一种面向超低温冷却加工的独立式液氮供给与调控装置
技术领域
本发明属于低温加工技术领域，具体涉及一种面向超低温冷却加工的独立式液氮供给与调控装置。
背景技术
以液氮(饱和温度-196℃)为冷却介质的超低温加工，可大幅降低切削温度，在提高难加工材料零件的加工质量与加工效率、延长刀具寿命等方面具有独特优势。近年来，液氮等冷却介质的持续供给、稳定传输与可靠调控技术受到广泛关注。
冷却介质的供给与可靠调控是超低温冷却加工实施的前提和保障。由于被加工零件的材料与结构具有多样性，因此要求超低温介质具有多变量、大范围、定量的调控能力。例如，窄槽的铣削加工由于其大深宽比的结构特点，需要较高的射流压力才能保证液氮顺利进入切削区域，实施有效冷却；不锈钢等材料在深冷处理后可导致表面硬化，所以在超低温冷却加工时要求控制液氮流量，避免增大未加工表面的硬度，从而加剧刀具磨损，同时控制液氮流量还能提高冷却介质的利用率，避免浪费。但是，液氮由于饱和温度低、气化潜热小，在储存与传输过程中受外界环境温度的影响，极易发生汽化，汽化现象会严重破坏液氮传输的稳定性，从而加大了压力、流量以及温度的调控难度。上述问题对液氮供给与调控装置的隔热能力、传输稳定性、传感器耐低温性和状态信息的实时监测与控制等提出了很高的要求。
目前，国内外机构针对液氮等超低温冷却介质，研究与开发了多种流量调控系统与装置。2017年，大连理工大学在发明专利201710535356.9中公开了“一种液氮射流状态稳定流量的调控方法”，该方法采用真空管路隔热，通过流量计实时监测液氮流量，利用PID算法实现流量调节，但未涉及液氮压力的调控。2017年，华中科技大学在发明专利201710099659.0中公开了“一种自动化液氮流量控制的难加工材料深冷加工系统”，该系统依靠主动调节气液相分离器中液面上方气压值来实现液氮的自动化流量控制，但未对液氮的输出压力和温度进行调控，且系统较为复杂。2018年，济南大学在发明专利201811181076.3中公开了“一种适用于低温切削的液氮流量智能调控冷却系统”，该系统采用红外测温仪在线检测前、后刀面温度并反馈给处理器，通过流量计和调节阀对液氮流量进行控制，最终达到设定温度，但未涉及液氮压力的稳定调控。
发明内容
本发明针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种面向超低温冷却加工的独立式液氮供给与调控装置，实现超低温冷却加工中液氮压力、流量、温度的稳定调控。该装置包括液氮储罐和调控装置，实现液氮的供给与调控；采用真空管路和保冷措施，最大限度地削弱管路漏热造成的液氮气化；调控装置入口端安装减压阀，实现液氮传输压力的稳定控制；采用耐超低温的科氏力流量计，精准测量液氮质量流量与混合密度，实现管路中气相比例的实时判别与监测；通过流量计、液位计、压力传感器、温度传感器等检测单元，调节阀、减压阀等执行单元，以及工业平板、数据采集卡等控制单元，实现液氮多状态(压力、流量、温度、密度、储量)实时监测与压力、流量、温度控制；该装置的设计符合流体动力学等理论要求，结构紧凑、布置合理，作为独立式系统占地面积小，移动方便。
本发明的技术方案：
一种面向超低温冷却加工的独立式液氮供给与调控装置，包括液氮供给传输单元、传感执行单元和控制单元，其中液氮供给传输单元包括液氮源和传输管路；传感执行单元包括各类传感器与阀类元件，负责液氮状态检测与调节；控制单元主要由控制器和数据传输模块组成，负责数据的采集和运算以及状态信息显示与命令传递；
所述的液氮供给传输单元包括手推车1.1、液氮储罐1.2、截止阀1.3、入口端真空软管1.6、真空硬管1.7、硬管一1.8、硬管二1.9、硬管三1.10、出口端真空软管1.11和喷嘴1.12；液氮储罐1.2放置于手推车1.1上，方便移动；液氮储罐1.2顶部设有控制液氮进出液的截止阀1.3与检测液氮储量的液位计1.4；液氮储罐1.2通过接头1.5与入口端真空软管1.6连接，入口端真空软管1.6与真空硬管1.7通过法兰一1.a连接，其中真空硬管1.7另一端位于控制柜2.1内部，竖直方向上距离柜底为柜子高度的1/3；在控制柜2.1内部，真空硬管1.7与减压阀2.2通过法兰二1.b连接，保证减压阀2.2竖直安装；减压阀2.2另一端与硬管一1.8通过法兰三1.c连接，在硬管一1.8中部钻孔并将入口压力传感器2.3的测量端伸入管内，然后将孔封死；硬管一1.8另一端通过法兰四1.d与流量计2.4连接，保证流量计2.4竖直安装；流量计2.4另一端与硬管二1.9通过法兰五1.e连接，在硬管二1.9上钻孔并安装安全阀2.5；电动调节阀2.6一端通过法兰六1.f与硬管二1.9连接，另一端通过法兰七1.g与硬管三1.10连接，电动调节阀2.6竖直安装且通过两个螺栓1.i固定于控制柜2.1；在硬管三1.10上按一定间距钻两个孔，依次将温度传感器2.7和出口压力传感器2.8的测量端伸入管内，然后将孔封死；硬管三1.10通过法兰八1.h与出口端真空软管1.11连接；出口端真空软管1.11末端采用螺纹连接方式安装喷嘴1.12；除软管外所有管路保证水平安装，法兰中间的结合面都采用聚四氟乙烯垫片密封；对控制柜2.1内的水平管路作隔热处理，形成保冷层2.9，从而减少液氮传输过程中的气化并保证压力、流量和温度的稳定性；保冷层2.9为双层结构，第一层为管路外部缠覆的气凝胶垫，第二层为保冷层2.9的外壳与气凝胶垫之间填充的聚氨酯泡沫；
所述的传感执行单元包括液位计1.4、流量计2.4、安全阀2.5、入口压力传感器2.3、出口压力传感器2.8、温度传感器2.7、减压阀2.2和电动调节阀2.6；
所述的控制单元包括工业平板3.1、24V电源3.2、继电器3.3、A/D采集卡3.4、D/A采集卡3.5、开启键3.6和关闭键3.7；控制单元安装在控制柜2.1的右上方区域，控制单元内部、控制单元与传感执行单元之间采用导线连接；开启键3.6和关闭键3.7分别与继电器3.3连接，控制220V电路的通断；继电器3.3分别与工业平板3.1、24V电源3.2、电动调节阀2.6连接，为其提供220V电源；24V电源3.2与液位计1.4、流量计2.4、温度传感器2.7、入口压力传感器2.3、出口压力传感器2.8、减压阀2.2、A/D采集卡3.4和D/A采集卡3.5连接，并为之供电；工业平板3.1与A/D采集卡3.4和D/A采集卡3.5连接；液位计1.4将液氮储罐1.2中的液氮储量实时转换成模拟量信号，通过A/D采集卡3.4转换成数字量信号传输至工业平板3.1；通过相同的方式，流量计2.4将液氮流量和混合密度实时传输至工业平板3.1，温度传感器2.7将液氮实时温度传输至工业平板3.1，入口压力传感器2.3将液氮实时输入压力传输至工业平板3.1，出口压力传感器2.8将液氮实时输出压力传输至工业平板3.1；工业平板3.1实现数据的实时处理以及数值和变化曲线的实时显示，同时可在工业平板3.1内输入设定入口压力值和阀口开度值，通过D/A采集卡3.5转换成模拟量，并将模拟量传输至减压阀2.2和电动调节阀2.6，实现液氮压力、流量和温度的调节；减压阀2.2除调节液氮压力外，还能起到稳定压力的作用；电动调节阀2.6的阀口开度值h与液氮流量q的关系为：
式中，Kvs为调节阀额定流量系数，S为液氮与水的密度比值，ΔP为调节阀前后压差；
实施液氮供给与调控时，首先按下开启键3.6，确保调控装置上电工作，然后将电动调节阀2.6的阀口开度值调到最大，保证传输管路畅通的同时减少管路预冷时间，之后拧开液氮储罐1.2上的截止阀1.3，液氮通过管路从喷嘴1.12中喷出；观察工业平板3.1中的实时监测数据，等待液氮温度降低至-170℃以下且基本稳定后，控制减压阀2.2与电动调节阀2.6，实现液氮压力与流量的调节，此时液氮温度的调控可通过调节流量来实现；超低温冷却加工完成后，首先关闭截止阀1.3，然后按下关闭键3.7，确保调控装置下电。
本发明的有益效果是传输管路采用真空结构和气凝胶垫-聚氨酯泡沫复合保冷结构，防止外界环境温度传热造成液氮气化，保证液氮低干度、高稳定传输；液氮储罐与调控装置之间安装减压阀，解决了液氮从储罐内输出时压力不稳定的问题，为液氮传输压力的稳定控制打下基础；采用耐超低温的科氏力流量计，解决了液氮因气化导致流量测量不准的问题，同时实现管路内液氮气化比例的实时监测，为压力、流量或隔热结构的调整提供依据；监控界面可同时显示液氮温度、流量、入口压力、出口压力、混合密度和罐内储量的实时数值，以及温度、流量、出口压力的实时变化曲线，实现了液氮供给与传输状态全面监测与调控；该装置具有结构紧凑、布置合理、占地面积小、移动方便的优点。
附图说明
图1为液氮供给与调控装置的结构示意图；
图2为传感执行单元与控制单元的电路连接示意图；
图3为调控软件界面示意图；
图4为液氮温度实时变化曲线；
图5为液氮出口压力实时变化曲线；
图6为液氮流量实时变化曲线。
图中：1.1-手推车；1.2-液氮储罐；1.3-截止阀；1.4-液位计；1.5-接头；1.6-入口端真空软管；1.7-真空硬管；1.8-硬管一；1.9-硬管二；1.10-硬管三；1.11-出口端真空软管；1.12-喷嘴；1.a-法兰一；1.b-法兰二；1.c-法兰三；1.d-法兰四；1.e-法兰五；1.f-法兰六；1.g-法兰七；1.h-法兰八；1.i-螺栓；2.1-控制柜；2.2-减压阀；2.3-入口压力传感器；2.4-流量计；2.5-安全阀；2.6-电动调节阀；2.7-温度传感器；2.8-出口压力传感器；2.9-保冷层；3.1-工业平板；3.2-24V电源；3.3-继电器；3.4-A/D采集卡；3.5-D/A采集卡；3.6-开启键；3.7-关闭键。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案，详细说明本发明的具体实施方式。
本实施例中，液氮储罐1.2为DPL高压系列杜瓦罐，其公称压力为2.3MPa、最大充液质量为133kg(有效容积165L)、外形尺寸为
独立式液氮供给与调控装置安装过程如下：如图1、2所示，第一步，将充满液氮的液氮储罐1.2放置于手推车1.1上，用接头1.5将液氮储罐1.2进出液口和入口端真空软管1.6的螺纹端连接，并用生胶带密封；
第二步，在控制柜2.1内部按从右往左的顺序依次安装真空硬管1.7、减压阀2.2、硬管一1.8、流量计2.4、硬管二1.9、电动调节阀2.6和硬管三1.10，其中真空硬管1.7和硬管三1.10的自由端伸出控制柜2.1外，减压阀2.2和电动调节阀2.6保证竖直安装；两两之间的连接方式为法兰连接，依次为法兰二1.b、法兰三1.c、法兰四1.d、法兰五1.e、法兰六1.f和法兰七1.g，法兰中间采用聚四氟乙烯垫片密封，并保证管路水平，然后采用两个螺栓1.i将电动调节阀2.6与控制柜2.1固定；最后通过法兰一1.a将入口端真空软管1.6的法兰端与真空硬管1.7的外端相连，通过法兰八1.h将硬管三1.10的外端与出口端真空软管1.11的法兰端相连，采用螺纹连接方式将喷嘴1.12安装在出口端真空软管1.11的末端；
第三步，将入口压力传感器2.3的测量端伸入硬管一1.8预先钻好的孔内，然后将孔封死；同样，将安全阀2.5安装在硬管二1.9外壁孔中，从右往左顺次将温度传感器2.7和出口压力传感器2.8的测量端伸入硬管三1.10的孔内，然后将孔封死；管路以及传感执行元件安装完成并确保无泄漏后，在硬管一1.8、硬管二1.9和硬管三1.10外壁缠覆10mm厚的气凝胶垫，然后将保冷层2.9的外壳安装在管路处，并往内部填充聚氨酯泡沫；
第四步，在控制柜2.1右上角区域按一定顺序固定工业平板3.1、24V电源3.2、继电器3.3、A/D采集卡3.4、D/A采集卡3.5、开启键3.6和关闭键3.7；并依照附图2中的电路连接示意图，采用导线连接控制单元和传感执行单元，并在工业平板3.1中安装调控软件；
液氮供给与调控实施过程如下：如图3所示，第一步，按下开启键3.6，为调控装置上电，打开工业平板3.1并启动调控软件；将电动调节阀2.6的阀口开度值调到100％，保证传输管路畅通的同时减少管路预冷时间；拧开液氮储罐1.2上的截止阀1.3，液氮通过管路从喷嘴1.12中喷出；在调控软件中将减压阀2.2调至0.6MPa，作为液氮的入口压力；约25min后，液氮温度降低至-170℃以下，且变化幅度逐渐减小，此时液氮传输基本稳定，预冷完成；
第二步，将电动调节阀2.6的阀口开度值h设置为39％，观察调控软件中的状态实时值，此时液氮出口压力为0.45MPa，液氮温度为-182℃，液氮混合密度为780kg/m3，所以液氮与水的密度比值S＝0.78，调节阀前后压差ΔP＝0.15MPa,根据公式(1)计算可得液氮流量q＝32.4kg/h，液氮温度、出口压力和流量的实时变化曲线如附图4、5和6所示；由液氮混合密度780kg/m3可知，此时液氮中的含气率为3.8％，属于泡状流；
第三步，以上述液氮温度、压力、流量为冷却参数实施超低温冷却加工，加工完成后，首先关闭截止阀1.3，然后关闭工业平板3.1，最后按下关闭键3.7，确保调控装置下电。
本发明有效地通过保冷措施和减压阀的稳压作用，保证了液氮传输中压力、流量、温度等状态的稳定性；通过一系列传感器和调节控制元件，实现了液氮多传输状态的实时监测与控制；装置的独立式、可移动设计，为普通机床的超低温冷却加工提供了支持。
