磁流變技術(shù)在電梯領(lǐng)域中的應(yīng)用
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平文彬 許衛(wèi)東 吳明建 林齊福
(廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院廣州510800)
摘要：伴隨著電梯智能化、高速化、信息化和節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)，將磁流變技術(shù)與電梯技術(shù)相結(jié)合，是電梯發(fā)展新思路的一種有效嘗試。本文介紹了新型的智能材料磁流變液及磁流變效應(yīng)。綜述了基于磁流變液的肱流變技術(shù)在電梯制動(dòng)、減振、節(jié)能等方面的應(yīng)用，并對(duì)其在電梯行業(yè)的發(fā)展做出了展望。
關(guān)鍵詞：電梯磁流變液磁流變技術(shù)
電梯是一種人類現(xiàn)代生活工作中不可或缺的交通工具，如今的電梯正朝著智能化、高速化、信息化、綠色節(jié)能環(huán)保的方向快速發(fā)展。同時(shí)，人們對(duì)電梯的乘用舒適性也提出了越來越高的要求。與其他相關(guān)先進(jìn)技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多元化跨越式發(fā)展，是電梯發(fā)展的有效途徑。磁流變技術(shù)是一門智能材料領(lǐng)域的新興科學(xué)，將磁流變技術(shù)與電梯技術(shù)相結(jié)合，既可以體現(xiàn)磁流變液材料的優(yōu)良特性，又可滿足日益增加的對(duì)電梯安全技術(shù)發(fā)展的需求。
1磁流變液及磁流變技術(shù)
磁流變液MRF (Magnetorheological Fluids)是由美國(guó)學(xué)者Rabinow在1948年發(fā)明的，起初并不受人們重視。20世紀(jì)80年代以來，隨著磁流變材料工藝的改進(jìn)以及美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家相關(guān)研究的深入，磁流變技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。1994年美國(guó)lord公司的工程師開發(fā)了一種基于磁流變阻尼器的汽車半主動(dòng)座椅懸架系統(tǒng)Motion Master，并將其應(yīng)用于某型號(hào)重型卡車。dyke等人研究了用于貨車車座的可控磁流變液減振器，結(jié)果表明其相對(duì)普通減振器能有效降低振幅20%～50%。2002年磁流變減振技術(shù)首次在2002款凱迪拉克高檔車Seville STS上得到應(yīng)用。2004年北美國(guó)家年產(chǎn)投入實(shí)際應(yīng)用的磁流變液已達(dá)上百噸，并逐漸在火炮后座、直升機(jī)旋翼系統(tǒng)等軍事領(lǐng)域運(yùn)用磁流變技術(shù)。我國(guó)對(duì)磁流變液的研究始于90年代，中國(guó)科技大學(xué)、重慶大學(xué)、重慶智能材料結(jié)構(gòu)研究所、中科院物理所等數(shù)十家單位都先后開展了此方面的研究工作并取得了不少有價(jià)值的研究結(jié)果。磁流變液被認(rèn)為是智能材料大家庭里極具發(fā)展?jié)摿Φ闹匾粏T，磁流變技術(shù)已經(jīng)在車輛工程、航空航天、土木建筑工程、機(jī)械傳動(dòng)、精密儀器加工等領(lǐng)域嶄露頭角，顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿�。磁流變液主要由三部分組成磁性顆粒、絕緣載液和穩(wěn)定劑。磁性顆粒一般為鐵、鎳、鈷等磁性材料的合金或者磁性氧化體，直徑為1～10um。載液一般為硅油或煤油，具有高沸點(diǎn)、低凝點(diǎn)、低粘度、高化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)。穩(wěn)定劑的作用是確保磁流變液具有良好的凝聚穩(wěn)定性和沉降穩(wěn)定性，使磁性顆粒隨機(jī)均勻的懸浮于基液中。磁流變效應(yīng)是磁流變技術(shù)的理論基礎(chǔ)，在未加磁場(chǎng)時(shí)，磁流變液變現(xiàn)為牛頓流體的特性，在外部強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，流體的流變性質(zhì)發(fā)生突變，由液態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，響應(yīng)時(shí)間僅為ms級(jí)。當(dāng)外加磁場(chǎng)消失時(shí)，流體又恢復(fù)到原來的狀態(tài)，磁流變液在液態(tài)和固態(tài)之間的快速轉(zhuǎn)換是可逆的，這種現(xiàn)象就是磁流變效應(yīng)。人們可以通過改變外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度來調(diào)節(jié)剪切屈服強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)阻尼力輸出的可控性。
2磁流變技術(shù)在電梯領(lǐng)域的應(yīng)用
結(jié)合電梯的的運(yùn)動(dòng)特性，筆者發(fā)現(xiàn)磁流變技術(shù)在電梯制動(dòng)、減振、液壓傳動(dòng)、安全輔助等方面均能得到潛在運(yùn)用，不少學(xué)者已經(jīng)就此做了一些初步探索，下面筆者對(duì)國(guó)內(nèi)外磁流變技術(shù)在電梯領(lǐng)域的應(yīng)用研究加以概述。
2.1制動(dòng)方面的應(yīng)用
傳統(tǒng)的電梯制動(dòng)器在不通電時(shí)，由于制動(dòng)彈簧的預(yù)緊壓力，制動(dòng)摩擦墊片將緊緊地壓在制動(dòng)輪上，使電梯靜止保持不動(dòng)。當(dāng)轎廂需要運(yùn)動(dòng)時(shí)，電磁線圈通電，強(qiáng)大的電磁力將制動(dòng)臂張開，制動(dòng)器與制動(dòng)輪脫開，制動(dòng)器釋放。這種制動(dòng)系統(tǒng)雖然高效，但缺點(diǎn)是在電梯不斷使用過程中制動(dòng)墊片會(huì)有磨損，如果得不到及時(shí)更換，將會(huì)造成極其嚴(yán)重的事故，相關(guān)的事故報(bào)告已經(jīng)屢見不鮮。美國(guó)著名電梯制造公司奧的斯在2011年申請(qǐng)了一種不需要摩擦墊片而是靠磁流變液提供制動(dòng)力的制動(dòng)系統(tǒng)專利，如圖1所示。當(dāng)線圈不通電時(shí)，磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用于轉(zhuǎn)子與內(nèi)壁之間間隙中的磁流變液，轉(zhuǎn)子被磁流變液產(chǎn)生的剪切力矩制停，從而使電梯保持不動(dòng)。當(dāng)電梯啟動(dòng)時(shí)，線圈通電，產(chǎn)生一個(gè)附加磁場(chǎng)削弱磁鐵磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁流變液恢復(fù)為牛頓流體，從而轉(zhuǎn)子可以輕易轉(zhuǎn)動(dòng)，即電梯能夠運(yùn)行。該系統(tǒng)巧妙的運(yùn)用磁流變技術(shù)解決了傳統(tǒng)制動(dòng)器中摩擦墊片易磨損的問題，可大大提高制動(dòng)器的使用壽命。
2.2減振方面的應(yīng)用
電梯失控超速或鋼絲繩斷裂時(shí)由限速器和安全鉗聯(lián)動(dòng)來提供保護(hù)。對(duì)于瞬時(shí)式安全鉗，其制停距離極短，在安全鉗動(dòng)作瞬間，轎廂的最大制停減速度約在5～10g左右。為了使電梯制停時(shí)人們能更加舒適，東京城市大學(xué)學(xué)者田野有希等人研究了一種利用磁流變阻尼器的安全鉗裝置，如圖2所示：
磁流變阻尼器是利用磁流變液在強(qiáng)磁場(chǎng)下的快速可逆流變特性而制造的一種在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中表現(xiàn)十分優(yōu)良的智能阻尼器件。其輸出阻尼力受控于工作電流，具有動(dòng)態(tài)范圍寬、屈服強(qiáng)度可隨意控制、響應(yīng)快等優(yōu)良性能。田野有希對(duì)增加了磁流變阻尼器的安全鉗裝置建立了理論模型并對(duì)該模型進(jìn)行仿真分析。研究表明，可通過改變磁場(chǎng)大小調(diào)整阻尼比，從而改變系統(tǒng)的固有頻率。當(dāng)固有頻率達(dá)到0.6Hz左右時(shí)，系統(tǒng)減振效果最明顯。與未加磁流變阻尼器的安全鉗相比，其最大減速度減小為原來的54%。
2.3液壓電梯節(jié)能方面的應(yīng)用
液壓電梯是由液壓缸驅(qū)動(dòng)的電梯，具有安全性好、載重量大、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但過高的能源消耗是制約其發(fā)展的一個(gè)重要因素。浙江工業(yè)大學(xué)的畢成提出了一種附加磁流變阻尼器的液壓電梯方案，其電梯控制系統(tǒng)如圖3所示。
普通液壓電梯下行時(shí)依靠轎廂的重量驅(qū)動(dòng)，液壓系統(tǒng)僅起到阻尼和調(diào)控的作用，這樣意味著轎廂的重力勢(shì)能有很大一部分被浪費(fèi)掉。采用磁流變阻尼器的電梯相當(dāng)于增加了一個(gè)蓄能器，當(dāng)電梯下行時(shí)，勢(shì)能中的一部分能量通過磁流變阻尼器中的浮動(dòng)活塞蓄積到補(bǔ)償氣缸中，當(dāng)電梯在最低樓層時(shí)，阻尼器內(nèi)部的壓力達(dá)到最大。電梯上行時(shí)，磁流變液在活塞運(yùn)動(dòng)驅(qū)使下從高壓腔經(jīng)阻尼孔流入低壓腔�？赏ㄟ^改變勵(lì)磁線圈電流大小來改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，達(dá)到調(diào)節(jié)活塞運(yùn)動(dòng)阻尼力的目的，從而控制電梯轎廂的上行速度。磁流變阻尼器中儲(chǔ)存的能量逐漸釋放，當(dāng)電梯到最高樓層時(shí)，阻尼器內(nèi)部的壓力達(dá)到最小。該種電梯只在上行過程中消耗能量，而在下行過程中，不僅能依靠自身的重量運(yùn)行，還能存儲(chǔ)一部分能量用于驅(qū)動(dòng)電梯上行。計(jì)算表明，基于磁流變阻尼器的液壓電梯比普通液壓電梯節(jié)能20%左右，能夠較好的實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。
2.4其他方面的應(yīng)用
福州大學(xué)的鄭祥盤將磁流變技術(shù)應(yīng)用于電梯輔助安全傳動(dòng)裝置，在電梯原有基礎(chǔ)上添加了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠的雙重安全保護(hù)功能，使電梯的安全性能得到很大提升。同時(shí)，他們還研究了基于磁流變彈性體的電梯減震系統(tǒng)。作為磁流變液的固態(tài)模擬，磁流變彈性體中的載液被橡膠所替代，其性能更加穩(wěn)定且無需密封。以磁流變彈性體作為彈性元件設(shè)計(jì)的隔振器在電梯啟動(dòng)、運(yùn)行及剎車時(shí)減震效果十分明顯。用降噪性能良好的磁流變彈性體抑制電梯運(yùn)行過程中的噪聲傳遞亦可成為一個(gè)很好的研究方向。
3結(jié)束語
電梯產(chǎn)業(yè)目前正蓬勃發(fā)展，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化、工業(yè)化進(jìn)程中的一項(xiàng)重要產(chǎn)業(yè)。融合先進(jìn)技術(shù)，加快科研創(chuàng)新，使我國(guó)成為電梯領(lǐng)域的開拓者和領(lǐng)導(dǎo)者，對(duì)提升我國(guó)基礎(chǔ)工業(yè)水平和形象具有重要意義。將磁流變技術(shù)引入電梯領(lǐng)域，提高電梯的可靠性和舒適度，為電梯技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新提供了新的思路。同時(shí)，我們還要看到磁流變技術(shù)離在電梯領(lǐng)域真正大規(guī)模運(yùn)用還有一定的差距，當(dāng)前制約磁流變技術(shù)在電梯領(lǐng)域應(yīng)用的主要因素包括：磁流變液的穩(wěn)定性能還需進(jìn)一步提高；實(shí)用型磁流變裝置與系統(tǒng)控制技術(shù)仍需發(fā)展和完善。綜上所述，隨著磁流變液性能的提高和磁流變技術(shù)的深入研究，磁流變技術(shù)必將在電梯領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
