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一、项目名称 基于热/力效应的纳米粒子气雾射流微量润滑系统关键技术及应用 二、申报奖种 2017 年度高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）技术发明奖 三、项目简介 纳米粒子气雾射流微量润滑属于绿色制造技术领域，其目的是解决浇注式加 工大量使用切削液对环境和工人健康造成极大的伤害和微量润滑冷却能力严重 不足的技术瓶颈。项目依据固体强化换热原理，并基于纳米粒子传热能力远大于 液体和气体以及优良摩擦学特性的事实，提出将纳米级固体粒子、润滑液与压缩 气体混合从喷嘴喷出后，通过高压静电场使润滑液雾滴荷电雾化，形成荷电雾 滴群，荷电雾滴群在电场力的作用下可控有序的输运到工件表面，实现有固体 纳米粒子参与强化换热的微液滴输运的参数化主动控制，减少雾滴的漂移和飞 溅丧失，实现低碳绿色制造。项目应用前，传统机加工切削液的大量使用对加工、 生态环境污染严重，成本高昂；德国具有先进的微量润滑技术但实行技术垄断； 我国微量润滑技术换热能力不足、微液滴射流不可控的技术瓶颈一直未获突破， 严重制约了冶金、交通、汽车、航空航天等行业关键零部件的精密加工制造。 项目组在国家自然科学基金、国家企业创新基金和省、市科技计划等项目支 持下，产学研用相结合，持续十余年开展自主创新工作，取得创新性成果如下： 1、绿色环保的新型微量润滑基础油及纳米流体制备关键技术。研发了 30 种 植物性可降解、绿色环保的新型微量润滑基础油及纳米流体制备工艺，满足了不 同加工方式、加工工况、工件材料的高表面完整性微量润滑加工，实现了“可持 续制造”绿色发展新模式；研究了以植物油作为基础油的纳米流体微量润滑强化 换热机理及抗磨减摩的热力学作用规律。解决了航空航天、模具和汽车领域难加 工材料的绿色制造难题，节省切削液 90%以上。 2、纳米粒子气雾射流微量润滑荷电微液滴可控输运关键技术。发明了在受 约束的刀具/工件作用空间和高的相对运动速度的边界条件下，荷电雾滴群在电 场力的作用下可控输运微量润滑新方法，实现了射流的运动轨迹、雾滴粒径及其 分布、雾滴与工件界面接触状态的参数化可控输运。发明了 5 种纳米粒子微液滴 可控射流微量润滑供给系统，成功应用于航空航天，轨道交通，汽车模具等领域， 填补了我国在该领域的空白。 3、纳米粒子气雾射流微量润滑加工工艺及纳米射流对磨削区的热力学作用 规律。研究了高压高速射流条件下，固体纳米粒子导热系数与纳米射流换热能力 的本质规律、纳米粒子与携带流体介质微/纳界面热交换特性及其影响规律；揭 示纳米粒子物理特性、携带流体的特性、液固界面特性等对强化换热的影响。发 明了磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成工艺与装置、磨削加工工艺检 测系统及方法，解决了微量润滑换热能力不足的技术瓶颈。 4、刀具/工件约束空间流场分布规律及工件表面粗糙度预测关键技术。建立 了纳米粒子射流气、液、固三相流运动学及动力学模型、楔形接触区浇注式和纳 米粒子射流微量润滑两种供液条件下的动压力理论模型与数值仿真；发明了微量 润滑磨削表面粗糙度预测方法和装置，揭示了微量润滑磨削加工工件表面形貌创 成机理，建立了微量润滑磨削表面形貌和表面粗糙度预测模型。 本项目获得美国、韩国专利授权各 1 项、中国发明专利授权 46 项、PCT 专 利 6 项、实用新型专利 28 项、软件著作权 7 项；出版学术著作 2 部，发表 SCI/EI 收录论文 95 篇，制订国家标准 2 项。西安交通大学卢秉恒院士、“国家千人”、 国际磨粒加工技术委员会(ICAT)主席王军教授等评价：“项目具有显著的创造性 和实用价值，整体上达到国内领先，国际先进水平”；中科院和教育部查新均得 出结果：“该项目具有新颖性”；获得“长城质量保证中心”质量管理体系认证、两 项“国家火炬计划项目”、两项“上海市高新技术转化项目”、2015 年青岛市技术发 明 2 等奖、2016 全国工商联科技进步 2 等奖、2016 中国机械工业技术发明 2 等 奖、2016 山东省高等学校科学技术奖 1 等奖等。构建的纳米流体气雾射流微量 润滑装备生产线，近三年取得直接经济效益 5356 万元。 四、应用情况、经济和社会效益 本项目已经在上海电气、上海大众、中国中车、陕西航空、西南航空、一汽 大众、山东豪迈、亚太科技、华峰集团、丛林集团、忠旺集团、上海友升、晟通 集团、秦川机床、双环股份等 500 多家国内知名企业应用。传统机加工切削液的 大量使用对加工、生态环境污染严重，成本高昂；德国具有先进的微量润滑技术 但实行技术垄断；我国微量润滑技术换热能力不足的技术瓶颈一直未获突破，严 重制约了冶金、交通、汽车、航空航天等行业关键零部件的精密加工制造。 本项目提供的“纳米粒子气雾射流微量润滑技术”采用的切削液用量为传统 切削液的 1%~5%左右。按 5%估算，采用项目技术应用于零件加工制造行业， 每年全球节省切削液 290 万吨（节省切削液购买成本 721~1440 亿元，处理成 本 22.7~30.4 亿元）；每年我国节省切削液 108 万吨（节省切削液购买成本 323~6482 亿元，处理成本 10.2~13.6 亿元）。研究成果的应用，打破了制造业 对润滑液的过分依赖、显著降低了润滑剂用量、消除了传统润滑技术对自然环境 的污染、改善了工人的加工环境，形成了高效、低耗、环境友好、资源节约的低 碳绿色清洁生产新工艺。 五、曾获科技奖励情况 1）获得 2016 年中国机械工业科学技术二等奖； 2）获得 2015 年青岛市技术发明二等奖； 3）获得 2016 年 “上海市节能产品”称号； 4）获得 2016 年 “科技企业创新奖” ； 5）获得 2016 年山东省高等学校优秀科研成果 1 等奖。 六、主要知识产权目录 知识产权类别 知识产权具体名称 国家 (地区) 授权号 发明专利有效 状态 1. 发明专利 Nano fluid electrostatic atomization controllable jet minimal quantity lubrication grinding system 美国 US009511478B2 有权 2. 发明专利 Oil film forming process and device using coupled magnetic nanoparticle jet stream and magnetic force workbench. 韩国 10-2015-7007683 有权 3. 发明专利 纳米粒子射流微量润滑磨削表面 粗糙度预测方法和装置 中国 ZL201210490401.0 有权 4. 发明专利 砂轮气流场辅助注入磨削液的方 法及装置 中国 ZL 201110321143.9 有权 5. 发明专利 一种智能冷却液供给方法 中国 ZL 201510111131.1 有权 6. 发明专利 纳米流体微量润滑静电雾化可控 射流车削系统 中国 ZL201410445271.8 有权 7. 发明专利 一种磨削加工工艺检测系统及方 法 中国 ZL 201310474087.1 有权 8. 发明专利 微量润滑系统精密润滑泵 中国 ZL201410610302.0 有权 9. 发明专利 一种环保型微乳化微量切削液及 其制备方法 中国 ZL201410265090.7 有权 10. 发明专利 自乳化聚酯及其制备方法和用该 聚酯制备的微量润滑剂 中国 ZL201410472543.3 有权 七、主要完成人情况表（姓名、排名、技术职称、工作单位、 对本项目技术创造性贡献、曾获省级以上科技奖励情况） 1.姓名：李长河，排序：1/6，职称：教授，工作单位：青岛理工大学，贡献具 体描述： 项目的总负责人并承担总体方案设计、技术研发与装备设计等工作。除以上 工作外，主要负责发明专利方案设计、技术装备研发测试和部分实验研究工作。 获得核心发明专利6项；以第一作者或通讯作者发表SCI/EI收录论文55篇。 2.姓名：张乃庆，排序：2/6，职称：高级工程师，工作单位：上海金兆节能科 技有限公司，贡献具体描述： 项目的主要完成人之一，承担方案设计、技术研发与装备生产等工作。除以 上工作外，主要负责发明专利方案设计、技术装备研发测试等工作。获得核心发 明专利 3 项，获得“长城质量保证中心”质量管理体系认证、两项“国家火炬计 划项目”、两项“上海市高新技术转化项目”、“上海市专利试点企业”。对项目 产品生产、产业化应用做出主要贡献。 3.姓名：修世超，排序：3/6，职称：教授，工作单位：东北大学，贡献具体描 述： 是本项目产学研合作研究方负责人之一，在本项目负责微量润滑技术的智能 化研究，在智能冷却液供给方法、磨削加工工艺检测系统的应用实施技术方面做 出主要贡献，主持国家自然科学基金 2 项、沈阳市科学技术计划项目 1 项。参与 项目期间，获得发明专利授权 2 项，发表 SCI 收录论文 11 篇。 4.姓名：戴景杰，排序：4/6，职称：副教授，工作单位：青岛滨海学院，贡献 具体描述： 项目主要完成人之一，承担技术研发中负责数据分析、实验、仿真等工作。 主要工作为：结合金属加工微量润滑技术产业化应用中的工程问题，开展相关实 验，并进行不同材料的刀具寿命在不同使用工况下的相关数据收集、整理和分析， 并提供生产微量润滑装置和微量润滑油的意见报告。参与项目过程中，获得2016 年机械工业科技奖2等奖1项。 5.姓名：贾东洲，排序：5/6，职称：实验师，工作单位：内蒙古民族大学，贡 献具体描述： 项目的主要完成人之一，主要承担实验研究方案设计与实验数据测试等工作。 为发明专利的方案的设计和优化做出创造性贡献。获得韩国专利授权1 项、美国 专利授权1项、国家发明专利授权2 项，发表论文8篇。 6.姓名：张彦彬，排序：6/6，职称：博士研究生，工作单位：青岛理工大学， 贡献具体描述： 项目的主要完成人之一，主要承担技术研发、实验研究、实施和实验数据测 试等工作。为项目的实验研究和工艺设计和优化做出创造性贡献。参与项目过程 中，以第一作者发表论文4篇，获得核心发明专利1项、获得2016年机械工业科技 奖2等奖1项、2016青岛市技术发明2等奖1项。 八、主要完成单位情况表（单位名称、排名、对本项目科技 创新和推广应用情况的贡献） 1. 青岛理工大学（1/5）： 本项目的主要科研完成单位，产学研合作中校方代表，负责技术研发、技术 创新、实验、数据分析、理论建模与仿真等工作。结合金属加工微量润滑技术产 业化应用中的工程问题，开展相关实验，并进行不同材料的刀具寿命在不同使用 工况下的相关数据收集、整理和分析，并提供生产微量润滑装置和微量润滑油的 意见报告。以第一单位申请了支撑项目研发的“国家自然科学基金”1项。 参与项目过程中，获得与本项目相关韩国发明专利1项、美国发明专利授权1 项、发明专利授权23项、国际PCT专利6项、实用新型专利12项、软件著作权7项、 SCI/EI收录论文55篇、著作2部，对项目技术研发创新做出了主要贡献。 2. 青岛滨海学院（2/5）： 本项目主要科研完成单位，技术研发中负责数据分析、实验、仿真等工作。 结合金属加工微量润滑技术产业化应用中的工程问题，开展相关实验，并进行不 同材料的刀具寿命在不同使用工况下的相关数据收集、整理和分析，并提供生产 微量润滑装置和微量润滑油的意见报告。参与项目期间，获得发明专利授权 4 项， 发表 SCI 收录论文 7 篇。获得 2016 年机械工业科技奖 2 等奖 1 项。对项目实验 设计、实施、理论仿真做出重要贡献。 3. 上海金兆节能科技有限公司（3/5）： 本项目的主要产品生产完成单位，产学研合作中企业代表，负责技术研发、 技术创新、收集数据、产品加工生产。为产品生产提供具体工程应用技术问题和 相关技术支持。产品测试阶段根据产品应用数据，并结合实验数据进行分析、整 理后，对装置的材料、结构和生产工艺进行改进。以第一单位申请了支撑项目研 发的“科技型中小企业技术创新基金”一项。 参与项目过程中，获得与本项目相关的发明专利授权11项、实用新型专利2 项、制定国家标准2项，获得“长城质量保证中心”质量管理体系认证、两项“国 家火炬计划项目”、两项“上海市高新技术转化项目”、“上海市专利试点企 业”。对项目产品生产、产业化应用做出主要贡献。 4. 东北大学（4/5）： 本项目产学研合作的主要科研单位，在本项目负责微量润滑技术的智能化研 究，在智能冷却液供给方法、磨削加工工艺检测系统的应用实施技术方面做出主 要贡献，主持国家自然科学基金 2 项、沈阳市科学技术计划项目 1 项。 参与项目期间，获得发明专利授权 4 项，发表 SCI 收录论文 11 篇。 5. 内蒙古民族大学（5/5）： 本项目主要科研完成单位，技术研发中负责数据分析、实验、仿真等工作。 结合切削液可控输运问题，开展相关实验研究，进行数据收集、整理和分析。参 与项目期间，获得发明专利授权 4 项，发表 SCI 收录论文 7 篇。