NANO FLUID ELECTROSTATIC ATOMIZING CONTROLLABLE JET STREAM MINIMAL QUANTITY LUBRICATING AND GRINDING SYSTEM

说明书

纳米流体静电雾化可控射流微量润滑磨削系统 技术领域

本发明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-lOOmn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。

发明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， 研究成果已中请 了相关的专利， 由发明设计人申请的发明专利， 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， 它将纳来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 的发明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 说明书 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 t 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 4 μ ΓΤ1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。 发明内容

本发明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， 本发明采用如下技术方案：

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， 电暈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， 带有与电暈荷电喷嘴配合的外螺纹， 对电极托盘进行定位。 说明书 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 上幵有开口销插槽， 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 VI和直流稳压单元 V2，直流稳压单元 VI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 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 VI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

15.284S—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：

式中 /

一一雾滴荷电量， c k一一雾滴介电常数;

一一空气介电常数， 约为 8.85 X 10^-12, c² l n - m² ; 说明书

E一一电晕放电形成的电场强度， V / m ;

r—一雾滴半径， /wi ;

N一一充电离子浓度， 粒子数 /m² ;

e—―电子电荷， 1.6 X 10_¹⁹， C;

Ki—一充电离子迁移率， w² /( .^U

—一充电滞留时间， ·?。

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； 说明书 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 示 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 徇， 8-涡轮流量计， 9-涡轮流量计， 10-节流阔， 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-旋向压縮气体通道， 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

下面结合附图对本发明做一下说明。

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—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—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， 鉴于该发明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 说明书 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^ ίϊ^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。 其中溢流闽 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 VI、 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， 定位螺紋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 说明书 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 本混合室 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， 压縮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暈电压低而击穿电压高，所以针状电极 17与电 源负极相连，可调髙压直流电源 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 (局部屯 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 暈。 电晕放电的电流强度取决干外加电 、 '¾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;当电庄增加到一定数值 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 ιο·^1Λ到

10·⁶Α)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：

式中 （E_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 lcm 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<l)， δ为空气的相对密度: δ = 2. 94 X 10"³Ρ/(273+Τ)(Ρ以 Pa为单位，当 P= 101325Pa ， T=2S°C时， δ=1)， Κ=3. 08 X lO^m^, r是电极端的半径。

对于不同曲率电极如针对板电极，

这里 t。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)抛物面的针一平面间隙， 针顶端的半径为「， 间隙距离为 d， 则沿着间隙轴心离针顶端 X距离处的电场强度为：

阀值电压为:

V_s = (E_r)_s (/-/2) ln [(r + 2i/)/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 时电场力的作用幵始衰退）。 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 说明书 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一发生火花的击穿。

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 10^spa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 0.5^Δ²， 其中 是气体密度， Δ 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/β 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：

p AV²D

We = ^ = 8 (5 )

σ

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 相对应的最大稳态液滴直径：

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- σ' = σ——^<i -_i ( 7)

(Απ sr

其中 r为液滴半径， q为液滴的荷电量， f为周围空气介电常数。从式中显然可以看出当 说明书 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： 8)

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，会在在电暈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：

^-1

q=f 1 + 2- Απε₀Ετ² (9)

k + 2

NeKi_t

式 （9) 中 / = ^ ~~ (10)

t + 1 q 雾滴荷电量， C; k一一雾滴介电常数：

ε_ϋ一一空气介电常数， 约为 8.85X1CT¹²， c E一一电晕放电形成的电场强度， V/m_: r——雾滴半径， m;

N一一充电离子浓度， 粒子数 /²; e—一电子电荷， 1.6 X10"¹⁹, C;

Ki―—充电离子迁移率， m²/( )_; 说明书 t一一充电滞留时间， 5。

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 SOm/s 到 70m/s之间。喷嘴到工 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 VI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 VI和直流稳压单元 V2提供直流电压。 直流稳压 单元 VI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， 高频脉沖 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 500/^4。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。