一种基于凸轮结构的高速液滴发生装置的制作方法

本发明属于高速液滴发生装置技术领域，涉及一种基于凸轮结构的高速液滴发生装置。

背景技术：

高速液滴在包括航空发动机和内燃机喷雾、轴承腔润滑、旋风分离器、农药喷洒和喷墨打印等实际过程中都有广泛应用，其撞击壁面或液膜后能够发生铺展、飞溅、反弹、冠状飞溅和二次液滴等过程，影响后续雾化、蒸发、润滑、干燥等特性。当前，由于高速液滴发生方法的限制，液滴撞击壁面或液膜研究主要采用的是速度在10m/s以下的中低速液滴。通过设计速度大小和方向以及发生频率和直径可控的高速液滴发生装置，可用于在实验上研究高速液滴撞壁和撞击液膜的物理现象。前人提出了若干高速液滴发生的装置及方法，主要可分为基于高速气流的直线加速方式、基于电场的电加速方式和基于高速转盘的旋转加速方式。对于基于高速气流的直线加速方式，国内已有公开号为cn108827640b的专利“一种气体驱动液滴高速碰壁实验装置”和公开号为cn105903599b的专利“喷射角度可调整的高速小液滴发生装置”提出利用风洞原理或空气射流使液滴加速，但气流的引入很可能影响高速液滴后续的运动过程，使得液滴轨迹不够可控，为后续的研究例如液滴撞击壁面或液滴撞击液膜等引入更多干扰变量。对于基于电场的电加速方式，申请公开号为cn110207947a的专利“液滴加速装置及方法”中利用电场使液滴带电并加速，尽管可以产生较高速的液滴，但液滴带电后可能改变液滴的固有性质，引入更多的干扰变量使得研究变得更加复杂。对于基于高速转盘的旋转加速方式，公开号为cn103286031a的专利“一种高频、高速的微米级液滴产生装置”中提出利用离心力为液滴加速，并利用出料导管来控制液滴的直径和出射方向。但该装置中高速液滴发生方式较为随机，仅能控制生成液滴的最大直径，且不同液滴的速度也会存在较大差异，难以生成高品质的高速液滴。此外，公开号为cn104932089a的专利“一种高频、高速、尺寸稳定的液滴阵列产生装置”中同样提出利用离心力产生高速液滴，但是生成液滴的尺寸、速度和方向同样难以控制。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了提供一种基于凸轮结构的高速液滴发生装置，用于实现高速液滴的稳定可靠发生。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于凸轮结构的高速液滴发生装置，包括：

液滴发生机构：其用于产生特定尺寸的液滴并输出；

液滴加速机构：包括固定盘和旋转盘，所述的旋转盘转动安装在固定盘上，在固定盘的内表面还具有向其中心位置凸出的弧形凸起；

液滴发射机构：包括液滴挡片、复位弹性件和滚动件，其中，所述的液滴挡片的中间部位转动设置在旋转盘的中间位置，液滴挡片的一端通过复位弹性件连接旋转盘的中间位置，另一端连接所述滚动件，并使得所述滚动件在工作过程中始终紧贴固定盘内表面，所述的液滴挡片的截面呈曲线，其形状满足：当滚动件位于固定盘内表面的非弧形凸起位置时，液滴挡片对液滴提供的支持力与离心力保持平衡，以防止液滴飞出；当滚动件位于弧形凸起位置时，液滴挡片对液滴提供的支持力与离心力不平衡，使得液滴在离心力作用下发射飞出。

本发明的凸轮结构即指固定盘内表面上的弧形凸起。另外，由于本发明的液滴加速机构与液滴发射机构在运行过程中并不会破坏原有液滴的尺寸，因此，仅需要保证液滴发生机构所产生的液滴尺寸稳定可控，即可以保证最后发射出的高速液滴的尺寸稳定。

进一步的，所述的液滴发生机构包括液滴发生器，以及与液滴发生器连接并为其输送液体的进样泵，所述的液滴发生器的液滴出口位于固定盘旁边，并用于抖落产生可被随旋转盘转动的液滴挡片捕获的新生液滴。

更进一步的，所述的液滴发生器还通过继电器连接外部高压电源，所述继电器还连接有控制器，通过控制器间歇发出执行信号至继电器，使得继电器间歇开闭，从而实现新生液滴的间断产生。

更进一步的，新生液滴的产生频率与旋转盘的转动周期匹配，使得每一滴新生液滴均可被液滴挡片捕获。

进一步的，所述的固定盘上还设有部分超出其内表面的触发开关，所述的触发开关由低压电源供电，并连接所述液滴发生器；当滚动件经过触发开关位置时，触发开关被滚压闭合，使得液滴发生器开启，当滚动件离开触发开关位置时，触发开关断开，此时，液滴发生器即关闭。

进一步的，所述的弧形凸起与固定盘的内表面光滑连接。

进一步的，所述的液滴挡片上还具有沿其截面曲线走向并可容纳液滴的凹槽。优选的，凹槽可以通过在液滴挡片上设置两平行肋片形式，也可以经由液滴挡片部分位置向外侧凸出而形成。其除了可限制液滴外，还能起到加强肋的效果。

进一步的，所述的滚动件为滚动轴承。

进一步的，固定盘与旋转盘同心设置。

进一步的，所述的复位弹性件为复位弹簧。

与现有技术相比，本发明可以有效地产生液滴发生频率和/或直径可控、速度大小和/或方向可控的高速液滴，同时也避免了引入湍流和电荷等其他干扰因素，便于实际研究中使用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的局部右视图；

图3为滚动件运动至弧形凸起处液滴飞出的示意图；

图4为滚动件运动至触发开关位置处产生新生液滴的示意图；

图5为本发明的液滴挡片的横截面示意图；

图中标记说明：

1-液滴发生器，2-进样泵，3-旋转盘，4-旋转轴，5-弹簧支点，6-复位弹性件，7-液滴挡片，8-连接轴，9-滚动轴承，10-高速液滴，11-固定盘，12-计算机，13-低压电源，14-触发开关，15-高压电源，16-继电器，17-旋转电机，18-新生液滴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下各实施方式或实施例中，液滴发生器采用本领域常用的可产生液滴并掉落的装置即可，如可采用与进样泵连接的带有针头的细管，细管外表面可以设置有与继电器连接的振动器。其余如无特别说明的功能部件或结构，也均表明其均为本领域为实现对应功能的常规部件或常规结构。

本发明提出了一种基于凸轮结构的高速液滴10发生装置，其结构参见图1和图2所示，包括：

液滴发生机构：其用于产生特定尺寸的液滴并输出；

液滴加速机构：包括固定盘11和旋转盘3，所述的旋转盘3转动安装在固定盘11上，在固定盘11的内表面还具有向其中心位置凸出的弧形凸起；

液滴发射机构：包括液滴挡片7、复位弹性件6和滚动件，其中，所述的液滴挡片7的中间部位转动设置在旋转盘3的中间位置，液滴挡片7的一端通过复位弹性件6连接旋转盘3的中间位置，另一端连接所述滚动件，并使得所述滚动件在工作过程中始终紧贴固定盘11内表面，所述的液滴挡片7的截面呈曲线，其形状满足：当滚动件位于固定盘11内表面的非弧形凸起位置时，液滴挡片7对液滴提供的支持力与离心力保持平衡，以防止液滴飞出；当滚动件位于弧形凸起位置时，液滴挡片7对液滴提供的支持力与离心力不平衡，使得液滴在离心力作用下发射飞出。

液滴挡片7的作用即为确保在滚动件位于固定盘11圆周表面时，为液滴提供足够的沿旋转盘3法向方向的支持力，防止液滴圆周运动时在离心力作用下飞出，从而配合液滴加速系统使液滴加速；且当滚动件移动至弧形凸起位置时，液滴挡片7即会绕连接轴8转动，使得液滴挡片7与液滴的支撑接触面与旋转盘3的方向发生改变，并使得复位弹性件6拉长，此时，液滴挡片7对高速液滴10提供的支撑力的方向与大小也发生改变，液滴挡片7为液滴提供的支持力不足以与离心力相平衡，导致液滴在离心力作用下被发射出去，形成高速液滴10。

在本发明的一种具体的实施方式中，请再参见图1所示，所述的液滴发生机构包括液滴发生器1，以及与液滴发生器1连接并为其输送液体的进样泵2，所述的液滴发生器1的液滴出口位于固定盘11旁边，并用于抖落产生可被随旋转盘3转动的液滴挡片7捕获的新生液滴18。

更具体的实施方式中，请再参见图1所示，所述的液滴发生器1还通过继电器16连接外部高压电源15，所述继电器16还连接有控制器，通过控制器间歇发出执行信号至继电器16，使得继电器16间歇开闭，从而实现新生液滴18的间断产生。在继电器16开合中，液滴发生器1通过震动将进样泵2输送的液体抖落为新的液滴。通过控制继电器16开合频率控制液滴发生器1震动频率，进而控制液滴生成频率。通过控制进样泵2进样速率控制产生液滴的尺寸，实际操作中需防止单个液滴生成周期内进样过多导致液滴自由滴落。当继电器处于断开状态时，液滴发生器处于放松状态，根据实验所需的液滴尺寸，利用进样泵将一定量体积的液体输送至液滴发生器的针尖位置形成液滴并悬挂于此处。当计算机控制继电器闭合后，液滴发生器通电，在闭合时带动针头快速抖动将液滴抖落。

更具体的实施方式中，新生液滴18的产生频率(即抖落频率)与旋转盘3的转动周期匹配，使得每一滴新生液滴18均可被液滴挡片7捕获。

在本发明的一种具体的实施方式中，请再参见图1所示，所述的固定盘11上还设有部分超出其内表面的触发开关14，所述的触发开关14由低压电源13供电，并连接所述液滴发生器1；当滚动件经过触发开关14位置时，触发开关14被滚压闭合，使得液滴发生器1开启，当滚动件离开触发开关14位置时，触发开关14断开，此时，液滴发生器1即关闭。这样，通过此种触发开关14以及控制液滴发生器1开闭的方式，可以确保新生液滴18的生成周期与旋转盘3的旋转周期匹配。

在本发明的一种具体的实施方式中，所述的弧形凸起与固定盘11的内表面光滑连接。

在本发明的一种具体的实施方式中，所述的液滴挡片7上还设有沿其截面曲线的两块肋片，两块肋片平行设置，并形成有可容纳液滴的凹槽。肋片的设置即可以提高液滴挡片7的强度，同时，形成的凹槽可以将液滴限制在其中，避免液滴在高速转动过程中随意移动而脱离液滴挡片7。

在本发明的一种具体的实施方式中，所述的滚动件为滚动轴承9。

在本发明的一种具体的实施方式中，固定盘11与旋转盘3同心设置。

在本发明的一种具体的实施方式中，所述的复位弹性件6为复位弹簧。

在本发明的一种具体的实施方式中，液滴挡片7的表面还镀覆有疏水材料，以保证液滴在液滴挡片7内不会发生破碎。同时，优选的，旋转盘3也可以采用镂空结构，减小转盘旋转的惯性力，增大转速以实现更大的液滴速度。

在本发明的一种具体的实施方式中，旋转盘3的半径大小可以改变，从而实现同一转速下液滴速度的改变。

以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。

下面结合具体实施例来对上述任一实施方式进行详细说明。

实施例1：

本实施例提供了一种基于凸轮结构的高速液滴发生装置，其结构参见图1和图2所示，包括：

液滴发生机构：其用于产生特定尺寸的液滴并输出；

液滴加速机构：包括固定盘11和旋转盘3，旋转盘3转动安装在固定盘11上，在固定盘11的内表面还具有向其中心位置凸出的弧形凸起；

液滴发射机构：包括液滴挡片7、复位弹性件6和滚动件，其中，液滴挡片7的中间部位通过连接轴8转动设置在旋转盘3的中间位置，液滴挡片7的一端通过复位弹性件6连接旋转盘3的中间位置，另一端连接滚动件，并使得滚动件在工作过程中始终紧贴固定盘11内表面，液滴挡片7的截面呈曲线，其形状满足：当滚动件位于固定盘11内表面的非弧形凸起位置时，液滴挡片7对液滴提供的支持力与离心力保持平衡，以防止液滴飞出；当滚动件位于弧形凸起位置时，液滴挡片7对液滴提供的支持力与离心力不平衡，使得液滴在离心力作用下发射飞出。

液滴挡片7的作用即为确保在滚动件位于固定盘11圆周表面时，为液滴提供足够的沿旋转盘3法向方向的支持力，防止液滴圆周运动时在离心力作用下飞出，从而配合液滴加速系统使液滴加速；且当滚动件移动至弧形凸起位置时，液滴挡片7即会绕连接轴8转动，使得液滴挡片7与液滴的支撑接触面与旋转盘3的方向发生改变，并使得复位弹性件6拉长，此时，液滴挡片7对高速液滴10提供的支撑力的方向与大小也发生改变，液滴挡片7为液滴提供的支持力不足以与离心力相平衡，导致液滴在离心力作用下被发射出去，形成高速液滴10。

请再参见图1所示，液滴发生机构包括液滴发生器1，以及与液滴发生器1连接并为其输送液体的进样泵2，液滴发生器1的液滴出口位于固定盘11旁边，并用于抖落产生可被随旋转盘3转动的液滴挡片7捕获的新生液滴18。

请再参见图1所示，液滴发生器1还通过继电器16连接外部高压电源15，继电器16还连接有控制器(即计算机12)，通过控制器间歇发出执行信号至继电器16，使得继电器16间歇开闭，从而实现新生液滴18的间断产生。在继电器16开合中，液滴发生器1通过振动将进样泵2输送的液体抖落为新的液滴。通过控制继电器16开合频率控制液滴发生器1震动频率，进而控制液滴生成频率。通过控制进样泵2进样速率控制产生液滴的尺寸，实际操作中需防止单个液滴生成周期内进样过多导致液滴自由滴落。新生液滴18的产生频率(即抖落频率)与旋转盘3的转动周期匹配，使得每一滴新生液滴18均可被液滴挡片7捕获。本实施例中，计算机12发出执行信号可以设定为在其接收过触发开关14发出的信号后再输出，这样即可以控制高速液滴10的生成频率。

请再参见图1所示，固定盘11上还设有部分超出其内表面的触发开关14，触发开关14由低压电源13供电，并连接液滴发生器1；当滚动件经过触发开关14位置时，触发开关14被滚压闭合，使得液滴发生器1开启，当滚动件离开触发开关14位置时，触发开关14断开，此时，液滴发生器1即关闭。这样，通过此种触发开关14以及控制液滴发生器1开闭的方式，可以确保新生液滴18的生成周期与旋转盘3的旋转周期匹配。

弧形凸起与固定盘11的内表面光滑连接。液滴挡片7上还设有沿其截面曲线的两块肋片，两块肋片平行设置，并形成有可容纳液滴的凹槽。肋片的设置即可以提高液滴挡片7的强度，同时，形成的凹槽可以将液滴限制在其中，避免液滴在高速转动过程中随意移动而脱离液滴挡片7。滚动件为滚动轴承9。固定盘11与旋转盘3同心设置。复位弹性件6为复位弹簧，复位弹簧的一端通过弹簧支点5连接旋转盘3中间位置，另一端则连接液滴挡片7一端。

上述实施例的装置的具体工作过程如下：

步骤1：打开旋转电机17，旋转电机17通过旋转轴4带动旋转盘3开始转动，使其达到预设好的转速稳定旋转。

步骤2：打开进样泵2，设置合适的流量向液滴发生器1注入液体并在液滴发生器1的针尖位置形成特定大小的液滴并稳定悬挂。

步骤3：打开计算机12，并设置内置控制系统相关参数，准备接收触发开关14的信号和发送执行信号至继电器16。

步骤4：打开低压电源13和高压电源15分别为触发开关14和继电器16供电。

步骤5：待滚动轴承9转动至触发开关14处发送信号至计算机12，参照附图4，计算机12发送信号至继电器16控制液滴发生器1振动产生新生液滴18，新生液滴18随后被液滴挡片7捕获，并跟随液滴挡片7一起做圆周运动达到设定速度。

步骤6：液滴跟随液滴挡片7圆周运动至弧形凸起处被甩出，形成自由运动的高速液滴10，参照附图3。重复步骤5-6，可获得连续的高速液滴10。

步骤7：完成实验后，关闭进样泵2，关闭低压电源13和高压电源15，关闭旋转电机17。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。