基于磁流變技術的下井電梯緩沖器磁路設計及分析

石鑫，胡林華，陳智淵，王忠建

(1.中航工業江西洪都航空工業股份有限公司 技術部，江西 南昌 330001；2.青海師范大學 民族師范學院,青海 海南藏族自治州 813000)

0 引 言

在現代電梯系統中，緩沖器通常被看作是電梯的最后一道保護裝置，是新型電梯中必不可少的重要組成部分.隨著采礦作業下井深度不斷提高，電梯的運行速度也要求加快.當電梯快速下降時，緩沖器就需要在很短的時間內吸收或者消耗轎廂的動能，以避免意外事故發生.由于電梯速度的加快，緩沖器所占用的空間將增大，隨之緩沖器所在的深坑也要增大，部分井道空間會浪費.在高速情況下，怎樣使安裝空間變小并要保證優質的緩沖效果將是一項重要課題，而電梯技術必將向高速、小尺寸、淺底坑技術發展.本研究著力于具有磁流變技術的緩沖器設計方案，與傳統的緩沖器相比，所設計的緩沖器結構更為緊湊，能夠實現高速緩沖，又可很大程度上縮短緩沖器總高度，提高底坑的空間利用率[1].

目前，磁流變技術已在飛機、橋梁、汽車、采礦等多個領域得到應用，然而把磁流變技術應用到電梯上，還是很少見的.之所以磁流變技術被廣泛應用，這是因為其可以在外界載荷變化的情況下，控制外加電壓，來改變系統阻尼.正是由于磁流變效應具有連續性、可逆性、反應時間短等優點，將磁流變技術應用到電梯緩沖器上勢必具有良好的發展前景[2～4].

1 磁流變液的工作原理

磁流變技術的關鍵環節是磁流變液，磁流變液是一種在外部磁場影響下，其各種流體性能會快速產生變化的智能材料.磁流變液的基本特征是：在磁場作用下，瞬間就會產生變化，其屈服特性也隨之改變，并且這種改變是可逆的，其粘度會發生較大的變化.上述現象業界稱作磁流變液的磁流變效應[5]，工作原理如圖1所示.

由圖1所示，在未受磁場影響時，顆粒會無規則排序.當受磁場影響時，顆粒就會有序的排列，相對于磁場方向排列成鏈，進而改變了磁流變液的特性.

2 緩沖器工作原理和磁路設計

2.1 工作原理

把磁流變技術應用到電梯緩沖器上，通常要把傳統的液壓油液換成磁流變液，這樣就需要對已有的結構進行改進設計.對該緩沖器進行設計，不僅僅要使其滿足傳統電梯緩沖器的設計要求，同時還要滿足磁流變液本身正常工作時的各種特性.圖2為所設計的磁流變液電梯緩沖器結構示意圖.

由圖2可知，電梯緩沖器包含空氣腔、磁流變液腔、蓄能氣腔還有勵磁線圈，緩沖器在工作時可以分為正、反兩個行程.當正行程時，活塞桿受到外部激勵產生運動，活塞迫使磁流變液沿著阻尼間隙向上運動，當流經活塞桿與勵磁線圈之間的環形徑向通道時，線圈由于通電會生成磁場，發生磁流變效應，進而控制磁流變液的剪切屈服強度，從而增大油液阻尼力，將緩沖系統的動能轉化成熱能，通過調節電流，可迅速調節阻尼力大小，有效地控制電梯在緩沖過程中能量的消耗過程.伴隨著運動空氣腔被壓縮，將動能轉化成壓縮能，并產生反作用力，當活塞桿到達可允許的最低點時，空氣被壓縮會儲存大量壓縮能.當反行程時，空氣腔開始膨脹，蓄能氣腔和空氣腔中的氣體儲存的能量得到釋放，磁流變液會隨著活塞桿的運動繼續運動，耗散緩沖過程中的能量，實現對轎廂內人員的保護和舒適性，從而達到緩沖效果.

圖1 磁流變液在磁場中的變化

圖2 磁流變液電梯緩沖器結構示意圖

2.2 緩沖器的磁路設計

圖3 磁路設計簡圖

磁流變液要產生流變效應的理論基礎是必須處于磁場環境中，而磁場的產生則需要有磁路，因此磁路設計的好壞，直接影響到磁流變緩沖器的工作狀態.磁路的設計是在滿足工作尺寸狀態下，使磁路產生的磁場達到本研究的要求，并且使所選擇材料的各種性能得到有效的利用，確定磁路符合要求的其余尺寸.

圖3為電梯緩沖器的磁路設計簡圖.只有當磁路產生的磁場方向相對于磁流變液的流動方向相垂直時，磁流變液將會充分地發揮作用，以便于更好地產生磁流變效應，來控制緩沖器的緩沖效果[6～7].

當進行磁路設計時，為了滿足流動方向與磁場方向相垂直的要求，需滿足公式：

(1)

(2)

本研究選取硅油充當磁流變液中的母液，密度為3.45 g/cm3，工作溫度在-70～45 ℃，20 ℃下的表觀粘度為8.5 Pa·s，剪切應力為40～100 kPa，真空磁導率μ0=4πe-7m·kg/(s2A2)，磁流變液相對磁導率μr=7.其中圈采用0.5 mm的漆包線，磁導率為1，活塞與外筒分別采用磁導率較大的材料，分別是電工純鐵和45號鋼，線匝數為300匝.

活塞直徑D=40 mm，外筒直徑D1=50 mm，活塞高度為H=30 mm，線圈內徑d=12 mm，縫隙h=1～2 mm，在尺寸空間滿足的情況下，應盡量使用多段線圈，圖4和圖5分別表示45號鋼與電工純鐵的B-H曲線.

3 Ansys有限元分析

擁有磁流變技術的電梯緩沖器產生的磁場對磁流變液的影響比較明顯，進而對緩沖效果也有很大的影響.為避免出現磁飽和現象，應該對所設計的磁路進行分析，對其中工作位置進行必要的有限元電磁場強度分析，建立有限元模型.本次研究的磁流變緩沖器為軸對稱結構，可以根據軸線對其中的1/2區域進行分析.由于所設計的磁流變緩沖器中的活塞、外筒選材都是磁導率較高的材料，所以忽略磁漏，且所設計的活塞具有兩段線圈，利用ansys軟件對其進行單元屬性的定義，材料屬性的賦予，模型建立，網格劃分，通過加載激勵和求解，電磁場中的磁場分析，進行后處理分析[8～9].圖6為相關有限元分析結果.

圖4 45號鋼的B-H曲線

圖5 電工純鐵的B-H曲線

通過圖6(a)可知緩沖器的磁力線方向垂直于磁流變液的流動方向，滿足本次研究的要求，能很好地產生磁流變效應.圖6(d)看到活塞桿內部磁感應強度比較大，活塞桿磁通密度比縫隙的磁通密度大很多，圖6(c)可以知道在這兩部分縫隙產生的磁場強度是相同的，只有在接近勵磁線圈的地方有些偏高，證明這種結構設計是合理的.

圖6(a) 磁力線分布圖

圖6(b) 磁通密度分布圖

圖6(c) 磁場強度分布圖

圖6(d) 磁感應強度分布圖

4 阻尼力計算

根據磁流變液Bingham的本構方程，磁流變緩沖器的阻尼力表示為：

Fd=Fn+Fk

(3)

式中：Fd是油腔的磁流變液阻尼力，Fn是粘滯阻尼力，即是在無磁場情況下磁流變液的粘滯特性，Fk是庫倫阻尼力，與磁流變液在磁場下的屈服強度有關[10].

(4)

τy=1.43×10-6B2+4.473×10-3B-1

(5)

由于本研究的勵磁線圈施加的電流是變化的，范圍是0～2A，通過分析與計算，求出不同電流下的磁場強度與電流之間的關系曲線，如圖7所示：

由圖7可知，當電流低于2 A時，磁場強度增長快速，無磁飽和現象發生；當電流高于2 A時，在工作間隙處所產生的磁場增長趨于平緩，說明已經接近磁飽和狀態.而本研究的線圈所施加電流范圍為0～2 A，未超過2 A，表明所選擇的幾何尺寸和基本參數是合理的.由于電梯在下降時起始高度的不同，在接觸緩沖器時的初始速度也不同，所以本文選取其緩沖速度為0～3 m/s，圖8為速度與阻尼力之間的關系曲線.

圖7 電流與磁場強度的關系

圖8 速度與阻尼力的關系

由圖8可知，阻尼力與速度基本呈正比線性關系變化，當速度增大時，緩沖器的阻尼力也相應增加.圖7和圖8反映電流和速度與阻尼力之間的關系，表明緩沖器阻尼間隙的磁場強度是由設計的磁路和電流決定的，阻尼力是由電流和速度決定的，這進一步確定了緩沖器的緩沖性能.

5 結 語

通過對基于磁流變技術的電梯緩沖器設計及有限元分析與緩沖能耗，得到以下主要結論：

(1)通過ansys軟件進行分析，得到磁場強度變化關系，輸入電流的變化會影響到磁場強度的變化，進而分析緩沖器阻尼力變化.

(2)根據模擬分析與計算證明，基于磁流變技術的緩沖器磁路設計是合理的，有助于其它領域內磁流變阻尼器的研究.

(3)可有效地促進新型智能材料在實際當中的應用.