摘要：本文阐述目前涂附磨具行业常见的静电植砂高压发生器，分析指出低频高压发生器比直流高压发生器有较多优点。介绍了18看来作者研制的三代产品的性能和特点。
上个世纪八十年代末，原第二砂轮厂和上海砂轮厂开始由德国引进涂附磨具生产设备，静电植砂技术由此进入中国。1992年上海理工大学研制出国产静电植砂技术，经过近20年的发展，我国涂附磨具行业几乎所有的企业都采用了静电植砂工艺。
静电植砂是在高压电场的作用下，砂粒克服自身重力，飞向带胶基布的一种砂布生产工艺。在静电植砂生产线中，使用着直流和低频交流两种高压发生器。直流高压发生器一般是原来生产静电喷漆、静电植绒的静电高压设备厂生产的。电路结构简单，价格比较便宜。它的电场力较小，适合用于P80—P320中等粗细的砂布生产。低频交流与直流高压相比有以下几方面的优点：
1、低频高压能够使砂粒在电场中产生较大冲击力。
砂粒在交流高压作用下，一正一反地被极化，可以比喻为拳头缩回来再打出去，进入涂胶层时冲击力较大，因此进入胶层较深，粘结比较牢固。且重心朝里尖头朝外，排列比较整齐，砂布磨削锋利，质量较好。低频交流还可以设计适合静电植砂的特种脉冲波形来增加冲击力。植砂时听到“沙、沙、沙”的飞砂声就是砂粒冲击的声音。
众所周知，高压电场的电极板必须安装在绝缘支架上，而绝缘支架和极板间距能够承受的高电压是有限的，过高的电压会造成绝缘击穿、极板间隙放电打火。目前，直流高压发生器上限100KV，低频交流高压上限60KV。在同等绝缘条件下，交流高压对地电压较低，击穿的可能性较小。
2、交流可以去除砂粒的极化。
在植砂过程中，一部分砂粒被胶粘在基布上，另一部分砂粒未被粘住而掉下来，还有一部分进入胶层较浅、粘得不牢的砂粒，在反向电场的作用下也能掉下来，产品质量较好。由于砂粒是电的不良导体，具有电介质的性质，在电场中有极化作用。在受电场力再次作用时，砂粒极化会表现出反电场方向的作用力，而减小吸引时的冲击力。交流高压的负半周有去极化作用，可以使得前一次未被粘住的砂粒下一次仍冲向胶层，使静电植砂连续生产的质量比较稳定。
3、可以按照生产实际需要调整频率和极板尺寸。
粗砂质量大，惯性也大，必须用较低频率才能在电场中从下极板飞到上极板。而较低频率生产率较低，因此细砂植砂生产时，频率调高一些，兼顾砂粒有足够时间从下极板飞到上极板和较高的生产率。粗砂低频工作如生产率偏低，可以适当增加极板长度来获得较高生产率。
4、交流比直流高压电压稳定。
直流高压发生器内部电路结构比较简单，高压由倍压整流电路产生，内阻很大且无法调整控制，使得高压电压稳定性差。而低频交流高压电压由高压变压器直接产生，相对内阻较小，且可以采取电路补偿和反馈措施，进一步提高高压电压的稳定性，从而能够对静电植砂电场强度进行比较精确的控制。好的低频交流高压发生器，它的高压电压稳定性很好，不但可以用于一般密植砂场合，还可以用于要求较高的疏密植砂可控的场合。上海理工大学JD-3型静电高压发生器属于这类产品。
5、交流高压发生器有较好的保护功能。
目前直流高压发生器采用半导体高压硅堆，属于不可控电子器件。当负载瞬时过载或电源超过极限时，主要保护手段是烧保险丝或空气开关跳闸，或者烧高压硅堆造成设备损坏。从我国实际情况来看，多数使用直流高压发生器的植砂机结构比较简陋，绝缘性能较差，高压放电打火现象时有发生，负载瞬时过载难以避免，因此故障率较高。
烧保险丝或空气开关跳闸，需要0.1秒或更长时间。若遇到工人触电需要瞬时保护，0.1秒时间就太长。目前低频交流高压发生器设计使用IGBT管，这是一种电压控制型大功率晶体三极管，可以在10微秒时间内从导通变成关断，起到快速保护作用。此外上海理工大学产品设计了七种保护措施，使用安全。
低频交流高压发生器也有它的局限性。
1、电场力有限，还不能吸附很粗的砂粒，对于P36以粗的砂布生产还要借助重力植砂工艺。
2、交流高压由集成电路、三极管、电阻电容等弱电电子器件产生和控制。在高压强电环境下工作，有时也会损坏。需要从电路设计、制造工艺和材料选择多方面采取措施，使用者也要按规章操作。
上海理工大学是一所具有百年历史的综合性高等学校，在学习研究国外先进技术的基础上，1992年研制成功了JD-1型静电植砂高压发生器，获得了上海市科技进步奖和国家专利，产品销往全国各地并出口东南亚，满足了磨料磨具行业技术改造的迫切需要。随着磨具磨料行业对砂布砂纸质量要求越来越高，而且要求单位面积重量控制在一定范围，品种要求也不断增多，对于某些场合JD-1型静电植砂高压发生器难以胜任，为此，2003年上海理工大学研制出JD-2型精密控制型静电植砂高压发生器。它是JD-1型基础上的改进产品，保留了JD-1型全部技术性能，增加了对静电植砂电压的稳压控制。2008年又改进研制出JD-3型静电植砂高压发生器。它保留了JD-2型的全部技术性能，体积重量大为减少，调压控制精密度和快速性也有所提高，产品成本和价格还略有降低。
三种产品的性能对比见表一：
表一：JD-1，JD-2，JD-3，型静电植砂高压发生器对照表
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序号 |
项目 |
JD-1型 |
JD-2型 |
JD-3型 |
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1 |
研制年份 |
1992年 |
2003年 |
2008年 |
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2 |
用途 |
砂纸、砂布、砂带静电植砂生产线 | ||
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3 |
输出电压 |
0～60KV | ||
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4 |
输出电流 |
0～10mA | ||
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5 |
输出频率 |
2～30HZ | ||
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6 |
输出波形 |
静电植砂特种低频交流高压脉冲波形 | ||
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7 |
植砂能力 |
P36以细（碳化硅）P46以细（棕刚玉） | ||
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8 |
植砂电压稳定度 |
随电网电压而变 |
±1% |
±0.5%（满载时） |
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9 |
电压调整响应时间 |
1秒 |
1秒 |
0.05秒 |
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10 |
电压显示分辨率 |
1000v |
20v |
20v |
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11 |
供电电源 |
3相380v50Hz |
3相380v50Hz |
单相220v50Hz |
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12 |
供电功率 |
≤1250VA |
≤1250VA |
≤800VA |
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13 |
环境温度 |
0—40℃ | ||
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14 |
工作方式 |
连续工作 | ||
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15 |
电控柜尺寸 |
1900*700*450 立方毫米 |
1900*700*450 立方毫米 |
1000*700*250 立方毫米 |
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16 |
电控柜重量 |
120㎏ |
150㎏ |
40㎏ |
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17 |
高压变压器尺寸 |
610*500*800立方毫米 | ||
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18 |
高压变压器重量 |
560㎏ | ||
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19 |
防尘密封性能 |
较差 |
较差 |
较好 |
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20 |
安全保护功能 |
七种保护电路 | ||
由表一可知，JD-3型保持了JD-1、JD-2型的全部优良技术性能。体积重量大为下降；显示分辨率比JD-1型明显提高，与JD-2型相同；植砂电压控制精度与稳度比JD-1明显提高，比JD-2型稍有提高；稳压调整时间JD-3为0.5秒，比JD-2（5～10秒）快得多；设备密封防尘性能较好；供电由三相380V改为单相220V，且功耗下降，节电良好，在漆包线、矽钢片等各种原料不断涨价的市场环境下，JD-3型价格不但不涨，反而稍有下降，使其成为性能价格比十分优良的静电植砂设备。
由表一看到，三种设备的电气控制柜变化改进较大，高压变压器未作变化。因为该变压器是我们特殊设计，专业定点生产产品。设计中巧妙地避开了电感电容分布参数造成的对2～30HZ工作范围的影响；输出阻抗和最低工作频率都明显优于进口同类设备，而且50多条生产线16年先后使用故障率为零。
作者简介：
岑文远 男，上海理工大学教授，上海汽车工业技术中心教授级高工，享受国务院专家津贴。2010年11月当选为中国机床工具工业协会涂附磨具分会专家委员会委员。
陈赉宝 男，上海理工大学高级工程师。自1992年以来，学习借鉴国外先进技术，先后研制了三代国产静电植砂高压发生器及静电植砂设备并获得国家专利和上海市科技科技进步奖。产品畅销全国并出口东南亚地区。
