磁流变技术在电梯领域中的应用

平文彬 许卫东 吴明建 林齐福（广州特种机电设备检测研究院 广州 510800）

磁流变技术在电梯领域中的应用

平文彬 许卫东 吴明建 林齐福
（广州特种机电设备检测研究院 广州 510800）

摘 要：伴随着电梯智能化、高速化、信息化和节能环保的发展趋势，将磁流变技术与电梯技术相结合，是电梯发展新思路的一种有效尝试。本文介绍了新型的智能材料磁流变液及磁流变效应。综述了基于磁流变液的磁流变技术在电梯制动、减振、节能等方面的应用，并对其在电梯行业的发展做出了展望。

关键词：电梯 磁流变液 磁流变技术

电梯是一种人类现代生活工作中不可或缺的交通工具，如今的电梯正朝着智能化、高速化、信息化、绿色节能环保的方向快速发展。同时，人们对电梯的乘用舒适性也提出了越来越高的要求。与其他相关先进技术结合，实现多元化跨越式发展，是电梯发展的有效途径。磁流变技术是一门智能材料领域的新兴科学，将磁流变技术与电梯技术相结合，既可以体现磁流变液材料的优良特性，又可满足日益增加的对电梯安全技术发展的需求。

1　磁流变液及磁流变技术

磁流变液MRF（Magnetorheological Fluids）是由美国学者Rabinow在1948年发明的，起初并不受人们重视。20世纪80年代以来，随着磁流变材料工艺的改进以及美、日等发达国家相关研究的深入，磁流变技术得到了迅猛的发展。1994年美国lord公司的工程师开发了一种基于磁流变阻尼器的汽车半主动座椅悬架系统Motion Master，并将其应用于某型号重型卡车。dyke等人研究了用于货车车座的可控磁流变液减振器，结果表明其相对普通减振器能有效降低振幅20%～50%。2002年磁流变减振技术首次在2002款凯迪拉克高档车Seville STS上得到应用。2004年北美国家年产投入实际应用的磁流变液已达上百吨，并逐渐在火炮后座、直升机旋翼系统等军事领域运用磁流变技术。我国对磁流变液的研究始于90年代，中国科技大学、重庆大学、重庆智能材料结构研究所、中科院物理所等数十家单位都先后开展了此方面的研究工作并取得了不少有价值的研究结果。磁流变液被认为是智能材料大家庭里极具发展潜力的重要一员，磁流变技术已经在车辆工程、航空航天、土木建筑工程、机械传动、精密仪器加工等领域崭露头角，显示出巨大的发展潜力。磁流变液主要由三部分组成：磁性颗粒、绝缘载液和稳定剂［1］。磁性颗粒一般为铁、镍、钴等磁性材料的合金或者磁性氧化体，直径为1～10μm。载液一般为硅油或煤油，具有高沸点、低凝点、低粘度、高化学稳定性等特点。稳定剂的作用是确保磁流变液具有良好的凝聚稳定性和沉降稳定性，使磁性颗粒随机均匀的悬浮于基液中。磁流变效应是磁流变技术的理论基础，在未加磁场时，磁流变液变现为牛顿流体的特性，在外部强磁场作用下，流体的流变性质发生突变，由液态迅速转变为固态，响应时间仅为ms级。当外加磁场消失时，流体又恢复到原来的状态，磁流变液在液态和固态之间的快速转换是可逆的，这种现象就是磁流变效应［2］。人们可以通过改变外加磁场的强度来调节剪切屈服强度，从而实现阻尼力输出的可控性。

2　磁流变技术在电梯领域的应用

结合电梯的的运动特性，笔者发现磁流变技术在电梯制动、减振、液压传动、安全辅助等方面均能得到潜在运用，不少学者已经就此做了一些初步探索，下面笔者对国内外磁流变技术在电梯领域的应用研究加以概述。

2.1制动方面的应用

传统的电梯制动器在不通电时，由于制动弹簧的预紧压力，制动摩擦垫片将紧紧地压在制动轮上，使电梯静止保持不动。当轿厢需要运动时，电磁线圈通电，强大的电磁力将制动臂张开，制动器与制动轮脱开，制动器释放。这种制动系统虽然高效，但缺点是在电梯不断使用过程中制动垫片会有磨损，如果得不到及时更换，将会造成极其严重的事故，相关的事故报告已经屡见不鲜。美国著名电梯制造公司奥的斯在2011年申请了一种不需要摩擦垫片而是靠磁流变液提供制动力的制动系统专利，如图1所示。当线圈不通电时，磁铁产生的磁场作用于转子与内壁之间间隙中的磁流变液，转子被磁流变液产生的剪切力矩制停，从而使电梯保持不动。当电梯启动时，线圈通电，产生一个附加磁场削弱磁铁磁场强度，磁流变液恢复为牛顿流体，从而转子可以轻易转动，即电梯能够运行。该系统巧妙的运用磁流变技术解决了传统制动器中摩擦垫片易磨损的问题，可大大提高制动器的使用寿命。

图1　基于磁流变技术的电梯制动系统

2.2减振方面的应用

电梯失控超速或钢丝绳断裂时由限速器和安全钳联动来提供保护。对于瞬时式安全钳，其制停距离极短，在安全钳动作瞬间，轿厢的最大制停减速度约在5～10g左右。为了使电梯制停时人们能更加舒适，东京城市大学学者田野有希等人研究了一种利用磁流变阻尼器的安全钳装置［3］，如图2所示：

图2　采用磁流变阻尼器的安全钳结构示意图

磁流变阻尼器是利用磁流变液在强磁场下的快速可逆流变特性而制造的一种在结构振动控制中表现十分优良的智能阻尼器件。其输出阻尼力受控于工作电流，具有动态范围宽、屈服强度可随意控制、响应快等优良性能。田野有希对增加了磁流变阻尼器的安全钳装置建立了理论模型并对该模型进行仿真分析。研究表明，可通过改变磁场大小调整阻尼比，从而改变系统的固有频率。当固有频率达到0.6Hz左右时，系统减振效果最明显。与未加磁流变阻尼器的安全钳相比，其最大减速度减小为原来的54%。

2.3液压电梯节能方面的应用

液压电梯是由液压缸驱动的电梯，具有安全性好、载重量大、可靠性高、结构简单等特点，但过高的能源消耗是制约其发展的一个重要因素。浙江工业大学的毕成提出了一种附加磁流变阻尼器的液压电梯方案［4］，其电梯控制系统如图3所示。

图3　基于磁流变阻尼器的电梯控制系统

普通液压电梯下行时依靠轿厢的重量驱动，液压系统仅起到阻尼和调控的作用，这样意味着轿厢的重力势能有很大一部分被浪费掉。采用磁流变阻尼器的电梯相当于增加了一个蓄能器，当电梯下行时，势能中的一部分能量通过磁流变阻尼器中的浮动活塞蓄积到补偿气缸中，当电梯在最低楼层时，阻尼器内部的压力达到最大。电梯上行时，磁流变液在活塞运动驱使下从高压腔经阻尼孔流入低压腔。可通过改变励磁线圈电流大小来改变磁场强度，达到调节活塞运动阻尼力的目的，从而控制电梯轿厢的上行速度。磁流变阻尼器中储存的能量逐渐释放，当电梯到最高楼层时，阻尼器内部的压力达到最小。该种电梯只在上行过程中消耗能量，而在下行过程中，不仅能依靠自身的重量运行，还能存储一部分能量用于驱动电梯上行。计算表明，基于磁流变阻尼器的液压电梯比普通液压电梯节能20%左右，能够较好的实现节能效果。

2.4其他方面的应用

福州大学的郑祥盘将磁流变技术应用于电梯辅助安全传动装置［5］，在电梯原有基础上添加了一个结构简单可靠的双重安全保护功能，使电梯的安全性能得到很大提升。同时，他们还研究了基于磁流变弹性体的电梯减震系统［6］。作为磁流变液的固态模拟，磁流变弹性体中的载液被橡胶所替代，其性能更加稳定且无需密封。以磁流变弹性体作为弹性元件设计的隔振器在电梯启动、运行及刹车时减震效果十分明显。用降噪性能良好的磁流变弹性体抑制电梯运行过程中的噪声传递亦可成为一个很好的研究方向。

3　结束语

电梯产业目前正蓬勃发展，是我国实现现代化、工业化进程中的一项重要产业。融合先进技术，加快科研创新，使我国成为电梯领域的开拓者和领导者，对提升我国基础工业水平和形象具有重要意义。将磁流变技术引入电梯领域，提高电梯的可靠性和舒适度，为电梯技术发展创新提供了新的思路。同时，我们还要看到磁流变技术离在电梯领域真正大规模运用还有一定的差距，当前制约磁流变技术在电梯领域应用的主要因素包括：磁流变液的稳定性能还需进一步提高；实用型磁流变装置与系统控制技术仍需发展和完善。综上所述，随着磁流变液性能的提高和磁流变技术的深入研究，磁流变技术必将在电梯领域有广阔的应用前景。

参考文献

［1］廖昌荣，余淼，陈伟民，等.磁流变材料与磁流变阻尼器的潜在工程应用［J］.机械工程材料，2001，25（1）：31-34.

［2］司鹄，彭向和.磁流变流体的磁流变效应［J］.重庆大学学报（自然科学版），2003，26（5）：72-75.

［3］Nagano Y，Nakagawa T，Suzuki K. A basic study for an elevator emergency stop device utilizing MR fluid［C］. Proceedings of 15th International Conference on Electrical Machines and Systems. 2012：1-4.

［4］毕成.磁流变阻尼器在液压电梯中的应用［J］.数字技术与机械加工工艺备，2014，1（6）：1-3.

［5］郑祥盘，郭源帆，陈淑梅.基于磁流变技术的电梯辅助安全传动装置设计［J］.机械设计与制造，2014，8（8）：170-172.

［6］郑祥盘，郭源帆，陈淑梅.基于磁流变弹性体的电梯减振系统研究［J］.机械制造与自动化，2014，03：210-214.

中图分类号：X924.2

文献标识码：B

文章编号：1673-257X（2016）02-0001-03

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.02.001

作者简介：平文彬（1988～），男，硕士，电梯检验员，从事特种设备检验检测工作。

收稿日期：（2015-05-12）

Applications of Magnetorheological Technology in Elevator

Ping Wenbin Xu Weidong Wu Mingjian Lin Qifu
（Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing Guangzhou 510800）

AbstractAlong with the elevator development tendency of intelligentialize，high speed，informatization，energy conservation and environmental protection，it’s a valid try of the elevator development to combine the magnetorheological technology with the technology of elevator. This paper introduces the magnetorheological fluid which is a new type of intelligent material and the magnetorheological effect. The application at the aspect of elevator brake，vibration reduction，and energy conservation of magnetorheological technology based on magnetorheological fluid is summarized. At the same time，the prospects of its development in elevator have been made.

KeywordsElevator Magnetorheological fluid Magnetorheological technology