲率半径小的阴极或阳极都适用。

阀值电压的计算：

(3)抛物面的针-平面间隙，针顶端的半径为r，间隙距离为d，则沿着间隙轴心离针顶端χ距离处的电场强度为：

$\mathrm{Ex}=\frac{2V}{(r+2x)\ln [(r+2d)/r]}---\left(3\right)$

阀值电压为：

V_s＝(E_r)_s(r/2)ln[(r+2d)/r]（4）

针对磨床加工工况，假设针状电极17的尖端半径为0.5mm，极间距为20—30cm（当距离大于30cm时电场力的作用开始衰退）。根据公式（4）计算得起晕电压范围为15.2848—16.2064KV。

当发生电晕放电后，若继续增大电位差，则电流强度将增大，发光层的大小及其亮度也同时增大。当外加电压比阀值电压高很多时，电晕放电会转变为火花放电-发生火花的击穿。

进行磨削加工时使喷嘴角度保持在30°，喷嘴与工件距离为20cm时，可知喷嘴与工件最小距离为20sin30°=10cm（喷嘴与工件垂直距离）。当工作环境气压p为10⁵pa的空气时，查表可知当d为10cm时火花击穿电压为265KV，当d为20cm时火花击穿电压为510KV。可见其火花击穿电压非常高。

静电液滴雾化机理：

静电雾化是静电力克服液体表面张力，从而导致液体破碎为微小雾滴的现象。由于电晕放电作用，在“集肤作用”下使液滴表面带有大量的同性电荷，增加了液体表面活性，使表层分子产生显著的定向排列，降低了表面张力。在液滴体积不变的情况下，随着电荷电量增加，表面张力会逐渐减小。当表面张力的大小不足以束缚液体时，液体便会在表面同性电荷之间的相互排斥作用以及外力引起的液体表面扰动下破碎为细小雾滴。

当液滴与周围的气体之间有较高的相对速度，则液滴的分裂是由气动压力、表面张力和粘性力控制的。对于粘度较低的液体，液滴的破碎主要由气动压力和表面张力决定。大液滴所受的气动压力为0.5ρ_gΔV²，其中ρ_g是气体密度，ΔV是气液相对速度。然而，表面张力产生的内聚力将阻碍液滴发生变形破碎，内聚力可以表示为4σ/D，σ是液体固有的表面张力，D为初始液滴直径。

液滴直径减小时，内聚力加大，当内聚力和气动压力造成的拉应力两者平衡时，液滴保持稳定，若两者不能互相抵消，液滴就会变形甚至破碎。根据作用在液滴上的气动力产生的拉应力和表面张力产生的内聚力两者平衡这个原则，可以得出一个无量纲数：

$\mathrm{We}=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_g\mathrm{\&Delta;}{V}^{2}D}{\mathrm{\&sigma;}}=8---\left(5\right)$

从而可知当韦伯数大于8时，液滴受力不平衡，发生变形。另外根据（5）可以求出与ΔV相对应的最大稳态液滴直径：

$D_{\max }=\frac{8\mathrm{\&sigma;}}{\mathrm{\&Delta;}{V}^2{\mathrm{\&rho;}}_g}---\left(6\right)$

荷电液滴在库仑斥力的作用下，表面张力变弱，变弱后的表面张力值为：

${\mathrm{\&sigma;}}^{\&prime;}=\mathrm{\&sigma;}-\frac{q^2}{64{\mathrm{\&pi;}}^2\mathrm{\&epsiv;}{r}^3}---\left(7\right)$

其中r为液滴半径，q为液滴的荷电量，ε为周围空气介电常数。从式中显然可以看出当带电量q增加时，表面张力就下降，由此可知液滴表面荷电有助于雾化。

此时荷电液滴的We可以表示为：

$\mathrm{We}=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_g\mathrm{\&Delta;}{V}^{2}D}{\mathrm{\&sigma;}-\frac{q^2}{64{\mathrm{\&pi;}}^2\mathrm{\&epsiv;}{r}^3}}=\frac{128{\mathrm{\&pi;}}^2\mathrm{\&epsiv;}{R}^4{\mathrm{\&rho;}}_g\mathrm{\&Delta;}{V}^2}{64{\mathrm{\&pi;}}^2\mathrm{\&epsiv;}{R}^3\mathrm{\&sigma;}-q^2}---\left(8\right)$

由(8)可见，高速气流中荷电液滴的破碎与气液相对速度、气液物性参数以及充电场有密切的关系。此外，若液滴在气流中达到稳定状态，荷上静电以后，We数增大，液体表面张力减小，不足以抵抗气动压力，液滴将进一步发生变形、破碎，所以在气液参数相同的情况下，荷上静电后雾滴粒径更小。这就达到了细化雾滴颗粒的目的，同时液滴表面相同的电荷，可以保证液滴的分布更加均匀。

液滴的荷电机理：

当在针状电极17的尖端发生负极性电晕放电时，会在在电晕区内产生大量的离子，正离子会向电极阴极移动并发生电性中和，而负离子和电子会向阳极移动，进入漂移区，在漂移区与液滴碰撞，附着在液滴上，使液滴变成了电荷携带者，带上了与电极极性相同的电荷。

雾滴电晕荷电的荷电量计算公式如下：

$q=f[1+2\frac{k-1}{k+2}]4\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&epsiv;}}_0{\mathrm{Er}}^2---\left(9\right)$

式（9）中 $f=\frac{\frac{\mathrm{NeKi}}{4{\mathrm{\&epsiv;}}_0}t}{\frac{\mathrm{NeKi}}{4{\mathrm{\&epsiv;}}_0}t+1}---\left(10\right)$

q--雾滴荷电量，C；

k--雾滴介电常数；

ε₀--空气介电常数，约为8.85×10^-12，c²/n·m²；

E--电晕放电形成的电场强度，V/m；

r--雾滴半径，μm；

N--充电离子浓度，粒子数/m²；

e--电子电荷，1.6×10^-19，C；

Ki--充电离子迁移率，m²/(V·s)；

t--充电滞留时间，s。

从喷嘴喷出的雾滴，在气动力和电场力的作用下向工件加速运动，其速度大约在50m/s到70m/s之间。喷嘴到工件的距离为20cm到30cm，所以运动时间在0.0029s到0.006s之间。然而雾滴荷电所需时间仅为10^-7s至10^-6s，可以保证从喷嘴喷出的油雾在到达工件前充分荷电。

当喷嘴喷出的雾滴被荷电以后，在电场力的作用下定向移动，使其最大量的覆盖于工件表面。在荷电过程中，由于纳米粒子表面比较大，表面极性较强，被荷电后，其荷质比比雾滴的荷质比大，所以纳米粒子趋于更早到达工件，覆盖在油膜下层，这样能够更好的利用其理想的换热能力。在静电场中存在“静电环抱”效应，因此当雾滴和纳米粒子向工件运动是更易进入到工件具有一定粗糙度表面的凹陷处，从而扩大了相对覆盖面积，能够起到更好的润滑和换热作用。

根据图7可以看出，可调高压直流电源37由自激振荡电路、功率放大电路、高频脉冲升压器、倍压整流电路、直流稳压单元V1和直流稳压单元V2和恒流自动控制电路组成。其工作原理为输入端接交流电源，直流稳压单元V1和直流稳压单元V2提供直流电压。直流稳压单元V1作为自激振荡电路的工作电压。直流稳压单元V2是功率转换的主要能源，高频脉冲升压器经倍压整流电路整流获得高压静电，基脉冲信号由自激振荡电路获得，经功率放大电路放大后，在高频脉冲升压器的升压下，最终输出高压信号，经倍压整流电路从而输出直流高压。

该电源的特点是能产生较高的静电高压，而供电电流微小，一般不超过500μA。恒流自动控制电路自动对倍压整流电路的静电工作电流取样，在恒流时，当工作负载正常加大时，不会引起工作电流的上升。当外负载超过允许电流时，自激振荡电路停震，高压被截止，这种特性对操作人员的安全是可靠的，一旦接近或触及高压端，引起的触电电流很微弱，同时截断高压输出，所以不会有生命危险。

Claims (10)

1.一种纳米流体静电雾化可控射流微量润滑磨削系统，其特征是，它包括磨削系统，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。

2.如权利要求1所述的纳米流体静电雾化可控射流微量润滑磨削系统，其特征是，所述高压直流静电发生器包括安装在电晕荷电喷嘴下部的电极托盘，电极托盘由绝缘材料制成，沿其圆周阵列多个电极插槽，针状电极安装在电极插槽内；在电极托盘中径处开有电线槽，其内安装高压电线，且在电极托盘上开有一个高压电线托盘接出通孔，各针状电极均与高压电线连接，高压电线与可调高压直流电源负极连接；电极托盘下部是定位螺纹环，定位螺纹采用陶瓷材料制成，带有与电晕荷电喷嘴配合的外螺纹，对电极托盘进行定位。

3.如权利要求1所述的纳米流体静电雾化可控射流微量润滑磨削系统，其特征是，所述工件加电装置包括工件加电装置绝缘壳体、压铁、永磁铁、压紧弹簧；永磁铁安装在工件加电装置绝缘壳体周边；在工件加电装置绝缘壳体中部有开口，压铁从一端伸出工件加电装置绝缘壳体并套装压紧弹簧；在压铁上开有开口销插槽，用于插入开口销，压铁与可调高压直流电源的正极连接。

4.如权利要求1所述的纳米流体静电雾化可控射流微量润滑磨削系统，其特征是，所述可调高压直流电源包括变压器，变压器初级与交流电源连接，次级的两个线分别作为直流稳压单元V1和直流稳压单元V2，直流稳压单元V1与自激振荡电路连接，自激振荡电路与功率放大电路、高频脉冲升压器以及倍压整流电路、恒流自动控制电路连接，恒流自动控制电路与直流稳压单元V2连接，直流稳压单元V2与功率放大单元连接；可调高压直流电源的可调电压范围在2KV到120KV之间；直流稳压单元V1作为自激振荡电路的工作电压，直流稳压单元V2是功率转换的主要能源，脉冲信号由自激振荡电路获得，经功率放大电路放大后，在高频脉冲升压器的升压下，最终输出高压信号，经倍压整流电路从而输出直流高压；恒流自动控制电路自动对倍压整流电路的静电工作电流取样，在恒流时，当工作负载正常加大时，不会引起工作电流的上升；当外负载超过允许电流时，自激振荡电路停震，高压被截止。

5.如权利要求2所述的纳米流体静电雾化可控射流微量润滑磨削系统，其特征是，所述雾化的纳米流体磨削液在针状电极电晕放电的漂移区与漂移的电子碰撞从而荷电，液滴荷电后在电场力、气动力和重力作用下可控的喷向工件表面。

6.如权利要求2所述的纳米流体静电雾化可控射流微量润滑磨削系统，其特征是，所述针状电极与电极插槽间是过盈配合，通过绝缘材料的弹性变形力夹紧针状电极。

7.如权利要求2或6所述的纳米流体静电雾化可控射流微量润滑磨削系统，其特征是，所述针状电极的放电尖端半径为0.5mm，极间距为20-30cm，起晕电压范围为15.2848—16.2064KV。

8.如权利要求1所述的纳米流体静电雾化可控射流微量润滑磨削系统，其特征是，所述喷嘴体的喷嘴角度保持在30°到45°，喷嘴体出口与工件的喷射距离为20—30cm。

9.如权利要求1所述的纳米流体静电雾化可控射流微量润滑磨削系统，其特征是，所述雾滴电晕荷电的荷电量计算公式如下：

$q=f[1+2\frac{k-1}{k+2}]4\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&epsiv;}}_0{\mathrm{Er}}^2$

式中 $f=\frac{\frac{\mathrm{NeKi}}{4{\mathrm{\&epsiv;}}_0}t}{\frac{\mathrm{NeKi}}{4{\mathrm{\&epsiv;}}_0}t+1}$

q--雾滴荷电量，C；

k--雾滴介电常数；

ε₀--空气介电常数，约为8.85×10^-12，c²/n·m²；

E--电晕放电形成的电场强度，V/m；

r--雾滴半径，μm；

N--充电离子浓度，粒子数/m²；

e--电子电荷，1.6×10^-19，C；

Ki--充电离子迁移率，m²/(V·s)；

t--充电滞留时间，s。

10.如权利要求1所述的纳米流体静电雾化可控射流微量润滑磨削系统，其特征是，所述供液系统通过纳米流体输送蛇形管与喷嘴体连接，供气系统通过压缩气体输送蛇形管与喷嘴体连接。

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